KR102506439B1 - Positive electrode for metal air battery, metal air battery including the same, and method of preparing the positive electrode for metal air battery - Google Patents

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Abstract

금속공기전지용 양극, 이를 포함하는 금속공기전지, 및 상기 금속공기전지용 양극의 제조방법이 개시된다. 상기 금속공기전지용 양극은 리튬염; 및 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 탄소계 재료;를 포함하며, 상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정될(anchored) 수 있다.Disclosed are a positive electrode for a metal-air battery, a metal-air battery including the same, and a method for manufacturing the positive electrode for a metal-air battery. The positive electrode for the metal-air battery may include a lithium salt; and a carbon-based material including a polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte comprising at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on a surface thereof, wherein a portion of the polymer electrolyte is non-covalently bonded to the surface of the carbon-based material. It can be anchored by a covalent bond.

Description

금속공기전지용 양극, 이를 포함하는 금속공기전지, 및 상기 금속공기전지용 양극의 제조방법{Positive electrode for metal air battery, metal air battery including the same, and method of preparing the positive electrode for metal air battery}Positive electrode for metal air battery, metal air battery including the same, and method of preparing the positive electrode for metal air battery}

금속공기전지용 양극, 이를 포함하는 금속공기전지, 및 상기 금속공기전지용 양극의 제조방법에 관한 것이다.A positive electrode for a metal-air battery, a metal-air battery including the same, and a method for manufacturing the positive electrode for a metal-air battery.

금속공기전지, 예를 들어, 리튬공기전지는 일반적으로 리튬이온의 흡장/방출이 가능한 음극과, 산소를 활물질로 하고 산소의 환원 및 산화반응이 일어나는 양극(공기극), 및 상기 음극과 양극 사이에 세퍼레이터를 구비한 것이 알려져 있다.A metal-air battery, for example, a lithium-air battery, generally has a negative electrode capable of intercalating/extracting lithium ions, a positive electrode (air electrode) in which oxygen is used as an active material and oxygen reduction and oxidation reactions occur, and between the negative electrode and the positive electrode. It is known to have a separator.

리튬공기전지의 단위중량당 이론 에너지밀도는 3500Wh/kg 이상이며, 이는 리튬이온전지의 대략 10배에 해당한다. The theoretical energy density per unit weight of a lithium-air battery is more than 3500 Wh/kg, which is approximately 10 times that of a lithium-ion battery.

리튬공기전지는 일반적으로 리튬이온의 전달경로를 확보하기 위하여 전해질을 포함할 수 있다. 그러나 리튬공기전지는 양극(공기극)의 탄소계 재료 대비 과량의 전해질을 포함하는 경우 단위 중량당 에너지 밀도가 낮아질 수 있다.A lithium-air battery may generally include an electrolyte in order to secure a delivery path for lithium ions. However, when a lithium-air battery contains an excess amount of electrolyte compared to the carbon-based material of the cathode (air electrode), the energy density per unit weight may be lowered.

이러한 문제를 해결하기 위해, 신규한 금속공기전지용 양극, 이를 포함하는 금속공기전지, 및 상기 금속공기전지용 양극의 제조방법에 대한 요구가 여전히 있다.In order to solve these problems, there is still a need for a novel anode for a metal-air battery, a metal-air battery including the same, and a method for manufacturing the anode for a metal-air battery.

일 측면은 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 탄소계 재료를 포함하는 금속공기전지용 양극을 제공하는 것이다.One aspect is to provide a cathode for a metal-air battery including a carbon-based material including a polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte including at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on a surface thereof.

다른 측면은 상기 양극을 포함하는 금속공기전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a metal-air battery including the positive electrode.

또다른 측면은 상기 금속공기전지용 양극의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a manufacturing method of the anode for the metal-air battery.

일 측면에 따라,According to one aspect,

리튬염; 및lithium salt; and

표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 탄소계 재료;를 포함하며,A carbon-based material including a polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte including at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on a surface thereof,

상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정된(anchored), 금속공기전지용 양극이 제공된다:A positive electrode for a metal-air battery in which a portion of the polymer electrolyte is anchored to a surface of the carbon-based material by a non-covalent bond or a covalent bond is provided:

다른 측면에 따라,According to other aspects,

리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 음극;a negative electrode containing lithium or a lithium alloy;

전술한 양극; 및the aforementioned anode; and

상기 음극과 양극 사이에 배치된 세퍼레이터;를 포함하는, 금속공기전지가 제공된다.A metal-air battery including a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode is provided.

또다른 측면에 따라,According to another aspect,

탄소계 재료, 고분자 전해질, 및 리튬염을 용매에 첨가하고 분산 및 건조하여 상기 탄소계 재료의 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 전술한 양극을 제조하는 단계;를 포함하는, 금속공기전지용 양극의 제조방법이 제공된다.A method comprising a polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte containing at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on the surface of the carbon-based material by adding a carbon-based material, a polymer electrolyte, and a lithium salt to a solvent, dispersing and drying the mixture. There is provided a method for manufacturing a positive electrode for a metal-air battery, including the step of preparing a positive electrode.

일 측면에 따른 금속공기전지용 양극은, 리튬염, 및 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 탄소계 재료를 포함하며, 상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정됨으로써, 전해질의 함량을 최소화할 수 있다. 상기 금속공기전지용 양극을 포함하는 금속공기전지는 단위중량당 에너지밀도를 개선시킬 수 있다.A cathode for a metal-air battery according to one aspect includes a carbon-based material including a polymer electrolyte layer composed of a lithium salt and a polymer electrolyte including at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on a surface of the carbon-based material. Since a part of the polymer electrolyte is fixed to the surface of the polymer electrolyte through a non-covalent bond or a covalent bond, the content of the electrolyte can be minimized. The metal-air battery including the positive electrode for the metal-air battery may improve energy density per unit weight.

도 1은 일 구현예에 따른 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료가 배열된 양극 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 금속공기전지용 양극의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 리튬공기전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4a는 실시예 1에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료의 TEM 이미지이다.
도 4b 및 도 4c는 각각 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료의 TEM 이미지이다.
도 5는 실시예 1에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료의 고분자 전해질층에 대한 TGA 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료에 대한 XPS 분석의 C1s 스펙트럼 및 O1s 스펙트럼이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예 4에 의해 제작된 리튬공기전지의 첫번째 방전 사이클 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing an anode structure in which a carbon-based material coated with a polymer electrolyte layer is arranged according to an embodiment.
2 is a schematic diagram showing a manufacturing method of a cathode for a metal-air battery according to an embodiment.
3 is a schematic diagram showing the structure of a lithium-air battery according to an embodiment.
FIG. 4a is a TEM image of a carbon-based material coated with a polymer electrolyte layer prepared in Example 1. FIG.
4b and 4c are TEM images of the carbon-based material coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 2, respectively.
5 is a TGA graph of a polymer electrolyte layer of a carbon-based material coated with a polymer electrolyte layer prepared in Example 1;
6A and 6B are C1s and O1s spectra of XPS analysis of the carbon-based material coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 2, respectively.
7a and 7b are first discharge cycle graphs of the lithium-air battery manufactured in Example 4;

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 구현예에 따른 금속공기전지용 양극, 이를 포함하는 금속공기전지, 및 상기 금속공기전지용 양극의 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다. 이하는, 예시로서 제시되는 것으로서 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, a cathode for a metal-air battery according to an embodiment of the present invention, a metal-air battery including the same, and a manufacturing method of the anode for a metal-air battery will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

본 명세서에서 "포함"이라는 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 추가 또는/및 개재할 수 있음을 나타내도록 사용된다. In this specification, the term "include" is used to indicate that other components may be added or/or intervened, not excluded, unless otherwise stated.

금속공기전지, 예를 들어 리튬공기전지는 리튬이온의 흡장/방출이 가능한 음극과, 산소를 활물질로 하는 양극, 및 리튬이온을 전달할 수 있는 전해질로 구성될 수 있다. 리튬공기전지는 산소를 리튬공기전지 내에 저장할 필요가 없으므로 단위 중량당 이론 에너지 밀도가 높은 전지로서 주목받고 있다. A metal-air battery, for example, a lithium-air battery, may include a negative electrode capable of intercalating/extracting lithium ions, a positive electrode using oxygen as an active material, and an electrolyte capable of delivering lithium ions. A lithium-air battery has attracted attention as a battery with a high theoretical energy density per unit weight because there is no need to store oxygen in the lithium-air battery.

리튬공기전지는 전해질로서 수계 전해질과 비수계 전해질을 사용할 수 있다. 그러나 전해질로서 수계 전해질을 사용하는 경우 이를 포함하는 리튬공기전지는 리튬 음극과 수계 전해질과의 접촉으로 인해 심한 부식 현상이 발생할 수 있고, 그 결과, 전해질로서 비수계 전해질을 사용하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.A lithium-air battery may use an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte as an electrolyte. However, when an aqueous electrolyte is used as the electrolyte, a lithium-air battery including this may cause severe corrosion due to contact between the lithium anode and the aqueous electrolyte. As a result, many studies have been conducted to use non-aqueous electrolyte as the electrolyte. It is becoming.

비수계 전해질은 예를 들어, 이온성 액체 또는 유기 액체전해질이 사용될 수 있다. 유기 액체전해질은 예를 들어, 카보네이트계, 에테르계, 술폰계, 또는 DMSO(N, N-dimethlysulfoxide)계, 또는 DMAC(N, N-dimethlysulfonamide)계 등이 사용될 수 있다.As the non-aqueous electrolyte, for example, an ionic liquid or an organic liquid electrolyte may be used. As the organic liquid electrolyte, for example, carbonate, ether, sulfone, DMSO (N, N-dimethlysulfoxide), or DMAC (N, N-dimethlysulfonamide) may be used.

전해질로서 비수계 전해질을 사용하는 경우 하기 반응식 1과 같은 반응 메커니즘을 나타낼 수 있다.In the case of using a non-aqueous electrolyte as an electrolyte, a reaction mechanism shown in Scheme 1 below may be shown.

<반응식 1><Scheme 1>

4Li + O2 ↔ 2Li2O E o =2.91V4Li + O 2 ↔ 2Li 2 O E o =2.91V

2Li + O2 ↔ Li2O2 E o =3.10V2Li + O 2 ↔ Li 2 O 2 E o =3.10V

방전시 음극으로부터 유래되는 리튬이 양극(공기극)으로부터 도입되는 산소와 만나 리튬산화물이 생성되며 산소는 환원된다(oxygen reduction reaction: ORR). 또한, 반대로 충전시 리튬 산화물이 환원되고, 산소가 산화되어 발생한다(oxygen evolution reaction: OER). 상기 반응식 1에 의하면 방전시 Li2O2가 양극(공기극)의 기공에 석출되며, 리튬공기전지의 용량은 양극(공기극)과 접촉하는 전해질의 면적이 넓을수록 증가된다 During discharge, lithium from the negative electrode meets oxygen introduced from the positive electrode (air electrode) to produce lithium oxide, and oxygen is reduced (oxygen reduction reaction: ORR). In addition, on the contrary, during charging, lithium oxide is reduced and oxygen is oxidized (oxygen evolution reaction: OER). According to Reaction Equation 1, during discharge, Li 2 O 2 is deposited in the pores of the positive electrode (air electrode), and the capacity of the lithium-air battery increases as the area of the electrolyte in contact with the positive electrode (air electrode) increases.

양극(공기극)은 높은 비표면적, 높은 기공부피를 갖는 탄소계 재료를 포함할 수 있다. 그러나 높은 기공부피로 인해 많은 양의 전해질이 사용되게 된다. 탄소계 재료 대비 전해질의 양이 많으면 방전생성물이 생성될 공간을 과량의 전해질이 점유하게 된다. 그 결과, 방전생성물이 생성되는 것이 방해되어 금속공기전지의 무게를 증가시킬 수 있고 단위중량당 에너지 밀도가 낮아질 수 있다.The anode (air cathode) may include a carbon-based material having a high specific surface area and a high pore volume. However, due to the high pore volume, a large amount of electrolyte is used. When the amount of the electrolyte is large compared to the carbon-based material, the excess electrolyte occupies the space where the discharge product is to be generated. As a result, the generation of discharge products is prevented, and thus the weight of the metal-air battery may be increased and the energy density per unit weight may be lowered.

일 구현예에 따른 금속공기전지용 양극은 리튬염; 및 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 탄소계 재료;를 포함하며, 상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정될(anchored) 수 있다.A positive electrode for a metal-air battery according to an embodiment includes a lithium salt; and a carbon-based material including a polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte comprising at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on a surface thereof, wherein a portion of the polymer electrolyte is non-covalently bonded to the surface of the carbon-based material. It can be anchored by a covalent bond.

본 명세서에서 "친수성" 및 "소수성"의 개념은 상대적인 개념으로 이해될 수 있다.In this specification, the concepts of "hydrophilicity" and "hydrophobicity" may be understood as relative concepts.

본 명세서에서 "친수성" 및 "소수성"이라는 용어는 "물질 표면의 친수성" 및 "물질 표면의 소수성"으로 정의된다. 본 명세서에서 "친수성 물질" 및 "소수성 물질"은 물에 대한 물질 표면의 젖음성을 기준으로 하여 구분된다. 물에 대한 물질 표면의 젖음성은 물 접촉각(contact angle with water)을 이용하여 정량적으로 분석될 수 있다.In this specification, the terms "hydrophilic" and "hydrophobicity" are defined as "hydrophilicity of a material surface" and "hydrophobicity of a material surface". In this specification, "hydrophilic material" and "hydrophobic material" are distinguished based on the wettability of the surface of the material to water. The wettability of a material surface to water can be quantitatively analyzed using the contact angle with water.

