KR102570076B1 - 리튬 공기 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 리튬-공기 전지 제조 방법은, 다공성 메탈폼을 소정의 온도에서 가열함으로써, 친리튬 특성(lithiophic)을 갖는 산화물 층을 메탈폼 상에 코팅하는 단계, 산화물 층이 코팅된 메탈폼을 용융 리튬과 접촉시킴으로써 산화물 층 상에 음극 활물질인 리튬 층을 코팅하는 단계, 리튬 층 상에 전해질 층을 코팅하는 단계, 전해질 층 상에 양극 활물질 층을 코팅하는 단계, 양극 활물질 층 상에 공기 확산층을 적층하는 단계 및 공기 확산층에 양극 단자를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

리튬 공기 전지 및 그 제조 방법{LITHIUM AIR BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 명세서를 통해 제안되는 발명은 리튬 공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
리튬(Li) 금속은, 높은 용량, 낮은 전기 화학적 전위 및 경량 특성으로 인해 차세대 배터리 전극으로서 활용성이 높다.
그러나, 리튬의 일반 금속에 쉽사리 코팅이 되지 않는 소리튬(Lithiophobic) 특성을 갖고 있어, 리튬을 이용한 배터리 전극의 제조에 어려움을 겪고 있는 상황이다.
따라서, 리튬의 소리튬 특성을 줄이고, 친리튬(lithiophic) 특성을 향상시키기 위한 연구가 활발한 실정이다.
한편, 화석연료 소비 증가에 따른 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 전기자동차 및 하이브리드자동차의 보급이 확대되고 있다. 현재 리튬-이온 전지는 전지용량의 제약으로 전기자동차의 장거리 주행이 어렵다. 장거리 운행을 위해서는 대용량 전지가 자동차에 탑재되어야 하지만 자동차 판매가격이 상승하기 때문에 전기자동차 보급을 위해서는 기존의 이차전지보다 6 내지 7배 정도 큰 에너지 밀도를 갖는 이차전지가 필요하다. 이에 따라 리튬-이온 전지 보다 큰 에너지 밀도를 갖는 리튬-공기 전지가 주목받고 있다.
이러한 리튬-공기 전지의 상용화를 목적으로 전지의 효율 향상, 충/방전 특성 향상, 공기 중 수분 및 이산화탄소 등에 의한 음극의 안전과 오염방지를 위한 연구가 이루어지고 있다.
전술한 바와 같은 목적 달성을 위해 전극 및 전해질 재료 개발 또는 촉매 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 리튬-공기 전지의 특성상 양극은 원활한 공기의 공급이 이루어져야 하고, 동시에 음극 및 전해질 등의 전지 구성 요소들은 공기와 원천적으로 차폐되어야 하므로 전지 구조의 단순화 및 경량화가 어렵고 그 형태가 매우 한정적이다.
대부분의 리튬-공기 전지의 경우 기존의 금속-공기 전지와 유사한 형태인 파우치형, 원통형, 코인형 등으로 형성되며, 양극 부분에만 공기가 통할 수 있도록 구멍을 뚫어 놓은 형태를 벗어나지 못하고 있다.
이러한 구성은 전지 제조 시 양극 표면에 구멍을 뚫어야 하는 공정과 그 외 다른 구성품들을 외기와 차폐시키기 위한 실링 공정 등이 추가로 필요하기 때문에 전지의 경량화 및 공정의 단순화에 어려움이 있다.
또한, 양극의 경우 기공률이 높은 양극 활물질을 사용한다고 하더라도 실제 공기에 노출되는 부분이 전지 구조에 의해 매우 한정적이므로 양극 활물질의 성능을 최대한으로 활용하는 것이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅함으로써 전지의 경량화 및 제조 공정과 구조를 단순화하는데 목적이 있다.
또한, 양극의 공기 노출을 극대화하여 리튬-공기 전지의 용량을 향상시키는데 목적이 있다.