상기 "물 접촉각(contact angle with water)"은 물이 물질 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각을 의미한다. 예를 들어, 물 접촉각은 물질을 코팅한 기판 상에 소정 부피의 물을 적하하여 기판 상에 물액적과 기판이 만나는 끝점에서 물질 표면의 접촉점을 잇는 선의 탄젠트 각(tangent angle)을 측정하여 얻을 수 있다. 상기 물 접촉각은 이론적으로 하기 Young's Equation에 의해 정의될 수 있다:The "contact angle with water" means an angle formed when water is in thermodynamic equilibrium on a material surface. For example, the water contact angle can be obtained by dropping a predetermined volume of water on a substrate coated with the material and measuring the tangent angle of a line connecting the contact point of the material surface at the end point where the water droplet and the substrate meet on the substrate. . The water contact angle can be theoretically defined by Young's Equation:

γ cosθ Y = γ - γ sl (1) γ cos θ Y = γ - γ sl (One)

상기 (1)에서, γ , γ , γ sl 는 각각 액상-기상, 고상-기상, 및 고상-액상 계면장력을 나타내며, θ Y 접촉각을 나타낸다.In (1) above, γ , γ , and γ sl denotes the liquid-gas phase, solid-gas phase, and solid-liquid interfacial tensions, respectively, and θ Y is represents the contact angle.

이러한 물 접촉각은 망원경 고니어미터(Telescope-Goniometer), 수중에서의 캡티브 버블법(captive bubble method), 틸팅 플레이트법(tilting plate method), 빌헬미 조화법(Wilhelmy balance method), 모세관법(capillary tube method), 스태틱 세실 드롭릿법(static sessile droplet method), 또는 ACCU DYNE TESTTM 키트 등 해당 기술분야에서 모든 측정 가능한 방법에 의해 직접 측정이 가능하다.This water contact angle can be measured using a telescope-goniometer, captive bubble method in water, tilting plate method, Wilhelmy balance method, capillary method tube method), static sessile droplet method, or ACCU DYNE TEST TM kit, etc., can be directly measured by any measurement method available in the art.

상기 고분자 전해질은 물 접촉각(contact angle with water)의 차이가 5° 이상인 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함할 수 있다. 상기 친수성 물질의 물 접촉각은 0° 내지 70° 미만일 수 있다. 상기 소수성 물질의 물 접촉각은 70° 이상일 수 있다. The polymer electrolyte may include a hydrophilic material and a hydrophobic material having a difference in contact angle with water of 5° or more. The water contact angle of the hydrophilic material may be 0° to less than 70°. A water contact angle of the hydrophobic material may be 70° or more.

상기 물 접촉각은 물에 대한 용해도와 매우 밀접한 관련이 있다. 즉, 물에 대한 용해도가 높을수록 물 접촉각은 낮아지며, 물에 대한 용해도가 낮을수록 물 접촉각은 높아질 수 있다. 따라서 친수성 물질의 물에 대한 용해도가 소수성 물질에 비해 높다.The water contact angle is very closely related to solubility in water. That is, the higher the solubility in water, the lower the water contact angle, and the lower the solubility in water, the higher the water contact angle. Therefore, the solubility of hydrophilic substances in water is higher than that of hydrophobic substances.

예를 들어, 친수성 물질이 폴리에틸렌글리콜이고 분자량이 4000 daltons인 경우, 20℃에서 66% (w/w)으로 물에 대한 용해가 매우 우수하다. 이와 비교하여, 예를 들어, 소수성 물질이 폴리프로필렌글리콜이고 분자량이 4000 daltons인 경우, 20℃에서 0.01% (w/w) 미만으로 물에 거의 용해되지 않는다. 이로 인해, 예를 들어 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜-폴리에틸렌글리콜로 구성된 고분자는 수용액 상의 고분자의 농도에 따라서 용해도가 낮은 소수성 물질의 폴리프로필렌글리콜 블록이 내부로, 그리고 용해도가 높은 친수성 물질의 폴리에틸렌글리콜 블록이 외부로 향하여 존재하게 된다.For example, when the hydrophilic material is polyethylene glycol and the molecular weight is 4000 daltons, the solubility in water is excellent at 66% (w/w) at 20°C. In comparison, for example, when the hydrophobic material is polypropylene glycol and the molecular weight is 4000 daltons, it is hardly soluble in water, less than 0.01% (w/w) at 20°C. Because of this, for example, in a polymer composed of polyethylene glycol-polypropylene glycol-polyethylene glycol, the polypropylene glycol block of a hydrophobic material with low solubility is internally and the polyethylene glycol block of a hydrophilic material with high solubility depends on the concentration of the polymer in the aqueous solution. It exists towards the outside.

상기 비공유결합은 상기 탄소계 재료의 표면과 상기 고분자 전해질 사이의 결합이 주로 약한 결합에 기초한 결합을 의미한다. 예를 들어, 상기 비공유결합은 수소결합(hydrogen bond), 반데르발스 결합(Van der Waals bond), 전하이동(charge transfer), 쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction), 또는 π 전자 상호작용(π-π stacking interaction) 등을 들 수 있다. 상기 비공유결합은 상기 탄소계 재료의 표면에 결함을 유도할 필요 없이 고분자 전해질을 결합시켜 형성할 수 있다.The non-covalent bond refers to a bond between the surface of the carbon-based material and the polymer electrolyte mainly based on a weak bond. For example, the non-covalent bond is a hydrogen bond, a Van der Waals bond, a charge transfer, a dipole-dipole interaction, or a π electron interaction (π -π stacking interaction). The non-covalent bond may be formed by bonding a polymer electrolyte without inducing defects on the surface of the carbon-based material.

상기 공유결합은 상기 탄소계 재료의 표면에 직접 부착된 반응성 작용기와 고분자 전해질의 작용기가 반응하여 형성된 결합을 의미한다. 예를 들어, 상기 탄소계 재료의 표면에 직접 부착된 반응성 작용기는 "-COOH", "-COH", 또는 "-OH" 등을 들 수 있다. 예를 들어, 상기 공유결합은 산화반응, 할로겐화 반응, 고리화 첨가반응(cycloaddition), 라디칼 부가반응(radical addition), 또는 티올화 반응 등을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 공유결합은 상기 탄소계 재료의 표면에 산 처리에 의한 산화반응으로 카르복시기(-COOH) 등의 반응성 작용기를 도입하고, 아미노기(-NH2)와 같은 측쇄를 갖는 에틸렌옥사이드 블록을 갖는 고분자 전해질의 작용기(예: 폴리에틸렌옥사이드(PEO)-b-폴리프로필렌옥사이드(PPO)-b-폴리에틸렌옥사이드(PEO) 트리블록 공중합체)를 이용하여 상기 탄소계 재료의 표면과 고분자 전해질 사이에 공유결합이 형성될 수 있다.The covalent bond refers to a bond formed by a reaction between a reactive functional group directly attached to the surface of the carbon-based material and a functional group of the polymer electrolyte. For example, the reactive functional group directly attached to the surface of the carbon-based material may be "-COOH", "-COH", or "-OH". For example, the covalent bond may be formed using an oxidation reaction, a halogenation reaction, a cycloaddition reaction, a radical addition reaction, or a thiolation reaction. For example, the covalent bond introduces a reactive functional group such as a carboxy group (-COOH) by an oxidation reaction by acid treatment on the surface of the carbon-based material, and an ethylene oxide block having a side chain such as an amino group (-NH 2 ) The surface of the carbon-based material is shared between the surface of the carbon-based material and the polymer electrolyte by using a functional group of the polymer electrolyte having (e.g., polyethylene oxide (PEO) -b -polypropylene oxide (PPO) -b -polyethylene oxide (PEO) triblock copolymer). A bond may be formed.

상기 "고정될(된)(anchored)"이라는 용어는 지지체 표면에 부착되고 부착된 부분은 고정되어(fixed) 있는 것을 의미한다. 상기 지지체 표면에 부착되지 않는 부분은 움직일 수 있거나 또는 고정되어(fixed) 있을 수 있다.The term “anchored” means that the attached part is attached to the surface of the support and the attached part is fixed. The part that is not attached to the support surface may be movable or fixed.

도 1은 일 구현예에 따른 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료가 배열된 양극 구조를 나타낸 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing an anode structure in which a carbon-based material coated with a polymer electrolyte layer is arranged according to an embodiment.

도 1에서, 양극은 탄소계 재료(1)의 표면에 고분자 전해질 코팅층(2)이 배치되어 있고 고분자 전해질 코팅층(2)이 배치된 복수 개의 탄소계 재료(1)들 사이에 복수 개의 보이드(void)가 배열된 구조를 나타낸다.In FIG. 1, the anode has a polymer electrolyte coating layer 2 disposed on the surface of the carbon-based material 1 and a plurality of voids between the plurality of carbon-based materials 1 on which the polymer electrolyte coating layer 2 is disposed. ) represents an arranged structure.

일 구현예에 따른 금속공기전지용 양극은 탄소계 재료의 표면에 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질 코팅층을 포함하여 전해질의 함량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정될 수 있으므로, 금속공기전지의 반복적인 충방전 동안에 상기 고분자 전해질 코팅층을 유지할 수 있다. 그 결과, 금속공기전지의 중량이 감소될 수 있고 단위중량당 에너지 밀도가 개선될 수 있다. A positive electrode for a metal-air battery according to an embodiment may include a polymer electrolyte coating layer composed of a polymer electrolyte including at least one hydrophilic material and a hydrophobic material on the surface of a carbon-based material, thereby minimizing the electrolyte content. In addition, since a portion of the polymer electrolyte may be fixed to the surface of the carbon-based material through a non-covalent bond or a covalent bond, the polymer electrolyte coating layer may be maintained during repeated charging and discharging of the metal-air battery. As a result, the weight of the metal-air battery can be reduced and the energy density per unit weight can be improved.

상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 소수성 물질의 일부 또는 전부가 비공유결합으로 고정될 수 있다. 상기 탄소계 재료의 표면이 소수성이므로 고분자 전해질의 소수성 물질과의 친화성(affinity)이 높기에 상기 고분자 전해질의 소수성 물질의 일부 또는 전부가 상기 탄소계 재료의 표면에 용이하게 고정될 수 있다. A part or all of the hydrophobic material of the polymer electrolyte may be non-covalently fixed to the surface of the carbon-based material. Since the surface of the carbon-based material is hydrophobic, affinity with the hydrophobic material of the polymer electrolyte is high, so that part or all of the hydrophobic material of the polymer electrolyte can be easily fixed on the surface of the carbon-based material.

상기 고분자 전해질의 소수성 물질의 일부 또는 전부는 소수성 반복단위 또는/및 소수성 기능기를 포함할 수 있다.Some or all of the hydrophobic material of the polymer electrolyte may include a hydrophobic repeating unit or/and a hydrophobic functional group.

상기 소수성 반복단위는 예를 들어, 부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 벤질 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, tert-부틸 메타크릴레이트, 사이클로헥실 메타크릴레이트, 2-에틸헥실 메타크릴레이트, 헥사데실 메타크릴레이트, 헥실 메타크릴레이트, 이소부틸 메타크릴레이트, 이소프로필 메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 옥타데실 메타크릴레이트, 테트라하이드로푸르푸릴 메타크릴레이트, 아크릴로니트릴, 무수말레인산, 스티렌, 프로필렌글리콜, 프로필렌옥사이드, 부텐, 1-데센, 디사이클로펜타디엔, 이소부틸렌, 4-메틸-1-펜텐, 에틸렌, 프로필렌, 에틸렌 아디페이트, 에틸렌 석시네이트, 에틸렌 테레프탈레이트, 2-에틸-1,3-헥산디올 세바케이트, 비닐 아세테이트, 비닐 시나메이트, 비닐 스테아레이트, 테트라하이드로푸란, 또는 이들 공중합체 등을 포함할 수 있다. The hydrophobic repeating unit is, for example, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, methacrylate, benzyl methacrylate, butyl methacrylate, tert-butyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, 2-ethyl Hexyl Methacrylate, Hexadecyl Methacrylate, Hexyl Methacrylate, Isobutyl Methacrylate, Isopropyl Methacrylate, Methyl Methacrylate, Octadecyl Methacrylate, Tetrahydrofurfuryl Methacrylate, Acrylonitrile , maleic anhydride, styrene, propylene glycol, propylene oxide, butene, 1-decene, dicyclopentadiene, isobutylene, 4-methyl-1-pentene, ethylene, propylene, ethylene adipate, ethylene succinate, ethylene terephthalate , 2-ethyl-1,3-hexanediol sebacate, vinyl acetate, vinyl cinnamate, vinyl stearate, tetrahydrofuran, or copolymers thereof.

상기 소수성 기능기는 예를 들어, 히드록시기, 메틸기, 카르보닐기, 카르복시기, 아미노기, 포스페이트기, 또는 메르캅토기 등을 포함할 수 있다.The hydrophobic functional group may include, for example, a hydroxy group, a methyl group, a carbonyl group, a carboxy group, an amino group, a phosphate group, or a mercapto group.

상기 소수성 반복단위 또는/및 소수성 기능기는 상기 고분자 전해질의 주쇄 또는/및 측쇄에 위치할 수 있다. The hydrophobic repeating unit or/and hydrophobic functional group may be located on the main chain or/and side chain of the polyelectrolyte.

상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질층의 고분자 전해질의 소수성 물질의 일부 또는 전부가 예를 들어, 반데르발스결합으로 흡착될 수 있다. 이러한 흡착은 상기 탄소계 재료의 표면에 결함을 유도할 필요가 없어 상기 탄소계 재료 고유의 성질을 그대로 유지한 채 그 표면을 기능화할 수 있다. 이로 인해, 금속공기전지의 리튬 이온 전도도가 저하되지 않고 유지될 수 있다.A part or all of the hydrophobic material of the polymer electrolyte of the polymer electrolyte layer may be adsorbed to the surface of the carbon-based material, for example, through a van der Waals bond. Such adsorption does not require inducing defects on the surface of the carbon-based material, and the surface of the carbon-based material can be functionalized while maintaining the inherent properties of the carbon-based material. Due to this, the lithium ion conductivity of the metal-air battery may be maintained without deterioration.

상기 고분자 전해질은 가교된 고분자 전해질을 포함할 수 있다. 상기 가교된 고분자 전해질은 상기 탄소계 재료의 표면에 고분자 전해질 코팅층을 보다 견고하게 고정시킬 수 있다. 이로 인해, 전해질의 함량을 극도로 최소화할 수 있다. 그 결과, 금속공기전지의 중량이 보다 감소될 수 있고 단위중량당 에너지 밀도가 매우 개선될 수 있다. The polymer electrolyte may include a cross-linked polymer electrolyte. The cross-linked polymer electrolyte may more firmly fix the polymer electrolyte coating layer to the surface of the carbon-based material. Due to this, the content of the electrolyte can be extremely minimized. As a result, the weight of the metal-air battery can be further reduced and the energy density per unit weight can be greatly improved.

상기 고분자 전해질층의 고분자 전해질은 예를 들어, 소수성 블록과 친수성 블록으로 구성된 블록 공중합체를 포함할 수 있다. The polymer electrolyte of the polymer electrolyte layer may include, for example, a block copolymer composed of a hydrophobic block and a hydrophilic block.

상기 소수성 블록은 상술한 소수성 반복단위와 동일하다.The hydrophobic block is the same as the hydrophobic repeating unit described above.

상기 친수성 블록은 예를 들어, 에틸렌글리콜, 에틸렌옥사이드, N-이소프로필아크릴아미드, 2-옥사졸린, 2-에틸-2-옥사졸린, 에틸렌이민, 설포프로필 아크릴레이트, 2-하이드록시프로필 메타크릴레이트, 비닐 알코올, 비닐피롤리돈, 또는 이들 공중합체 등을 포함할 수 있다. The hydrophilic block is, for example, ethylene glycol, ethylene oxide, N-isopropylacrylamide, 2-oxazoline, 2-ethyl-2-oxazoline, ethylenimine, sulfopropyl acrylate, 2-hydroxypropyl methacrylic acid rate, vinyl alcohol, vinyl pyrrolidone, or copolymers thereof, and the like.

상기 블록 공중합체의 소수성 블록이 상기 탄소계 재료의 표면에 고정되어 있고 친수성 블록이 상기 탄소계 재료의 표면 밖으로 향하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 블록 공중합체의 소수성 블록이 상기 탄소계 재료의 표면에 반데르발스 결합으로 흡착되고 친수성 블록이 상기 탄소계 재료의 표면 밖으로 향하여 배치되어 용이한 리튬이온의 전도가 가능하다. 이러한 형태에 대해서는 도 2 및 도 4b에서 확인할 수 있다.The hydrophobic block of the block copolymer may be fixed to the surface of the carbon-based material and the hydrophilic block may be disposed facing out of the surface of the carbon-based material. For example, the hydrophobic block of the block copolymer is adsorbed to the surface of the carbon-based material through van der Waals bonds, and the hydrophilic block is disposed toward the outside of the surface of the carbon-based material, thereby enabling easy conduction of lithium ions. This form can be confirmed in Figures 2 and 4b.

예를 들어, 상기 블록 공중합체는 소수성 블록의 예로 프로필렌옥사이드(또는 프로필렌글리콜)이고, 친수성 블록의 예로 에틸렌옥사이드(또는 에틸렌글리콜)를 들 수 있다. 이러한 구분은 상술한 바와 같이 상대적인 개념에 기초한다.For example, the block copolymer includes propylene oxide (or propylene glycol) as an example of the hydrophobic block and ethylene oxide (or ethylene glycol) as an example of the hydrophilic block. This distinction is based on a relative concept as described above.

상기 블록 공중합체는 소수성 블록인 프로필렌옥사이드(또는 프로필렌글리콜)가 상기 탄소계 재료의 표면에 반데르발스 결합으로 흡착되고, 친수성 블록인 에틸렌옥사이드(또는 에틸렌글리콜)가 상기 탄소계 재료의 표면 밖으로 향하여 배치된다. 이후 예를 들어, 하기 반응식 2에서 보이는 바와 같이, UV 개시제와 같은 라디칼제(radical agent)를 이용한 UV 가교(또는 열 가교)에 의해 친수성 블록인 에틸렌옥사이드(또는 에틸렌글리콜)의 CH2가 :CH 라디칼을 형성하게 되어 이웃하는 :CH 라디칼과 가교된 폴리에틸렌옥사이드(또는 폴리에틸렌글리콜) 및 대부분 비가교된 폴리프로필렌옥사이드(또는 폴리프로필렌글리콜)을 포함하는 고분자 전해질이 형성될 수 있다. In the block copolymer, propylene oxide (or propylene glycol), a hydrophobic block, is adsorbed to the surface of the carbon-based material by van der Waals bonds, and ethylene oxide (or ethylene glycol), a hydrophilic block, is directed out of the surface of the carbon-based material, are placed Then, for example, as shown in Scheme 2 below, CH 2 of ethylene oxide (or ethylene glycol), which is a hydrophilic block, is :CH by UV crosslinking (or thermal crosslinking) using a radical agent such as a UV initiator. Radicals are formed, so that a polymer electrolyte including polyethylene oxide (or polyethylene glycol) crosslinked with neighboring :CH radicals and mostly non-crosslinked polypropylene oxide (or polypropylene glycol) may be formed.

<반응식 2><Scheme 2>

Figure 112017053058317-pat00001
Figure 112017053058317-pat00001

상기 블록 공중합체는 서로 상이한 2 이상의 중합 단량체 블록을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 블록 공중합체는 서로 상이한 2 또는 3의 중합 단량체 블록을 가질 수 있다.The block copolymer may have two or more polymerized monomer blocks different from each other. For example, the block copolymer may have 2 or 3 polymerized monomer blocks different from each other.

상기 블록 공중합체의 친수성 블록의 수평균분자량(Mn)은 500 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons)일 수 있다. 예를 들어, 상기 블록 공중합체의 친수성 블록의 수평균분자량(Mn)은 500 달톤(Daltons) 내지 18,000 달톤(Daltons)일 수 있고, 예를 들어 500 달톤(Daltons) 내지 16,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 14,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 12,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 10,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 9,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 8,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 7,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 6,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 500 달톤(Daltons) 내지 5,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 600 달톤(Daltons) 내지 5,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 700 달톤(Daltons) 내지 5,000 달톤(Daltons), 예를 들어, 800 달톤(Daltons) 내지 5,000 달톤(Daltons)일 수 있다. 상기 블록 공중합체의 친수성 블록의 수평균분자량(Mn)이 상기 범위 내인 경우 친수성 블록끼리 뭉치지 않고 분산되어 이를 포함하는 금속공기전지의 리튬 이온 전도도가 향상될 수 있다.The number average molecular weight (Mn) of the hydrophilic block of the block copolymer may be 500 Daltons to 20,000 Daltons. For example, the number average molecular weight (Mn) of the hydrophilic block of the block copolymer may be 500 Daltons to 18,000 Daltons, for example 500 Daltons to 16,000 Daltons, eg 500 Daltons to 14,000 Daltons, eg 500 Daltons to 12,000 Daltons, eg 500 Daltons to 10,000 Daltons, eg , 500 Daltons to 9,000 Daltons, such as 500 Daltons to 8,000 Daltons, such as 500 Daltons to 7,000 Daltons, such as 500 Daltons to 6,000 Daltons, such as 500 Daltons to 5,000 Daltons, such as 600 Daltons to 5,000 Daltons, such as 700 Daltons ( Daltons) to 5,000 Daltons (Daltons), for example, 800 Daltons (Daltons) to 5,000 Daltons (Daltons). When the number average molecular weight (Mn) of the hydrophilic block of the block copolymer is within the above range, the hydrophilic blocks are dispersed without aggregation, so that the lithium ion conductivity of the metal-air battery including the block copolymer may be improved.

상기 친수성 블록은 측쇄에 리튬 이온 전도성기를 갖는 고분자 블록일 수 있다. 상기 리튬 이온 전도성기는 친수성을 나타낸다. 상기 측쇄에 리튬 이온 전도성기의 예로는 -SO3 -, -COO-, -(CF3SO2)2N- (이하 'TFSI-' 이라 함), -(FSO2)2N- (이하, 'FSI-' 이라 함), -SO2N-SO2CF3, -SO2N-SO2CF2CF3, -SO2C6H4COO-, -C6H3(SO2NH2)COO-, -CH(COO-)CH2COO-, -C6H3(OH)COO-, -C6H2(NO2)2COO-, 또는 -CH2C(CH3)2COO- 등을 들 수 있다.The hydrophilic block may be a polymer block having a lithium ion conductive group on a side chain. The lithium ion conductive group exhibits hydrophilicity. Examples of the lithium ion conductive group in the side chain include -SO 3 - , -COO - , -(CF 3 SO 2 ) 2 N - (hereinafter referred to as 'TFSI -' ), -(FSO 2 ) 2 N - (hereinafter, referred to as 'FSI -' ), -SO 2 N - SO 2 CF 3 , -SO 2 N - SO 2 CF 2 CF 3 , -SO 2 C 6 H 4 COO-, -C 6 H 3 (SO 2 NH 2 )COO - , -CH(COO - )CH 2 COO - , -C 6 H 3 (OH)COO - , -C 6 H 2 (NO 2 ) 2 COO - , or -CH 2 C(CH 3 ) 2 COO - Can be heard on the back.

상기 측쇄에 리튬 이온 전도성기를 갖는 고분자 블록은 예를 들어, TFSI- 음이온 또는 FSI- 음이온으로 기능화된 폴리아크릴레이트 블록, 또는 TFSI- 음이온 또는 FSI- 음이온으로 기능화된 폴리메타크릴레이트 블록일 수 있다. 이러한 리튬 이온 전도성 기를 측쇄로 가지는 경우, 리튬 이온의 이동도 확보가 용이하여 이온 전도도를 개선시킬 수 있다.The polymer block having a lithium ion conductive group in the side chain may be, for example, a polyacrylate block functionalized with TFSI - anion or FSI - anion, or a polymethacrylate block functionalized with TFSI - anion or FSI - anion. In the case of having such a lithium ion conductive group as a side chain, mobility of lithium ions can be easily secured and ion conductivity can be improved.

상기 블록 공중합체는 비가교 또는 가교된 블록 공중합체일 수 있다. The block copolymer may be a non-crosslinked or crosslinked block copolymer.

예를 들어, 상기 블록 공중합체는 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜 다이블록 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리(4-비닐피리딘) 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-TFSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-FSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체, 폴리에틸렌글리콜- b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 및 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.For example, the block copolymer is polyethylene glycol- b -polypropylene glycol diblock copolymer, polyethylene oxide- b -polypropylene oxide diblock copolymer, polystyrene- b -polyethylene glycol diblock copolymer, polystyrene- b- Polyethylene oxide diblock copolymer, polystyrene- b -poly(4-vinylpyridine) diblock copolymer, polystyrene- b -poly(meth)acrylate diblock copolymer, polystyrene- b -TFSI - anionic functionalized poly( meth)acrylate diblock copolymer, polystyrene- b -FSI - anionic functionalized poly(meth)acrylate diblock copolymer, polyethylene glycol- b -polypropylene glycol- b -polyethylene glycol triblock copolymer, polyethylene oxide - selected from b -polypropylene oxide- b -polyethylene oxide triblock copolymer, polyethylene glycol- b -polystyrene- b -polyethylene glycol triblock copolymer, and polyethylene oxide- b -polystyrene- b -polyethylene oxide triblock copolymer One or more may be included.

예를 들어, 상기 블록 공중합체는 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜 다이블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-TFSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-FSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 및 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.For example, the block copolymer is crosslinked polyethylene glycol- b -polypropylene glycol diblock copolymer, crosslinked polyethylene oxide- b -polypropylene oxide diblock copolymer, crosslinked polystyrene- b -polyethylene glycol diblock copolymer Copolymer, Crosslinked Polystyrene- b -Polyethyleneoxide Diblock Copolymer, Crosslinked Polystyrene- b -TFSI - Anionically Functionalized Poly(meth)acrylate Diblock Copolymer, Crosslinked Polystyrene- b -FSI - Anionically Functionalized Poly(meth)acrylate diblock copolymer, crosslinked polyethylene glycol- b -polypropylene glycol- b -polyethylene glycol triblock copolymer, crosslinked polyethylene oxide- b -polypropylene oxide- b -polyethylene oxide triblock copolymer , crosslinked polyethylene glycol- b -polystyrene- b -polyethylene glycol triblock copolymer, and crosslinked polyethylene oxide- b -polystyrene- b -polyethylene oxide triblock copolymer.