일 실시예에 따른 리튬-공기 전지 제조 방법은, 다공성 메탈폼을 소정의 온도에서 가열함으로써, 친리튬 특성(lithiophic)을 갖는 산화물 층을 메탈폼 상에 코팅하는 단계, 산화물 층이 코팅된 메탈폼을 용융 리튬과 접촉시킴으로써 산화물 층 상에 음극 활물질인 리튬 층을 코팅하는 단계, 리튬 층 상에 전해질 층을 코팅하는 단계, 전해질 층 상에 양극 활물질 층을 코팅하는 단계, 양극 활물질 층 상에 공기 확산층을 적층하는 단계 및 공기 확산층에 양극 단자를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
또, 리튬-공기 전지 제조 방법은 전해질 층은 리튬 층을 코팅함으로써, 리튬 층을 외부로부터 차단할 수 있다.
또, 리튬-공기 전지 제조 방법은 전해질 층을 자외선(UV)를 이용해 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또, 전해질 층은 고분자 물질로서, ETPTA(Trimethyloppropane ethoxylate triacrylate) 50 중량% 및 PVDF-HFP(Poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene)) 50중량%를 포함하고, 자외선 경화 개시제는 HMPP(2-Hydroxy-2methylpropiophenone)를 포함하며, HMPP는 ETPTA 중량의 0.1%이다.
또, 전해질 층은 액체 전해질로서, TEGDME(Tetraethylene glycol dimethyl ether)에 1M LITFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)이 포함된 리튬염을 포함하고, 고분자 물질 및 액체 전해질은 6:4의 부피비에 따라 혼합될 수 있다.
또, 양극 단자는 양극 활물질이 코팅된 부분에 연결될 수 있다.
또, 리튬-공기 전지 제조 방법은 메탈폼에 코팅된 양극 활물질을 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또, 양극 활물질은 다공성 탄소 또는 이를 이용한 탄소 복합체를 포함할 수 있다.
또, 양극 활물질은 활성 탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 메탈폼의 친리튬 특성이 향상되어, 메탈폼의 공극 내부로 리튬의 함침이 용이하여, 리튬을 코팅한 메탈폼 및 이를 포함하는 전지용 전극을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅함으로써 전지의 경량화 및 제조 공정과 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 다공성 탄소재료를 사용하는 양극이 다공성인 메탈폼의 표면에 코팅된 형태이므로 양극의 공기 노출이 극대화되어 다공성 효과를 이중으로 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예들에 따라 리튬이 코팅된 메탈폼을 포함하는 전지용 전극에 관한 도면이다.
도 2는 실시예들에 따라 메탈폼에 리튬을 코팅하여 전지용 전극을 제조하는 방법에 관한 순서도이다.
도 3은 실시예들에 따라 메탈폼에 리튬이 코팅되는 것에 관한 이미지이다.
도 4는 실시예들에 따라 리튬이 코팅되기 전 메탈폼에 관한 현미경 이미지이다.
도 5는 실시예들에 따라 친리튬 특성을 갖는 산화물 층이 메탈폼 상에 코팅된 것에 관한 현미경 이미지이다.
도 6은 실시예들에 따라 메탈폼 상에 코팅된 산화물 층의 조성에 관한 그래프이다.
도 7은 실시예들에 따른 리튬이 코팅된 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지에 관한 도면이다.
도 8은 실시예들에 따른 리튬-공기 전지 제조 방법에 관한 순서도이다.
도 9는 실시예들에 따라 리튬-공기 전지를 제조하는 것에 관한 이미지이다.
도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 실시예들에 따라 리튬이 코팅된 메탈폼(120)을 포함하는 전지용 전극(100)에 관한 도면이다. 도 1을 참조하면, 전지용 전극(100)은 다공성 메탈폼(120), 메탈폼(120) 상에 코팅된, 친리튬 특성(lithiophic)을 갖는 산화물 층(140), 산화물 층(140) 상에 코팅된 리튬 층(160)을 포함한다.