예를 들어, 상기 블록 공중합체는 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜 다이블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 다이블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 및 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.For example, the block copolymer is crosslinked polyethylene glycol- b -polypropylene glycol diblock copolymer, crosslinked polyethylene oxide- b -polypropylene oxide diblock copolymer, crosslinked polystyrene- b -polyethylene glycol diblock copolymer Copolymer , cross-linked polystyrene- b -polyethylene oxide diblock copolymer, cross-linked polyethylene glycol- b -polypropylene glycol- b -polyethylene glycol triblock copolymer, cross-linked polyethylene oxide- b -polypropylene oxide- b -polyethylene oxide triblock copolymer, crosslinked polyethylene glycol- b -polystyrene- b -polyethylene glycol triblock copolymer, and crosslinked polyethylene oxide- b -polystyrene- b -polyethylene oxide triblock copolymer. there is.

상기 블록 공중합체의 수평균분자량(Mn)은 3,000 달톤(Daltons) 내지 60,000 달톤(Daltons)일 수 있다. 예를 들어, 상기 블록 공중합체의 수평균분자량(Mn)은 3,000 달톤(Daltons) 내지 55,000 달톤(Daltons)일 수 있고, 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 50,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 45,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 40,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 35,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 30,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 25,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,000 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons), 예를 들어 3,500 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons), 예를 들어 4,000 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons), 예를 들어 4,500 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons), 예를 들어 5,000 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons)일 수 있다. 상기 블록 공중합체의 수평균분자량(Mn)이 상기 범위 내인 경우 결정성을 높이지 않으면서 탄성을 유지하여 리튬 이온 전도도가 향상될 수 있다.The block copolymer may have a number average molecular weight (Mn) of 3,000 Daltons to 60,000 Daltons. For example, the number average molecular weight (Mn) of the block copolymer may be 3,000 Daltons to 55,000 Daltons, for example 3,000 Daltons to 50,000 Daltons, for example 3,000 Daltons to 45,000 Daltons, such as 3,000 Daltons to 40,000 Daltons, such as 3,000 Daltons to 35,000 Daltons, such as 3,000 Daltons to 30,000 Daltons, eg 3,000 Daltons to 25,000 Daltons, eg 3,000 Daltons to 20,000 Daltons, eg 3,000 Daltons to 20,000 Daltons , such as 3,500 Daltons to 20,000 Daltons, such as 4,000 Daltons to 20,000 Daltons, such as 4,500 Daltons to 20,000 Daltons, such as 5,000 Daltons to 20,000 Daltons. When the number average molecular weight (Mn) of the block copolymer is within the above range, the lithium ion conductivity may be improved by maintaining elasticity without increasing crystallinity.

상기 고분자 전해질의 함량은 상기 탄소계 재료 100 중량부를 기준으로 하여 10 중량부 내지 300 중량부일 수 있다. 상기 고분자 전해질의 함량으로 금속공기전지는 충분한 리튬 이온 전도도를 확보할 수 있으며, 단위중량당 에너지 밀도가 개선될 수 있다. The amount of the polymer electrolyte may be 10 parts by weight to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon-based material. With the content of the polymer electrolyte, the metal-air battery can secure sufficient lithium ion conductivity and improve energy density per unit weight.

상기 고분자 전해질층의 두께는 1 나노미터(nm) 내지 30 나노미터(nm)일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 전해질층의 두께는 1 나노미터(nm) 내지 28 나노미터(nm)일 수 있고, 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 26 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 24 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 22 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 20 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 18 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 16 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 14 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 12 나노미터(nm), 예를 들어 1 나노미터(nm) 내지 10 나노미터(nm)일 수 있다. 상기 고분자 전해질층의 두께는 상기 범위 내에서 리튬 이온 전도도를 확보하면서 단위중량당 에너지 밀도가 개선될 수 있다. The polymer electrolyte layer may have a thickness of 1 nanometer (nm) to 30 nanometers (nm). For example, the polymer electrolyte layer may have a thickness of 1 nanometer (nm) to 28 nanometers (nm), for example, 1 nanometer (nm) to 26 nanometers (nm), for example, 1 nanometer (nm). meter (nm) to 24 nanometers (nm), such as 1 nanometer (nm) to 22 nanometers (nm), such as 1 nanometer (nm) to 20 nanometers (nm), such as 1 nanometers (nm) to 18 nanometers (nm), such as 1 nanometer (nm) to 16 nanometers (nm), such as 1 nanometer (nm) to 14 nanometers (nm), for example 1 nanometer (nm) to 12 nanometers (nm), for example, 1 nanometer (nm) to 10 nanometers (nm). The thickness of the polymer electrolyte layer may improve energy density per unit weight while securing lithium ion conductivity within the above range.

상기 고분자 전해질층은 리튬에 대하여 1.4V 내지 4.5V 충방전전압의 범위에서 전기화학적으로 안정할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 전해질층은 리튬에 대하여 1.5V 내지 4.5V 충방전전압의 범위에서 전기화학적으로 안정할 수 있다. The polymer electrolyte layer may be electrochemically stable in the range of 1.4V to 4.5V charge and discharge voltage with respect to lithium. For example, the polymer electrolyte layer may be electrochemically stable in the range of a charging/discharging voltage of 1.5V to 4.5V with respect to lithium.

상기 탄소계 재료는 다공성 탄소 구조체일 수 있다. 상기 탄소계 재료의 일부 또는 전부가 다공성 탄소 구조체일 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소 구조체는 메조다공성일 수 있다. 상기 탄소계 재료는 충분한 비표면적을 확보하여 그 표면에서 용이하게 전자 전달을 할 수 있다.The carbon-based material may be a porous carbon structure. A part or all of the carbon-based material may be a porous carbon structure. For example, the porous carbon structure may be mesoporous. The carbon-based material secures a sufficient specific surface area so that electrons can be easily transferred through its surface.

예를 들어, 상기 탄소계 재료는 탄소나노튜브, 탄소나노입자, 탄소나노섬유, 탄소나노시트, 탄소나노막대, 탄소나노벨트, 그래핀, 그래핀옥사이드, 탄소에어로젤, 역오팔탄소(inverse opal carbon), 이들 혼합물, 및 이들 복합체로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 재료는 탄소나노튜브, 탄소나노입자, 및 이들 복합체일 수 있다. 이들 복합체는 예를 들어, 탄소나노튜브 표면에 탄소나노입자를 포함하는 입자가 배치된 복합체일 수 있다. For example, the carbon-based material includes carbon nanotubes, carbon nanoparticles, carbon nanofibers, carbon nanosheets, carbon nanorods, carbon nanobelts, graphene, graphene oxide, carbon aerogels, and inverse opal carbon. ), these mixtures, and these complexes. For example, the carbon-based material may include carbon nanotubes, carbon nanoparticles, and composites thereof. These composites may be, for example, composites in which particles containing carbon nanoparticles are disposed on the surface of carbon nanotubes.

예를 들어, 상기 탄소계 재료는 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube), 또는 이들 조합일 수 있다. For example, the carbon-based material may be a carbon nanotube. The carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), double-walled carbon nanotubes (DWCNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), rope carbon nanotubes, or combinations thereof.

상기 탄소계 재료는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 또는 이들 조합일 수 있다. The carbon-based material may be a single-walled carbon nanotube (SWCNT), a double-walled carbon nanotube (DWCNT), a multi-walled carbon nanotube (MWCNT), or a combination thereof.

상기 탄소나노튜브의 평균종횡비(average aspect ratio, 평균길이/평균직경)는 1 내지 20,000일 수 있다. 상기 평균종횡비는 당업자에게 널리 공지된 방법으로 측정될 수 있으며, 예를 들어, TEM(Transmission electron microscopy), HR-TEM(high-resolution transmission electron microscope), SEM, 또는 FE-SEM(Field-emission scanning microscope) 사진으로부터 측정하거나 또는/및 동적광산란법(dynamic Light-scattering)을 이용한 측정장치를 이용하여 측정할 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 평균종횡비가 상기 범위 내라면 전하가 그 표면으로부터 내부에 신속하게 전달되도록 허용한다. The average aspect ratio (average length/average diameter) of the carbon nanotubes may be 1 to 20,000. The average aspect ratio may be measured by a method well known to those skilled in the art, for example, transmission electron microscopy (TEM), high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), SEM, or field-emission scanning (FE-SEM). It can be measured from a microscope photograph or/and measured using a measuring device using dynamic light-scattering. If the average aspect ratio of the carbon nanotube is within the above range, charge is allowed to be rapidly transferred from the surface to the inside.

상기 탄소계 재료의 함량은 예를 들어, 양극 전체 100 중량부를 기준으로 하여 50 중량부 내지 80 중량부일 수 있다.The content of the carbon-based material may be, for example, 50 parts by weight to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the total positive electrode.

상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiF, LiBr, LiCl, LiOH, LiI 및 LiB(C2O4)2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬염으로 사용될 수 있다면 가능하다.The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ), where x and y are natural numbers, LiF, LiBr, LiCl, LiOH, LiI and LiB (C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) may be one or more selected from the group consisting of. However, it is not limited thereto, and it is possible if it can be used as a lithium salt in the art.

상기 리튬염의 함량은 양극 전체 100 중량부를 기준으로 하여 3 중량부 내지 60 중량부일 수 있다. 상기 리튬염 함량의 범위 내에서 충분한 리튬 이온 전도도를 확보할 수 있다. The amount of the lithium salt may be 3 parts by weight to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the total positive electrode. Sufficient lithium ion conductivity may be secured within the range of the lithium salt content.

상기 고분자 전해질층의 고분자 전해질 단량체와 리튬이온간의 몰비는 40:1 내지 3:1일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 전해질층의 고분자 전해질 단량체와 리튬이온간의 몰비는 20:1 내지 10:1일 수 있다. 그러나 상기 고분자 전해질 단량체와 리튬이온간의 몰비는 상기 범위 내로 한정되지 않으며 금속공기전지의 충방전 과정에서 효과적으로 리튬 이온 및/또는 전자를 전달할 수 있는 범위라면 모두 가능하다.The molar ratio between the polymer electrolyte monomer and lithium ions in the polymer electrolyte layer may be 40:1 to 3:1. For example, the molar ratio between the polymer electrolyte monomer and lithium ions in the polymer electrolyte layer may be 20:1 to 10:1. However, the molar ratio between the polymer electrolyte monomer and lithium ions is not limited within the above range, and any range is possible as long as it can effectively transfer lithium ions and/or electrons during the charging and discharging process of the metal-air battery.

상기 양극은 공기극일 수 있다.The anode may be an air cathode.

다른 일 구현예에 따른 금속공기전지는 리튬공기전지일 수 있다. 상기 리튬공기전지는, 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 음극; 전술한 양극; 및 상기 음극과 양극 사이에 배치된 세퍼레이터;를 포함할 수 있다.A metal-air battery according to another embodiment may be a lithium-air battery. The lithium-air battery includes a negative electrode including lithium or a lithium alloy; the aforementioned anode; and a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode.

도 3은 일 구현예에 따른 리튬공기전지(10)의 구조를 나타내는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing the structure of a lithium-air battery 10 according to an embodiment.

도 3에서 보이는 바와 같이, 리튬공기전지(10)는 제1 집전체(14)에 인접하는 산소를 활물질로 하는 양극(공기극)(15), 제2 집전체(12)에 인접하는 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 음극(13)과의 사이에 세퍼레이터(16)가 개재되어 있다. 양극(공기극)(15)의 세퍼레이터(16)와 대향하는 일표면에는 리튬이온전도성 고체전해질막(미도시)이 추가적으로 배치될 수 있다. As shown in FIG. 3, the lithium-air battery 10 has a positive electrode (air electrode) 15 using oxygen as an active material adjacent to the first current collector 14, and lithium or lithium adjacent to the second current collector 12. A separator 16 is interposed between the negative electrode 13 and the alloy. A lithium ion conductive solid electrolyte film (not shown) may be additionally disposed on one surface of the positive electrode (air electrode) 15 facing the separator 16 .

제1집전체(14)는 다공성으로서 공기의 확산이 가능한 가스확산층(Gas diffusion layer)의 역할도 수행할 수 있다. 제1집전체(14) 상에 공기가 양극(공기극)에 전달될 수 있는 누름부재(19)가 배치된다. 양극(공기극)(15)과 음극(13) 사이에 절연수지 재질의 케이스(11)가 개재되어 공기극과 음극을 전기적으로 분리한다. 공기는 공기주입구(17a)로 공급되어 공기배출구(17b)로 배출된다. 리튬공기전지(10)는 스테인레스스틸 반응기 내에 수납될 수 있다.The first current collector 14 is porous and may also serve as a gas diffusion layer capable of diffusing air. A pressing member 19 through which air can be delivered to the anode (air electrode) is disposed on the first current collector 14 . An insulating resin case 11 is interposed between the anode (air electrode) 15 and the cathode 13 to electrically separate the air electrode and the cathode. Air is supplied through the air inlet 17a and discharged through the air outlet 17b. The lithium-air battery 10 may be housed in a stainless steel reactor.

양극(공기극)(15)은 리튬염, 및 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질로 이루어진 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 탄소계 재료를 포함하며, 상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정될(anchored) 수 있다.The positive electrode (air electrode) 15 includes a carbon-based material including a polymer electrolyte layer composed of a lithium salt and a polymer electrolyte composed of at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on the surface, and is formed on the surface of the carbon-based material. A portion of the polyelectrolyte may be anchored by a non-covalent bond or a covalent bond.