메탈폼(120)은 전기적 전도성이 매우 우수한 3차원 다공성 구조이다.
메탈폼(120)은 전지의 지지체이자 음극 집전체로 사용될 수 있다.
리튬은 전지의 음극 활물질로써 가장 높은 이론적 용량을 나타낸다.
메탈폼(120)은 음극 활물질의 일 예인 리튬에 상대적으로 안정적인 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 메탈폼(120)은 니켈, 철, 니켈, 알루미늄, 또는 스테인레스 합금, 철 합금 중 어느 하나 이상의 재료가 사용되어 제작된다.
메탈폼(120) 재질은 순수 리튬의 코팅이 되지 않는 소리튬(Lithiophobic)한 특성을 가지고 있어 순수한 리튬을 메탈폼(120) 표면에 코팅하기 매우 어렵다. 따라서, 전지용 전극(100)의 제조 방법에 따르면, 메탈폼(120)을 소정의 온도에서 가열함으로써, 친리튬 특성(lithiophic)을 갖는 산화물 층(140)을 메탈폼(120) 상에 코팅할 수 있다. 이후, 산화물 층(140)이 코팅된 메탈폼(120)을 용융 리튬과 접촉시킴으로써 산화물 층(140) 상에 리튬 층(160)을 코팅할 수 있다. 이로써, 순수 리튬이 메탈폼(120) 상에 고르게 코팅되고, 메탈폼(120)의 공극 내부로 리튬의 함침이 용이해진다다.
일 실시예에 따르면, 메탈폼(120)을 구성하는 줄기(ligament)의 두께 대비 산화물 층(140)의 두께의 비는 0.002 내지 0.005일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 메탈폼(120)의 소정의 기공률은, 메탈폼(120)의 부피 대비 60% 내지 99%일 수 있다. 메탈폼(120)의 기공률이 전체 부피 대비 60% 미만일 경우에는 코팅된 활물질의 양이 감소하여 전기화학적 특성이 감소할 수 있다. 한편, 메탈폼(120)의 기공률이 99%를 초과할 경우에는 코팅 공정이 잘 이루어지지 않는 문제가 발생한다.
일 실시예에 따르면, 리튬 층(160)은 메탈폼(120)의 전체 표면적의 50 내지 98% 상에 코팅될 수 있다. 메탈폼(120)에 음극 활물질이 코팅되는 단계에서 메탈폼(120)은 음극의 집전체 역할을 하기 때문에 음극 활물질은 메탈폼(120)의 면적 대비 50% 내지 98% 로 코팅된다.
음극 활물질이 메탈폼(120)의 면적 대비 50% 미만으로 코팅될 경우에는 코팅되는 음극 활물질의 양이 적어 고성능의 전지를 구성하는데 바람직하지 않다. 한편, 음극 활물질이 메탈폼(120)의 면적 대비 98%를 초과하여 코팅될 경우에는 음극 집전체인 메탈폼(120)이 외부로 노출되지 않으므로 전지를 구성하는 데 바람직하지 않다.
도 2는 실시예들에 따라 메탈폼(120)에 리튬을 코팅하여 전지용 전극(100)을 제조하는 방법에 관한 순서도이고, 도 3은 실시예들에 따라 메탈폼(120)에 리튬이 코팅되는 것에 관한 이미지이다.
도 2를 참조하면, 먼저 다공성 메탈폼(120)이 소정의 온도에서 가열됨으로써, 친리튬 특성(lithiophic)을 갖는 산화물 층(140)이 메탈폼(120) 상에 코팅된다(S1100). 도 3(a)의 메탈폼(120)은 도 3(b)와 같이 그 표면에 산화물 층(140)이 형성된 메탈폼(120)의 형태로 변화할 수 있다.
이 때, 메탈폼(120)은 공기 분위기에서 가열된다. 또한, 메탈폼(120)은 500 내지 950 ℃의 온도 범위에서 가열된다. 일 실시예에 따르면, 메탈폼(120)은 700 내지 900 ℃의 온도 범위에서 가열된다.