상기 리튬염, 고분자 전해질, 고분자 전해질층, 탄소계 재료, 및 비공유결합 또는 공유결합으로 고정된 형태 등 구체적인 내용에 대해서는 전술한 바와 동일하므로 이하 설명을 생략한다.Details of the lithium salt, the polymer electrolyte, the polymer electrolyte layer, the carbon-based material, and the form fixed by non-covalent or covalent bonds are the same as those described above, so the description below is omitted.

양극(공기극)(15)은 산소 산화/환원 촉매를 더 포함할 수 있다. 상기 산소 산화/환원 촉매는 예를 들어, 백금, 금, 은, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴과 같은 귀금속계 촉매, 망간산화물, 철산화물, 코발트산화물, 니켈산화물등과 같은 산화물계 촉매, 또는 코발트 프탈로시아닌과 같은 유기 금속계 촉매를 사용할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 산소의 산화/환원 촉매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The anode (air cathode) 15 may further include an oxygen oxidation/reduction catalyst. The oxygen oxidation/reduction catalyst is, for example, a noble metal-based catalyst such as platinum, gold, silver, palladium, ruthenium, rhodium, and osmium, an oxide-based catalyst such as manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, or cobalt Organometallic catalysts such as phthalocyanine may be used, but are not necessarily limited thereto, and any catalyst that can be used as an oxidation/reduction catalyst of oxygen in the art is possible.

양극(공기극)(15)은 바인더를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비닐리덴-펜타플루오로 프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로 에틸렌 공중합체, 또는 에틸렌-아크릴산 공중합체를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The positive electrode (air electrode) 15 may additionally include a binder. The binder may include a thermoplastic resin or a thermosetting resin. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexa Fluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoro propylene copolymer, propylene-tetrafluoro Ethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, or ethylene -Acrylic acid copolymers may be used alone or in combination, but are not necessarily limited thereto, and any that can be used as a binder in the art is possible.

제2 집전체(12)로서는 도전성을 갖는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 스테인레스, 니켈, 구리, 알루미늄, 철, 티탄, 또는 카본 등을 들 수 있다. 제2 집전체(12)의 형상으로는 예를 들어 박상, 판상, 메시 또는 그리드(grid) 등을 들 수 있으며, 예를 들어 구리박일 수 있다. 제2 집전체(12)는 테프론(11b) 케이스 상에 고정될 수 있다.The second current collector 12 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, stainless, nickel, copper, aluminum, iron, titanium, or carbon etc. are mentioned. The shape of the second current collector 12 includes, for example, a foil shape, a plate shape, a mesh or a grid, and the like, and may be, for example, copper foil. The second current collector 12 may be fixed on a case of Teflon 11b.

음극(13)은 리튬 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. 경우에 따라, 음극(13)은 리튬삽입 화합물(lithium intercalation compound)을 포함할 수 있다. 그러나 반드시 이들에 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 음극(13)으로 사용될 수 있는 것으로서 리튬을 포함하거나 리튬을 흡장 방출할 수 있는 재료라면 모두 사용가능하다. 상기 리튬 합금으로는 예를 들어, 알루미늄, 주석, 마그네슘, 인듐, 칼슘, 티타늄, 또는 바나듐 등과 리튬의 합금을 들 수 있다. 음극(13)은 리튬공기전지의 용량을 결정하므로 예를 들어, 리튬 박막일 수 있다.The negative electrode 13 may include lithium or a lithium alloy. In some cases, the anode 13 may include a lithium intercalation compound. However, it is not necessarily limited to these, and any material that can be used as the negative electrode 13 in the art, including lithium or capable of intercalating and releasing lithium, can be used. Examples of the lithium alloy include an alloy of aluminum, tin, magnesium, indium, calcium, titanium, or vanadium with lithium. Since the negative electrode 13 determines the capacity of the lithium-air battery, it may be, for example, a lithium thin film.

경우에 따라, 음극(13)은 바인더를 또한 포함할 수 있다. 바인더로서는, 예를 들어, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 또는 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE) 등을 들 수 있다. 상기 바인더의 함량은 특별히 한정된 것은 아니며, 예를 들어 음극 전체 100 중량부에 대하여 30 중량부 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로는 음극 전체 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부일 수 있다.In some cases, the negative electrode 13 may also include a binder. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). The content of the binder is not particularly limited, and may be, for example, 30 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the total negative electrode, and more specifically, 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total negative electrode.

세퍼레이터(16)는 리튬공기전지(10)의 사용 범위에 견딜 수 있는 조성이라면 한정되지 않으며, 예를 들어 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름을 예시할 수 있으며, 이들을 2종 이상 병용하는 것도 가능하다. The separator 16 is not limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the lithium-air battery 10, and for example, a polymer non-woven fabric such as polypropylene non-woven fabric or polyphenylene sulfide non-woven fabric, polyethylene or polypropylene, etc. Porous films of olefinic resins can be exemplified, and it is also possible to use 2 or more types of these together.

양극(공기극)(15) 또는 음극(13) 표면에 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 추가적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 전해질 내에 포함된 물 및 산소 등의 불순물이 음극(13)에 포함된 리튬과 직접적으로 반응하지 못하도록 보호하는 보호막 역할을 수행할 수 있다. 이와 같은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막으로서는 리튬 이온 전도성 글래스, 리튬 이온 전도성 결정(세라믹 또는 글래스-세라믹) 또는 이들의 혼합물을 함유하는 무기 물질을 예시할 수 있으나 반드시 이들로 한정되는 것은 아니면 리튬 이온 전도성을 가지며 양극(공기극)(15) 또는 음극(13)을 보호할 수 있는 고체 전해질막으로서 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 한편, 화학적 안정성을 고려할 때, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 산화물을 예로 들 수 있다.A lithium ion conductive solid electrolyte film may be additionally disposed on the surface of the positive electrode (air electrode) 15 or the negative electrode 13 . For example, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may serve as a protective layer to prevent direct reaction of impurities such as water and oxygen contained in the electrolyte with lithium contained in the negative electrode 13 . Examples of such a lithium ion conductive solid electrolyte membrane include lithium ion conductive glass, lithium ion conductive crystal (ceramic or glass-ceramic), or an inorganic material containing a mixture thereof, but are not necessarily limited thereto. Any solid electrolyte film capable of protecting the positive electrode (air electrode) 15 or the negative electrode 13 can be used as long as it can be used in the art. Meanwhile, when considering chemical stability, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may be an oxide.

예를 들어, 상기 리튬 이온 전도성 결정으로서는 Li1 +x+ y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2 -xSiyP3-yO12 (단, 0≤x≤1, 0≤y≤1이며, 예를 들어 0≤x≤0.4, 0<y≤0.6이고, 또는 0.1≤x≤0.3, 0.1<y≤0.4임)를 들 수 있다. 상기 리튬 이온 전도성 글래스-세라믹을 예시하면, 리튬-알루미늄-게르마늄-인산염(LAGP), 리튬-알루미늄-티타늄-인산염(LATP), 리튬-알루미늄-티타늄-실리콘-인산염(LATSP) 등을 예로 들 수 있다. 또한 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 필요에 따라 무기 고체 전해질 성분을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 무기 고체 전해질로는 예를 들어, Cu3N, Li3N, LiPON 등을 포함할 수 있다. 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 단층 또는 다층막으로 사용될 수 있다.For example, as the lithium ion conductive crystal, Li 1 +x+ y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2 -x Si y P 3-y O 12 (provided that 0≤x≤1, 0≤y≤ 1, for example, 0≤x≤0.4, 0<y≤0.6, or 0.1≤x≤0.3, 0.1<y≤0.4). Examples of the lithium ion conductive glass-ceramic include lithium-aluminum-germanium-phosphate (LAGP), lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP), and lithium-aluminum-titanium-silicon-phosphate (LATSP). there is. In addition, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may further include an inorganic solid electrolyte component as needed. Such an inorganic solid electrolyte may include, for example, Cu 3 N, Li 3 N, LiPON, and the like. The lithium ion conductive solid electrolyte membrane may be used as a single layer or multilayer membrane.

리튬공기전지(10)는 예를 들어, 다음과 같이 제조될 수 있다.The lithium air battery 10 may be manufactured as follows, for example.

먼저, 전술한 양극(공기극)(15); 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 음극(13); 및 세퍼레이터(16)가 준비된다.First, the anode (air cathode) 15 described above; a negative electrode 13 containing lithium or a lithium alloy; and separator 16 are prepared.

다음으로, 케이스 내의 일측면에 음극(13)을 설치하고 음극(13) 상에 세퍼레이터(16)를 설치하고 음극(13)에 대향하는 측에 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 설치된 양극(공기극)(15)을 음극(13)에 대향하도록 설치한다. 이어서, 양극(공기극)(15) 상에 다공성 집전체를 배치하고, 그 위에 공기가 양극(공기극)(15)에 전달될 수 있는 누름부재(19)로 눌러 셀을 고정시켜 리튬공기전지(10)가 완성된다.Next, a negative electrode 13 is installed on one side of the case, a separator 16 is installed on the negative electrode 13, and a positive electrode (air electrode) having a lithium ion conductive solid electrolyte membrane installed on the side opposite to the negative electrode 13 (air electrode) 15 ) is installed to face the cathode (13). Subsequently, a porous current collector is placed on the positive electrode (air electrode) 15, and the cell is fixed by pressing with a pressing member 19 through which air can be delivered to the positive electrode (air electrode) 15, and the lithium air battery 10 ) is completed.

경우에 따라, 상기 전지 제조시에 음극상에 설치된 세퍼레이터에 리튬염이 포함된 액체 전해액을 소량 주입할 수 있다. 예를 들어, 1.0 M의 LiTFSI 프로필렌 카보네이트 전해액을 세퍼레이터에 함침하여 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 당해 기술분야에서 사용가능한 비양성자성 용매와 리튬염 또는 이온성 액체와 리튬염을 소량 포함할 수 있다. In some cases, a small amount of liquid electrolyte containing a lithium salt may be injected into a separator installed on an anode during manufacture of the battery. For example, a 1.0 M LiTFSI propylene carbonate electrolyte may be used by impregnating the separator. However, it is not limited thereto and may include a small amount of an aprotic solvent and a lithium salt or an ionic liquid and a lithium salt usable in the art.

예를 들어, 상기 비양성자성 용매는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있다. For example, the aprotic solvent is propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, di Propyl carbonate, dibutyl carbonate, fluoroethylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N,N- Dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylsulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether or mixtures thereof, and the like.

예를 들어, 상기 이온성 액체는 디에틸디메틸(2-메톡시에틸)암모늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(DEME-TFSi, (diethylmethyl(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethane sulfonyl) imide))일 수 있다. For example, the ionic liquid is diethyldimethyl (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethane sulfonyl) imide (DEME-TFSi, (diethylmethyl (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethane sulfonyl) imide )) can be.

예를 들어, 상기 이온성 액체는 고분자 이온성 액체일 수 있다. 상기 고분자 이온성 액체의 구체적인 예로는 i) 암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, ii) BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 -, CF3CO2 -, (CF3SO2)2N-, Cl-, Br-, I-, BF4 -, SO4 -, PF6 -, ClO4 -, CF3SO3 -, CF3CO2 -, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, NO3 -, Al2Cl7 -, AsF6 -, SbF6 - , CF3COO-, CH3COO-, CF3SO3 -, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N- , (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, SF5CF2SO3 -, SF5CHFCF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO- 및 (CF3SO2)2N- 중에서 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 반복단위를 함유할 수 있다.For example, the ionic liquid may be a polymeric ionic liquid. Specific examples of the polymeric ionic liquid include i) ammonium-based, pyrrolidinium-based, pyridinium-based, pyrimidinium-based, imidazolium-based, piperidinium-based, pyrazolium-based, oxazolium-based, pyridazinium-based, and phosphonium-based , sulfonium-based, triazole-based, and at least one cation selected from mixtures thereof, and ii) BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SbF 6 - , AlCl 4 - , HSO 4 - , ClO 4 - , CH 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , Cl - , Br - , I - , BF 4 - , SO 4 - , PF 6 - , ClO 4 - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 )(CF 3 SO 2 )N - , NO 3 - , Al 2 Cl 7 - , AsF 6 - , SbF 6 - , CF 3 COO - , CH 3 COO - , CF 3 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , ( CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , SF 5 CF 2 SO 3 - , SF 5 CHFCF 2 SO 3 - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (O(CF 3 ) 2 C 2 (CF 3 ) 2 O) 2 PO - and ( CF 3 SO 2 ) 2 N - may contain a repeating unit containing one or more anions selected from.

상기 케이스는 음극이 접촉하는 상부와 공기극이 접촉하는 하부로 분리될 수 있으며, 상기 상부와 하부 사이에 절연수지가 개재되어 공기극과 음극을 전기적으로 절연시킨다.The case may be divided into an upper portion contacting the cathode and a lower portion contacting the air electrode, and an insulating resin is interposed between the upper portion and the lower portion to electrically insulate the cathode and the cathode.

음극(13)과 양극(공기극)(15) 사이에 이온전도성 고분자 전해질를 추가로 포함하지 않을 수 있다. 이로 인해, 리튬공기전지 전체 중량이 감소하여 단위 중량당 에너지 밀도가 개선될 수 있다.An ion conductive polymer electrolyte may not be further included between the negative electrode 13 and the positive electrode (air electrode) 15 . As a result, the total weight of the lithium-air battery may be reduced, and energy density per unit weight may be improved.