또한, 메탈폼(120)은 최대 1시간 동안 가열된다. 일 실시예에 따르면, 메탈폼(120)은 5분 내지 10분 동안 가열된다.
이 때, 가열 공정은 등온 열처리 공정으로서, 퍼니스(furnace)의 승온 속도와 무관하다.
메탈폼(120) 표면을 친리튬(lithiophilic)하게 표면 처리하는 과정을 거침으로써, 이후 공정에서 메탈폼(120)에 리튬이 고르게 코팅될 수 있다. 산화 공정을 거치지 않을 경우 리튬의 높은 표면장력으로 인해 메탈폼(120) 표면에 리튬이 전혀 젖지 않고 코팅되지 않는다.
이후, 산화물 층(140)이 코팅된 메탈폼(120)은 용융 리튬과 접촉함으로써 산화물 층(140) 상에 리튬 층(160)이 코팅된다(S1200). 이 때, 산화물 층(140)이 코팅된 메탈폼(120)은 350 내지 450℃의 용융 리튬을 포함하는 용기에 투입될 수 있다. 친리튬(lithiophic) 특성을 갖는 산화물 층(140)이 형성된 메탈폼(120)을 350 내지 450℃로 용융된 순수리튬에 담그어 표면을 코팅하여 순수 리튬으로 구성된 활물질 막을 메탈폼(120) 표면에 코팅한다.
도 3(b)의 산화물 층(140)이 형성된 메탈폼(120)은 도 3(c)와 같이 그 표면에 리튬이 코팅되고, 리튬을 함침할 수 있다.
이 때, 순수 리튬을 용해시키는 공정에서 용융된 리튬은 공기 중 수분, 산소, 이산화탄소 및 질소와 반응성이 매우 높으므로 고순도 (99.999% 이상) 아르곤 분위기 하에서 수행되어야 한다.
특히, 고온 용융된 리튬의 경우 매우 소량의 질소와도 반응하여 검정색의 질소화 리튬(Li3N)화합물을 생성시키므로, 보다 바람직하게는 고순도 아르곤을 용융 리튬 코팅 공정 중 분당 1리터 이상 퍼징(purging)시키면서 용용 리튬을 코팅시키는 것이 바람직하다.
도 4는 실시예들에 따라 리튬이 코팅되기 전 메탈폼(120)에 관한 현미경 이미지이다. 도 4를 참조하면, 가열 공정 전, 메탈폼(120)의 줄기(ligament)의 두께는 대략 100 μm 이다.메탈폼(120)의 줄기에는 어떠한 물질도 부착되어 있지 않다.
도 5는 실시예들에 따라 친리튬 특성을 갖는 산화물 층(140)이 메탈폼(120) 상에 코팅된 것에 관한 현미경 이미지이다. 도 5를 참조하면, 메탈폼(120) 상에는 산화물 층(140)이 형성되어 부착된다. 산화물 층(140)은 대략 200 내지 300nm의 두께를 가진다.
일 실시예에 따르면, 산화물 층(140)은 메탈폼(120) 상에 형성된 제1 산화물 층(142) 및 제1 산화물 층(142) 상에 형성된 제2 산화물 층(144)을 포함할 수 있다.
도 6은 실시예들에 따라 메탈폼(120) 상에 코팅된 산화물 층(140)의 조성에 관한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 제1 산화물 층(142) 및 제2 산화물 층(144)의 조성비는 상이할 수 있다. 산화물 층(140)은, 철 산화물, 크롬 산화물 및 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다.
복수의 산화물들은 메탈폼(120) 줄기의 반경 방향에 따라 조성이 상이할 수 있다. 니켈은 메탈폼(120)의 중심부로부터 멀어질수록 증가하는 경향을 보인다. 크롬은 메탈폼(120)의 중심부로부터 멀어질수록 증가하는 경향을 보인다. 알루미늄은 메탈폼(120)의 중심부로부터 멀어질수록 감소하는 경향을 보인다.