상기 리튬 공기 전지는 리튬 일차 전지, 리튬 이차 전지에 모두 사용가능하다. 또한 그 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형, 또는 뿔형 등을 예시할 수 있다. 또한 전기 자동차 등에 이용하는 대형 전지에도 적용할 수 있다.The lithium air battery can be used for both a lithium primary battery and a lithium secondary battery. In addition, the shape is not particularly limited, and examples thereof include a coin shape, a button shape, a sheet shape, a laminated shape, a cylindrical shape, a flat shape, and a horn shape. It can also be applied to large batteries used in electric vehicles and the like.

본 명세서에서 사용되는 용어인 "공기(air)"는 대기 공기로 제한되는 것은 아니며, 산소를 포함하는 기체의 조합, 또는 순수 산소 기체를 포함할 수 있다. 이러한 용어 "공기"에 대한 넓은 정의가 모든 용도, 예를 들어 공기 전지, 공기 양극 등에 적용될 수 있다.The term "air" used herein is not limited to atmospheric air, and may include a combination of gases containing oxygen or pure oxygen gas. This broad definition of the term “air” can be applied to all applications, such as air cells, air anodes, and the like.

다른 일 구현예에 따른 금속공기전지용 양극의 제조방법은, 탄소계 재료, 고분자 전해질, 및 리튬염을 용매에 첨가하고 분산 및 건조하여 상기 탄소계 재료의 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질로 이루어진 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 전술한 양극을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a positive electrode for a metal-air battery according to another embodiment includes adding a carbon-based material, a polymer electrolyte, and a lithium salt to a solvent, dispersing and drying the carbon-based material, and at least one hydrophilic material and a hydrophobic coating on the surface of the carbon-based material. Manufacturing the above-described positive electrode including a polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte made of a material; may include.

상기 탄소계 재료, 고분자 전해질, 및 리튬염의 구체적인 내용에 대해서는 전술한 바와 동일하므로 이하 설명을 생략한다. Details of the carbon-based material, the polymer electrolyte, and the lithium salt are the same as those described above, and thus the description thereof is omitted.

용매는 예를 들어 물, 알코올, 아세톤, 테트라하이드로푸란, 시클로헥산, 사염화탄소, 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드 및 N-메틸피롤리돈으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. The solvent is, for example, 1 selected from the group consisting of water, alcohol, acetone, tetrahydrofuran, cyclohexane, carbon tetrachloride, chloroform, methylene chloride, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and N-methylpyrrolidone. There may be more than one species.

도 2는 일 구현예에 따른 금속공기전지용 양극의 제조방법을 나타낸 모식도이다.2 is a schematic diagram showing a manufacturing method of a cathode for a metal-air battery according to an embodiment.

탄소계 재료 및 고분자 전해질을 적절한 중량비로 용매에 첨가하여 혼합액을 얻은 후 리튬염을 고분자 전해질 단량체와 리튬이온의 적절한 몰비 내에서 첨가하여 분산시킨다. 이후 상기 분산액을 건조하기 전에 여과공정을 진행할 수 있다. 상기 여과 공정은 1 마이크로미터(㎛) 이하의 기공을 갖는 필터 여과 공정일 수 있다. 상기 여과 공정은 예를 들어 PVdF막 등을 이용할 수 있다. 이러한 공정을 통해, 리튬염 및 표면에 고분자 전해질 코팅층을 포함하는 탄소계 재료를 수득할 수 있다.After adding the carbon-based material and the polymer electrolyte to a solvent in an appropriate weight ratio to obtain a mixed solution, a lithium salt is added and dispersed in an appropriate molar ratio of the polymer electrolyte monomer and lithium ions. Thereafter, a filtration process may be performed before drying the dispersion. The filtration process may be a filter filtration process having pores of 1 micrometer (㎛) or less. For the filtration step, for example, a PVdF membrane or the like can be used. Through this process, it is possible to obtain a carbon-based material including a lithium salt and a polymer electrolyte coating layer on the surface.

상기 탄소계 재료, 고분자 전해질, 및 리튬염을 용매에 첨가하여 분산 및 건조한 후 가교 공정을 더 포함할 수 있다.A crosslinking process may be further included after adding the carbon-based material, the polymer electrolyte, and the lithium salt to a solvent to disperse and dry them.

상기 가교 공정은 열가교(thermal crosslinking) 또는 UV가교(UV crosslinking) 공정일 수 있다. 필요에 따라, 상기 열가교 공정은 가교제를 사용할 수 있고 UV가교 공정은 UV 개시제를 사용할 수 있다.The crosslinking process may be a thermal crosslinking or UV crosslinking process. If necessary, the thermal crosslinking process may use a crosslinking agent and the UV crosslinking process may use a UV initiator.

상기 가교제로는 예를 들어, 다가 알콜류 또는 다가 에폭시화합물 등을 사용할 수 있다. 다가 알콜류로는 예를 들어, 에틸렌글리콜, 글리세린, 폴리비닐알콜 등의 지방족 다가 알콜류, 피로가테콜, 레졸시놀, 또는 히드로퀴논 등의 방향족 다가 알콜류를 사용할 수 있으며, 다가 에폭시화합물로는 예를 들어, 글리세릴폴리글리시딜에테르, 트리메티롤프로판폴리글리시딜에테르 등의 지방족다가에폭시화합물류, 또는 비스페놀 A형 에폭시화합물 등의 방향족다가에폭시 화합물류를 사용할 수 있다. 그러나 상기 가교제의 예에 특별히 제한되지 않고 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 가교제의 사용은 모두 가능하다. 가교제를 사용하여 가교 밀도를 용이하게 조절할 수 있고 상기 탄소계 재료의 표면에 고분자 전해질층을 적절하게 고정화(anchored)시킬 수 있다.As the crosslinking agent, for example, polyhydric alcohols or polyhydric epoxy compounds may be used. Examples of polyhydric alcohols include aliphatic polyhydric alcohols such as ethylene glycol, glycerin, and polyvinyl alcohol, aromatic polyhydric alcohols such as pyrogatechol, resorcinol, and hydroquinone, and examples of polyhydric epoxy compounds include , aliphatic polyvalent epoxy compounds such as glyceryl polyglycidyl ether and trimethylolpropane polyglycidyl ether, or aromatic polyvalent epoxy compounds such as bisphenol A type epoxy compounds can be used. However, the use of any crosslinking agent that can be used in the art is possible without being particularly limited to the examples of the crosslinking agent. The crosslinking density can be easily controlled using a crosslinking agent, and the polymer electrolyte layer can be appropriately anchored on the surface of the carbon-based material.

상기 가교제의 함량은 예를 들어, 고분자 전해질 중합 단량체 전체 중량을 기준으로 하여 1 내지 40 중량%의 범위일 수 있다.The content of the crosslinking agent may be, for example, in the range of 1 to 40% by weight based on the total weight of polymer electrolyte polymerization monomers.

상기 열가교 조건으로는, 상기 공기 분위기 하에 또는 산화성 분위기 하에 약 80℃ 내지 120℃의 온도에서 2 시간 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다. As the thermal crosslinking condition, it may be performed for 2 hours to 6 hours at a temperature of about 80 ° C to 120 ° C under the air atmosphere or an oxidizing atmosphere.

상기 UV 개시제는 특별히 제한되지 않으나 자외선을 받아 자유라디칼을 생성하는 물질이면 가능하다. 상기 UV 개시제는 예를 들어 이중결합을 갖는 UV 개시제일 수 있다. 상기 리튬염 및 표면에 고분자 전해질 코팅층을 포함하는 탄소계 재료에 UV 조사장비를 사용하여 20 내지 60 분간 UV 가교를 수행할 수 있다.The UV initiator is not particularly limited, but may be any material that generates free radicals by receiving ultraviolet rays. The UV initiator may be, for example, a UV initiator having a double bond. UV crosslinking may be performed for 20 to 60 minutes using UV irradiation equipment on the lithium salt and the carbon-based material including the polymer electrolyte coating layer on the surface.

이후, 진공 오븐에서 미반응된 가교제 또는 UV 개시제를 제거하여 금속공기전지용 양극을 제조한다.Thereafter, an unreacted crosslinking agent or UV initiator is removed in a vacuum oven to prepare a positive electrode for a metal-air battery.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Examples and comparative examples of the present invention are described below. However, the following examples are merely examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

실시예Example 1: 고분자 1: polymer 전해질층이electrolyte layer 코팅된 탄소계 재료의 제조 Preparation of coated carbon-based materials

다중벽 탄소나노튜브(한화케미칼 제조, CM250, 92~96%) 50mg 및 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체(Sigma Aldrich사 제조, Pluronic P-123, average Mn: 5800달톤, EO: PO: EO=20:70:20 feed ratio, PEG: 30중량%) 고분자 전해질 200mg을 물 100mL에 첨가하여 혼합액을 얻었다. 50 mg of multi-walled carbon nanotubes (manufactured by Hanwha Chemical, CM250, 92-96%) and polyethylene glycol- b -polypropylene glycol- b -polyethylene glycol triblock copolymer (manufactured by Sigma Aldrich, Pluronic P-123, average Mn: 5800 Daltons, EO: PO: EO = 20:70:20 feed ratio, PEG: 30% by weight) 200 mg of the polymer electrolyte was added to 100 mL of water to obtain a mixed solution.

상기 혼합액에 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드(lithium trifluoromethanesulfonimide; LiTFSI) 분말을 EO/Li의 몰비가 20이 되도록 첨가하고 tip 형태의 초음파분산기로 2시간 동안 분산하였다. 상기 분산액 일정량을 Whatman® PVdF막(기공크기: 0.2 ㎛)으로 여과하여 표면에 PEG-b-PPG-b-PEG 트리블록 공중합체 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브를 수득하였다.Lithium trifluoromethanesulfonimide (LiTFSI) powder was added to the mixture so that the molar ratio of EO/Li was 20, and then dispersed for 2 hours using a tip-type ultrasonic disperser. A certain amount of the dispersion was filtered through a Whatman ® PVdF membrane (pore size: 0.2 μm) to obtain multi-walled carbon nanotubes coated with a polymer electrolyte layer composed of PEG- b -PPG- b- PEG triblock copolymer polymer electrolyte on the surface did

상기 수득한 결과물을 상온에서 12시간 동안, 진공오븐에서 12시간 동안 건조하였다. 이후, 건조된 결과물에 과량의 UV 개시제 Luperox® 104를 함침시켜 UV 가교공정을 수행하였고 진공오븐에서 미반응된 UV 개시제 Luperox® 104를 제거하여 표면에 가교된 PEG-b-PPG-b-PEG 트리블록 공중합체 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브를 제조하였다.The obtained product was dried at room temperature for 12 hours and in a vacuum oven for 12 hours. Thereafter, the dried product was impregnated with an excess of UV initiator Luperox ® 104 to perform a UV cross-linking process, and unreacted UV initiator Luperox ® 104 was removed in a vacuum oven to obtain a PEG- b -PPG- b -PEG tree cross-linked on the surface. A multi-walled carbon nanotube coated with a polymer electrolyte layer composed of a block copolymer polymer electrolyte was prepared.

실시예Example 2: 고분자 2: polymer 전해질층이electrolyte layer 코팅된 탄소계 재료의 제조 Preparation of coated carbon-based materials

폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체(Sigma Aldrich사 제조, Pluronic P-123, average Mn: 5800달톤, EO: PO: EO=20:70:20 feed ratio, PEG: 30중량%) 고분자 전해질 대신 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체(Sigma Aldrich사 제조, Pluronic F-127, average Mn: 12100달톤, EO: PO: EO= 101: 56: 101 feed ratio, PEG: 73.5 중량%) 고분자 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브를 제조하였다.Polyethylene glycol- b -polypropylene glycol- b -polyethylene glycol triblock copolymer (manufactured by Sigma Aldrich, Pluronic P-123, average Mn: 5800 Daltons, EO: PO: EO=20:70:20 feed ratio, PEG: 30% by weight) Polyethylene glycol- b -polypropylene glycol- b -polyethylene glycol triblock copolymer (manufactured by Sigma Aldrich, Pluronic F-127, average Mn: 12100 Daltons, EO: PO: EO= 101: 56 instead of polymer electrolyte) : 101 feed ratio, PEG: 73.5% by weight) A multi-walled carbon nanotube coated with a polymer electrolyte layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that the polymer electrolyte was used.

실시예Example 3: 3: 리튬공기전지의of lithium air battery 제작 produce

리튬금속박막 음극 상에 세퍼레이터를 배치하였다.A separator was placed on the lithium metal thin film negative electrode.

상기 세퍼레이터(Celgard 3501)에 Poly(Ethylene glycol)-dimethylether (Sigma Aldrich사 제조, 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르, 분자량 500달톤)에 1M LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)가 용해된 전해액을 0.1 mL 주입하였다.0.1 mL of an electrolyte solution in which 1M LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) was dissolved in Poly(Ethylene glycol)-dimethylether (manufactured by Sigma Aldrich, polyethylene glycol dimethyl ether, molecular weight: 500 Daltons) was injected into the separator (Celgard 3501).

상기 세퍼레이터 상에 LATP (lithium-aluminum titanium phosphate(LATP) solid electrolyte) (두께 250 ㎛, Ohara Corp., Japan) 고체전해질을 배치하였다. On the separator, a lithium-aluminum titanium phosphate (LATP) solid electrolyte (thickness of 250 μm, Ohara Corp., Japan) was disposed.

이어서, 상기 LATP 고체전해질 상부에 양극(공기극)으로 실시예 1에 의해 제조된 표면에 가교된 PEG-b-PPG-b-PEG 트리블록 공중합체 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브를 배치하였다. 이 때, 공기극 전체 100 중량부를 기준으로 하여 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브의 함량은 90.5 중량부이었고 리튬염의 함량은 9.54 중량부이었다.Then, as an anode (air electrode) on top of the LATP solid electrolyte, a multi-walled carbon coated with a polymer electrolyte layer composed of PEG- b- PPG- b -PEG triblock copolymer polymer electrolyte cross-linked on the surface prepared in Example 1 Nanotubes were placed. At this time, based on 100 parts by weight of the total air electrode, the content of the multi-walled carbon nanotubes coated with the polymer electrolyte layer was 90.5 parts by weight and the content of the lithium salt was 9.54 parts by weight.

이어서, 상기 양극 상단에 가스확산막(SGL사, 25BC, gas diffusion layer(GDL))을 부착시키고, 가스확산막 상에 니켈 메쉬를 배치하고, 그 위에 공기가 양극에 전달될 수 있는 누름부재로 눌러 셀을 고정시켜 리튬공기전지를 제조하였다Subsequently, a gas diffusion layer (SGL Co., 25BC, gas diffusion layer (GDL)) is attached to the top of the anode, a nickel mesh is placed on the gas diffusion film, and a pressing member through which air can be delivered to the anode is formed. A lithium-air battery was manufactured by pressing and fixing the cell.

상기 리튬공기전지의 예시적인 구조는 도 3에 도시된다.An exemplary structure of the lithium air battery is shown in FIG. 3 .

실시예Example 4: 4: 리튬공기전지의of lithium air battery 제작 produce

양극(공기극)으로 실시예 1에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브를 사용한 대신 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 리튬공기전지를 제작하였다.Except for using the multi-walled carbon nanotubes coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 2 instead of using the multi-walled carbon nanotubes coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 1 as the anode (air electrode) , A lithium-air battery was manufactured in the same manner as in Example 3.

비교예comparative example 1: One: 리튬공기전지의of lithium air battery 제작 produce

(1) 양극(공기극)의 제조(1) Manufacture of anode (air cathode)

핫플레이트에서 이온전도성 고분자인 폴리에틸렌옥사이드(average Mn: 10만달톤, Aldrich)와 리튬염인 LiTFSI를 EO/Li의 몰비가 20이 되도록 혼합하여 전해질을 제조한 후, 상기 전해질과 다중벽 탄소나노튜브(한화 케미칼 제조, CM250, 92~96%) 의 중량비가 3:1의 중량비가 되도록, 상기 다중벽 탄소나노튜브를 투입하고 다시 혼합하여 양극(공기극) 슬러리를 얻었다.On a hot plate, an electrolyte is prepared by mixing polyethylene oxide (average Mn: 100,000 daltons, Aldrich), an ion conductive polymer, and LiTFSI, a lithium salt, so that the molar ratio of EO/Li is 20, and then the electrolyte and multi-walled carbon nanotubes (Hanwha Chemical, CM250, 92-96%) was added to the multi-walled carbon nanotubes so that the weight ratio was 3:1 and mixed again to obtain an anode (air cathode) slurry.

LATP 고체전해질(lithium-aluminum titanium phosphate(LATP) solid electrolyte)막 (두께 250 ㎛, Ohara Corp., Japan) 위에 상기 공기극 슬러리를 3.248 mg/cm2의 함량(약 1cm×1cm의 면적)으로 코팅하여 양극(공기극)을 제조하였다.The cathode slurry was coated on a lithium-aluminum titanium phosphate (LATP) solid electrolyte film (thickness 250 μm, Ohara Corp., Japan) with a content of 3.248 mg/cm 2 (area of about 1 cm × 1 cm), An anode (air electrode) was prepared.

(2) 리튬공기전지의 제작(2) Fabrication of lithium air battery

양극(공기극)으로 실시예 1에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브를 사용한 대신 상기 (1) 양극(공기극)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 리튬공기전지를 제작하였다.Lithium air was prepared in the same manner as in Example 3, except that (1) the anode (air cathode) was used instead of the multi-walled carbon nanotube coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 1 as the anode (air cathode). A battery was made.

분석예analysis example 1: TEM 분석 - 1: TEM analysis - 몰폴로지morphology 분석 analyze

실시예 1 및 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료에 대하여 각각 TEM 분석을 실시하였다. TEM 분석은 FEI사의 Titan Cubed G2 60-300을 이용하였다. 그 결과를 도 4a 내지 도 4c에 각각 나타내었다. TEM analysis was performed on each of the carbon-based materials coated with the polymer electrolyte layer prepared in Examples 1 and 2. For TEM analysis, FEI's Titan Cubed G2 60-300 was used. The results are shown in Figures 4a to 4c, respectively.

도 4a 및 도 4c는 실시예 1 및 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료의 이미지이고 도 4b는 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료의 이미지이다.4A and 4C are images of carbon-based materials coated with a polymer electrolyte layer prepared in Examples 1 and 2, and FIG. 4B is an image of a carbon-based material coated with a polymer electrolyte layer prepared in Example 2. am.

도 4a 및 도 4c를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료는 그 표면에 두께가 각각 약 2nm, 약 5-10nm인 고분자 전해질층(양쪽 화살표 표시)이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 4A and 4C, the carbon-based material coated with the polymer electrolyte layer prepared in Examples 1 and 2 has a polymer electrolyte layer having a thickness of about 2 nm and about 5-10 nm, respectively (double-headed arrows). mark) was formed.

도 4b를 참조하면, 실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료는 그 표면에 상기 고분자 전해질층의 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정되어(anchored) 있고 가교되어 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4B, in the carbon-based material coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 2, a part of the polymer electrolyte of the polymer electrolyte layer is anchored to the surface by a non-covalent bond or a covalent bond and is cross-linked. can confirm that there is

분석예analysis example 2: TGA 분석 - 고분자 전해질 질량 감소율 분석 2: TGA analysis - Polyelectrolyte mass loss rate analysis

실시예 1에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료의 고분자 전해질층에 대하여 TGA 분석을 하여 상기 고분자 전해질층의 고분자 전해질을 확인하였다.The polymer electrolyte layer of the carbon-based material coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 1 was subjected to TGA analysis to confirm the polymer electrolyte of the polymer electrolyte layer.

TGA 분석은 상기 탄소계 재료 시료 10mg을 TGA 측정 장치(Thermal Gravimetric Analysis, TA Instruments, TA Q5000)로 질소 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 0℃에서 800℃까지 승온시키면서 온도에 따른 시료의 무게 감소를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.TGA analysis is performed by heating 10 mg of the carbon-based material sample from 0 ° C to 800 ° C at a heating rate of 10 ° C / min under a nitrogen gas atmosphere with a TGA measuring device (Thermal Gravimetric Analysis, TA Instruments, TA Q5000). Weight loss was measured. The results are shown in FIG. 5 .

도 5를 참조하면, 약 330에서 고분자 전해질의 질량이 감소하기 시작하여 상기 질량 감소가 약 400에서 멈추었다. 상기 고분자 전해질의 질량 감소율이 약 45.5%임을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the mass of the polyelectrolyte began to decrease at about 330 and the mass decrease stopped at about 400. It can be confirmed that the mass reduction rate of the polymer electrolyte is about 45.5%.

분석예analysis example 3: XPS 분석 - 탄소계 재료 표면의 고분자 3: XPS analysis - polymers on the surface of carbon-based materials 전해질층electrolyte layer 분석 analyze

실시예 2에 의해 제조된 고분자 전해질층이 코팅된 탄소계 재료에 대하여 XPS 분석하여 상기 고분자 전해질층의 고분자 전해질을 확인하였다. 그 결과를 도 6a와 도 6b에 나타내었다.The polymer electrolyte of the polymer electrolyte layer was confirmed by XPS analysis of the carbon-based material coated with the polymer electrolyte layer prepared in Example 2. The results are shown in Figures 6a and 6b.

XPS 분석은 적정량의 탄소계 재료 시료를 XPS 측정장치(X-ray Photoelectron Spectroscopy, PHI, Versaprobe)를 이용하여 분석하였다.XPS analysis was performed by using an XPS measuring device (X-ray Photoelectron Spectroscopy, PHI, Versaprobe) on an appropriate amount of the carbon-based material sample.

도 6a를 참조하면, 탄소계 재료 표면에 고분자 전해질에서 관찰되는 C-O 결합과 탄소계 재료와 고분자 전해질에서 관찰되는 C-C, C=C 결합이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 2분 동안 스퍼터링한 후 탄소계 재료 표면을 분쇄하고 관찰하였을 때 C-O 결합에 해당하는 피크의 크기가 감소하는 것을 관찰할 수 있다. Referring to FIG. 6A , it can be confirmed that C-O bonds observed in the polymer electrolyte and C-C and C=C bonds observed in the carbon-based material and the polymer electrolyte are observed on the surface of the carbon-based material. After sputtering for 2 minutes, when the surface of the carbon-based material was pulverized and observed, it can be observed that the size of the peak corresponding to the C-O bond decreases.

도 6b를 참조하면, 2분 동안 스퍼터링한 후 C-O 결합에 해당하는 피크의 크기가 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 이로부터, 고분자 전해질이 탄소계 재료 표면에 존재하는 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 6b, it can be observed that the size of the peak corresponding to the C-O bond decreases after sputtering for 2 minutes. From this, it can be confirmed that the polymer electrolyte exists on the surface of the carbon-based material.

평가예evaluation example 1: One: 충방전charge and discharge 특성 평가 Characteristic evaluation - - 에너지 밀도 평가Energy density evaluation

60℃, 1atm 산소 분위기에서 실시예 3 및 비교예 1에 의해 제작된 리튬공기전지를 0.048 mA/cm2의 정전류로 2.0 V(vs. Li)까지 방전시킨 후, 동일한 전류로 4.3V까지 충전 후, 충전전류가 0.0048 mA/cm2까지 충전하는 충방전 사이클을 수행하였다. 1번째 사이클에서의 충방전시험 결과의 일부를 하기 표 1 및 도 7a에 나타내었다.After discharging the lithium-air battery manufactured by Example 3 and Comparative Example 1 at 60°C and 1 atm oxygen atmosphere to 2.0 V (vs. Li) with a constant current of 0.048 mA/cm 2 , and then charging to 4.3V with the same current , a charge/discharge cycle was performed in which the charge current was charged up to 0.0048 mA/cm 2 . Some of the results of the charge/discharge test in the first cycle are shown in Table 1 and FIG. 7A.

또한 60℃, 1atm 산소 분위기에서 실시예 4 및 비교예 1에 의해 제작된 리튬공기전지를 0.048 mA/cm2의 정전류로 1.5 V(vs. Li)까지 방전시킨 후, 동일한 전류로 4.0V까지 충전 후, 충전전류가 0.0048 mA/cm2까지 충전하는 충방전 사이클을 수행하였다. 1번째 사이클에서의 충방전시험 결과의 일부를 하기 표 2 및 도 7b에 나타내었다.In addition, the lithium-air battery manufactured in Example 4 and Comparative Example 1 was discharged to 1.5 V (vs. Li) at a constant current of 0.048 mA/cm 2 in an oxygen atmosphere at 60 ° C. and 1 atm, and then charged to 4.0 V at the same current. After that, a charge/discharge cycle was performed in which the charge current was charged up to 0.0048 mA/cm 2 . Some of the charge/discharge test results in the first cycle are shown in Table 2 and FIG. 7B.

단위중량당 에너지 밀도에서 단위중량은 전해질, (고분자 전해질층이 코팅된) 탄소계 재료, 및 방전 생성물을 포함하는 양극(공기극) 총 중량이며, 에너지는 방전량을 평균방전전압으로 나눈 값이다. In the energy density per unit weight, the unit weight is the total weight of the anode (air electrode) including the electrolyte, the carbon-based material (coated with the polymer electrolyte layer), and the discharge product, and the energy is the amount of discharge divided by the average discharge voltage.

탄소중량carbon weight 전해질 중량electrolyte weight 방전량discharge amount 에너지 밀도energy density (mg)(mg) (mg)(mg) (mAh) (mAh) (Wh/kg)(Wh/kg) 실시예 3Example 3 0.406450.40645 0.332550.33255 0.430.43 190.18190.18 비교예 1Comparative Example 1 0.4060.406 1.2181.218 0.430.43 145.81145.81

탄소중량carbon weight 전해질 중량electrolyte weight 방전량discharge amount 에너지 밀도energy density (mg)(mg) (mg)(mg) (mAh) (mAh) (Wh/kg)(Wh/kg) 실시예 4Example 4 1.031.03 0.4990.499 0.540.54 237.12237.12 비교예 1Comparative Example 1 1.031.03 3.103.10 0.540.54 164.97164.97

상기 표 1 및 도 6a를 참조하면, 실시예 3에 의해 제작된 리튬공기전지의 에너지 밀도가 비교예 1에 비해 약 44 Wh/kg 향상되었다. 상기 표 2 및 도 6b를 참조하면, 실시예 4에 의해 제작된 리튬공기전지의 에너지 밀도가 비교예 1에 비해 약 72 Wh./kg 향상되었다. 이것은 리튬공기전지의 양극(공기극)에서 전해질 중량이 감소한 것에 기인한 것이다.Referring to Table 1 and FIG. 6A, the energy density of the lithium-air battery manufactured in Example 3 was improved by about 44 Wh/kg compared to Comparative Example 1. Referring to Table 2 and FIG. 6B, the energy density of the lithium-air battery manufactured in Example 4 was improved by about 72 Wh./kg compared to Comparative Example 1. This is due to the decrease in the weight of the electrolyte in the anode (air electrode) of the lithium-air battery.

1: 탄소계 재료 2: 고분자 전해질 코팅층
3: 보이드(void) 10: 리튬공기전지
11: 절연케이스 12: 제2 집전체 13: 음극 14: 제1 집전체
15: 양극(공기극) 16: 세퍼레이터
17a: 공기주입구 17b: 공기배출구
19: 누름부재
1: carbon-based material 2: polymer electrolyte coating layer
3: void 10: lithium air battery
Reference Numerals 11: insulating case 12: second current collector 13: negative electrode 14: first current collector
15: anode (air cathode) 16: separator
17a: air inlet 17b: air outlet
19: pressing member

Claims (31)

리튬염; 및
표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 탄소계 재료;를 포함하며,
상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 일부가 비공유결합 또는 공유결합으로 고정(anchored)되고,
상기 고분자 전해질은 가교된 고분자 전해질을 포함하는, 금속공기전지용 양극.
lithium salt; and
A carbon-based material including a polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte including at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on a surface thereof,
A part of the polymer electrolyte is anchored to the surface of the carbon-based material by a non-covalent bond or a covalent bond,
The polymer electrolyte comprises a cross-linked polymer electrolyte, a positive electrode for a metal-air battery.
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질은 물 접촉각(contact angle with water)의 차이가 5° 이상인 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
The polymer electrolyte includes a hydrophilic material and a hydrophobic material having a difference in contact angle with water of 5 ° or more, a cathode for a metal-air battery.
제2항에 있어서,
상기 친수성 물질의 물 접촉각이 0° 내지 70° 미만인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 2,
A cathode for a metal-air battery, wherein the hydrophilic material has a water contact angle of 0° to less than 70°.
제2항에 있어서,
상기 소수성 물질의 물 접촉각이 70° 이상인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 2,
A cathode for a metal-air battery, wherein the hydrophobic material has a water contact angle of 70 ° or more.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 소수성 물질의 일부 또는 전부가 비공유결합으로 고정된, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
A positive electrode for a metal-air battery, wherein part or all of the hydrophobic material of the polymer electrolyte is fixed to the surface of the carbon-based material by non-covalent bonds.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료의 표면에 상기 고분자 전해질의 소수성 물질의 일부 또는 전부가 반데르발스결합으로 흡착된, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
A positive electrode for a metal-air battery, wherein part or all of the hydrophobic material of the polymer electrolyte is adsorbed on the surface of the carbon-based material through van der Waals bonds.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질이 소수성 블록과 친수성 블록으로 구성된 블록 공중합체를 포함하는, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
A cathode for a metal-air battery, wherein the polymer electrolyte comprises a block copolymer composed of a hydrophobic block and a hydrophilic block.
제8항에 있어서,
상기 블록 공중합체의 소수성 블록이 상기 탄소계 재료의 표면에 고정되어 있고 친수성 블록이 상기 탄소계 재료의 표면 밖으로 향하여 배치된, 금속공기전지용 양극.
According to claim 8,
A cathode for a metal-air battery, wherein the hydrophobic block of the block copolymer is fixed to the surface of the carbon-based material and the hydrophilic block is disposed toward the outside of the surface of the carbon-based material.
제8항에 있어서,
상기 블록 공중합체는 서로 상이한 2 이상의 중합 단량체 블록을 갖는, 금속공기전지용 양극.
According to claim 8,
The block copolymer has two or more polymerized monomer blocks different from each other, a positive electrode for a metal-air battery.
제8항에 있어서,
상기 블록 공중합체의 친수성 블록의 수평균분자량(Mn)이 500 달톤(Daltons) 내지 20,000 달톤(Daltons)인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 8,
The number average molecular weight (Mn) of the hydrophilic block of the block copolymer is 500 Daltons to 20,000 Daltons (Daltons), a cathode for a metal-air battery.
제8항에 있어서,
상기 친수성 블록은 측쇄에 리튬 이온 전도성기를 갖는 고분자 블록인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 8,
The hydrophilic block is a polymer block having a lithium ion conductive group in a side chain, a positive electrode for a metal-air battery.
제12항에 있어서,
상기 측쇄에 리튬 이온 전도성기를 갖는 고분자 블록은 TFSI- 음이온 또는 FSI- 음이온으로 기능화된 폴리아크릴레이트 블록, 또는 TFSI- 음이온 또는 FSI- 음이온으로 기능화된 폴리메타크릴레이트 블록인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 12,
The polymer block having a lithium ion conductive group in the side chain is a polyacrylate block functionalized with TFSI - anion or FSI - anion, or a polymethacrylate block functionalized with TFSI - anion or FSI - anion.
제8항에 있어서,
상기 블록 공중합체는 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜 다이블록 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리(4-비닐피리딘) 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-TFSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 폴리스티렌-b-FSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체, 폴리에틸렌글리콜- b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 및 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 금속공기전지용 양극.
According to claim 8,
The block copolymer is polyethylene glycol- b -polypropylene glycol diblock copolymer, polyethylene oxide- b -polypropylene oxide diblock copolymer, polystyrene- b -polyethylene glycol diblock copolymer, polystyrene- b -polyethylene oxide diblock Copolymer, Polystyrene- b -Poly(4-vinylpyridine) Diblock Copolymer, Polystyrene- b -Poly(meth)acrylate Diblock Copolymer, Polystyrene- b -TFSI - Anionic Functionalized Poly(meth)acrylate Diblock Copolymer, Polystyrene- b -FSI - Anionic Functionalized Poly(meth)acrylate Diblock Copolymer, Polyethylene Glycol- b -Polypropylene Glycol- b -Polyethylene Glycol Triblock Copolymer, Polyethylene Oxide- b -Poly At least one selected from propylene oxide- b -polyethylene oxide triblock copolymer, polyethylene glycol- b -polystyrene- b -polyethylene glycol triblock copolymer, and polyethylene oxide- b -polystyrene- b -polyethylene oxide triblock copolymer A positive electrode for a metal-air battery comprising:
제8항에 있어서,
상기 블록 공중합체는 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜 다이블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-TFSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 가교된 폴리스티렌-b-FSI- 음이온으로 기능화된 폴리(메타)아크릴레이트 다이블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌옥사이드-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체, 가교된 폴리에틸렌글리콜-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌글리콜 트리블록 공중합체, 및 가교된 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드 트리블록 공중합체로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 금속공기전지용 양극.
According to claim 8,
The block copolymer is crosslinked polyethylene glycol- b -polypropylene glycol diblock copolymer, crosslinked polyethylene oxide- b -polypropylene oxide diblock copolymer, crosslinked polystyrene- b -polyethylene glycol diblock copolymer, crosslinked Polystyrene- b -Polyethyleneoxide Diblock Copolymer, Crosslinked Polystyrene- b -TFSI - Anionic Functionalized Poly(meth)acrylate Diblock Copolymer, Crosslinked Polystyrene- b -FSI - Anionically Functionalized Poly(meth) Acrylate diblock copolymer, crosslinked polyethylene glycol- b -polypropylene glycol- b -polyethylene glycol triblock copolymer, crosslinked polyethylene oxide- b -polypropylene oxide- b -polyethylene oxide triblock copolymer, crosslinked polyethylene A positive electrode for a metal-air battery comprising at least one selected from glycol -b -polystyrene- b -polyethylene glycol triblock copolymers and crosslinked polyethylene oxide- b -polystyrene- b -polyethylene oxide triblock copolymers.
제8항에 있어서,
상기 블록 공중합체의 수평균분자량(Mn)이 3,000 달톤(Daltons) 내지 60,000 달톤(Daltons)인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 8,
The number average molecular weight (Mn) of the block copolymer is 3,000 Daltons (Daltons) to 60,000 Daltons (Daltons), a cathode for a metal-air battery.
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질의 함량이 상기 탄소계 재료 100 중량부를 기준으로 하여 10 중량부 내지 300 중량부인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
A positive electrode for a metal-air battery, wherein the content of the polymer electrolyte is 10 parts by weight to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon-based material.
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질층의 두께가 1 나노미터(nm) 내지 30 나노미터(nm)인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
A cathode for a metal-air battery, wherein the polymer electrolyte layer has a thickness of 1 nanometer (nm) to 30 nanometers (nm).
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질층이 리튬에 대하여 1.4V 내지 4.5V 충방전전압의 범위에서 전기화학적으로 안정한, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
The positive electrode for a metal-air battery, wherein the polymer electrolyte layer is electrochemically stable in the range of 1.4V to 4.5V charge/discharge voltage for lithium.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료가 다공성 탄소 구조체인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
The positive electrode for a metal-air battery, wherein the carbon-based material is a porous carbon structure.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료가 탄소나노튜브, 탄소나노입자, 탄소나노섬유, 탄소나노시트, 탄소나노막대, 탄소나노벨트, 그래핀, 그래핀옥사이드, 탄소에어로젤, 역오팔탄소(inverse opal carbon), 이들 혼합물, 및 이들 복합체로부터 선택된, 금속공기전지용 양극
According to claim 1,
The carbon-based material includes carbon nanotubes, carbon nanoparticles, carbon nanofibers, carbon nanosheets, carbon nanorods, carbon nanobelts, graphene, graphene oxide, carbon aerogels, inverse opal carbon, and mixtures thereof. , and a positive electrode for a metal-air battery selected from these composites
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료의 함량이 양극 전체 100 중량부를 기준으로 하여 50 중량부 내지 80 중량부인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
A positive electrode for a metal-air battery, wherein the content of the carbon-based material is 50 parts by weight to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the total positive electrode.
제1항에 있어서,
상기 리튬염이 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiF, LiBr, LiCl, LiOH, LiI 및 LiB(C2O4)2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ), where x and y are natural numbers, LiF, LiBr, LiCl, LiOH, LiI and LiB (C 2 O 4 ) At least one anode selected from the group consisting of 2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) for a metal-air battery.
제1항에 있어서,
상기 리튬염의 함량이 양극 전체 100 중량부를 기준으로 하여 30 중량부 내지 60 중량부인, 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
A positive electrode for a metal-air battery, wherein the content of the lithium salt is 30 parts by weight to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the total positive electrode.
제1항에 있어서,
상기 양극은 공기극인 금속공기전지용 양극.
According to claim 1,
The anode is an anode for a metal-air battery, which is an air cathode.
리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 음극;
제1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 양극; 및
상기 음극과 양극 사이에 배치된 세퍼레이터;를 포함하는, 금속공기전지.
a negative electrode containing lithium or a lithium alloy;
a positive electrode according to any one of claims 1 to 6 and 8 to 25; and
A metal-air battery comprising a; separator disposed between the negative electrode and the positive electrode.
탄소계 재료, 고분자 전해질, 및 리튬염을 용매에 첨가하고 분산 및 건조하여 상기 탄소계 재료의 표면에 코팅된 1종 이상의 친수성 물질 및 소수성 물질을 포함하는 고분자 전해질로 구성된 고분자 전해질층을 포함하는 제1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 양극을 제조하는 단계;를 포함하는, 금속공기전지용 양극의 제조방법.A polymer electrolyte layer composed of a polymer electrolyte containing at least one hydrophilic material and a hydrophobic material coated on the surface of the carbon-based material by adding a carbon-based material, a polymer electrolyte, and a lithium salt to a solvent, dispersing and drying the agent. A method for manufacturing a positive electrode for a metal-air battery, comprising: preparing the positive electrode according to any one of claims 1 to 6 and 8 to 25. 제27항에 있어서,
상기 탄소계 재료, 고분자 전해질, 및 리튬염을 용매에 첨가하여 분산한 후 건조하기 전 여과 공정을 더 포함하는, 금속공기전지용 양극의 제조방법.
The method of claim 27,
A method of manufacturing a positive electrode for a metal-air battery, further comprising a filtering step before drying after adding and dispersing the carbon-based material, the polymer electrolyte, and the lithium salt in a solvent.
제28항에 있어서,
상기 여과 공정은 1 마이크로미터(㎛) 이하의 기공을 갖는 필터 여과 공정인, 금속공기전지용 양극의 제조방법.
According to claim 28,
The filtration process is a method of manufacturing a positive electrode for a metal-air battery, a filter filtration process having pores of 1 micrometer (㎛) or less.
제27항에 있어서,
상기 탄소계 재료, 고분자 전해질, 및 리튬염을 용매에 첨가하여 분산 및 건조한 후 가교 공정을 더 포함하는, 금속공기전지용 양극의 제조방법.
The method of claim 27,
A method of manufacturing a positive electrode for a metal-air battery, further comprising a crosslinking step after adding the carbon-based material, the polymer electrolyte, and the lithium salt to a solvent, dispersing and drying them.
제30항에 있어서,
상기 가교 공정은 열가교 또는 UV가교 공정인, 금속공기전지용 양극의 제조방법.
31. The method of claim 30,
The crosslinking process is a thermal crosslinking or UV crosslinking process, a method for manufacturing a positive electrode for a metal-air battery.
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