다시 말하면, 제2 산화물 층(144)에서 니켈의 함량은 제1 산화물 층(142)의 니켈의 함량보다 크다. 제2 산화물 층(144)에서 크롬의 함량은 제1 산화물 층(142)의 크롬의 함량보다 크다. 또, 제2 산화물 층(144)에서 알루미늄의 함량은 제1 산화물 층(142)의 알루미늄의 함량보다 작다.
도 7은 실시예들에 따른 리튬이 코팅된 메탈폼(220)을 이용한 리튬-공기 전지(200)에 관한 도면이다. 본 발명은 리튬-공기 전지(200)의 지지체이자 음극 집전체가 되는 다공성 메탈폼(220)에 친리튬의 산화물 층(240), 음극 활물질, 전해질 층(5), 양극 활물질 층(280) 및 공기 확산층(290)을 순차적으로 다중 코팅하는 리튬-공기 전지(200) 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.
도 8은 실시예들에 따른 리튬-공기 전지(200) 제조 방법에 관한 순서도이고, 도 9는 실시예들에 따라 리튬-공기 전지(200)를 제조하는 것에 관한 이미지이다.
리튬-공기 전지(200)의 제조 방법은, 다공성 메탈폼(220)을 소정의 온도에서 가열함으로써, 친리튬 특성을 갖는 산화물 층(240)을 메탈폼(220) 상에 코팅하는 단계(S2100)를 수행한다. 이 때, 메탈폼(220) 표면은 대기 조건에서 500 내지 950 ℃ 온도에서 1시간 이하로 산화된다. 일 실시예에 따르면, 메탈폼(220) 표면은 대기 조건에서 700 내지 900 ℃ 온도에서 5분 내지 10분 동안 산화된다. 단계 S1100에서 상술한 내용들은 단계 S2100에 적용될 수 있다.
이후, 메탈폼(220)에 음극 활물질이 코팅되는 단계가 수행된다(S2200). 단계 S1200에서 상술한 내용들은 단계 S2200에 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 리튬 층(260)에 전해질 층이 코팅되기 전 음극 활물질에 공기 중 수분 및 이산화탄소 등으로부터 음극을 보호하기 위해 구리 및 니켈의 합금을 얇게 코팅시키는 공정이 추가될 수 있다.
이후, 음극 활물질이 코팅된 메탈폼(220)에 고체 전해질이 코팅되는 단계가 수행된다(S2300). 메탈폼(220)에 코팅된 음극 활물질이 공기 중에 노출되는 것을 방지하기 위해 고체 전해질의 코팅 시 음극 활물질의 표면은 외부와 완전 차단된다.
이 때, 고체 전해질은 이온전도성이 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 바람직하게는 10-3 내지 10-4 S/cm이상의 이온전도도를 가지는 고체 전해질을 사용하도록 한다.
일 실시예에 따르면, 고체 전해질 고분자 물질은 ETPTA (Trimethyloppropane ethoxylate triacrylate) 및 PVDF-HFP (Poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene))을 각각 또는 이들의 조합으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체 전해질 고분자 물질은 ETPTA는 50 중량% 및 PVDF-HFP는 50중량%를 포함할 수 있다.
이후, 코팅된 고체 전해질을 자외선(UV)를 이용해 경화시키는 단계가 수행된다(S2100). 일 실시예에 따르면, UV 경화 개시제로 HMPP(2-Hydroxy-2methylpropiophenone)를 사용할 수 있다. 예를 들어, HMPP는 ETPTA 중량의 0.1%를 사용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 고체 전해질로는 PVDF-HFP를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 또는 DMF（Dimethylformamide)를 60℃ 내지 90℃로 가열하고, 가열된 상태에서 5시간 정도 교반시킴으로써 균질하게 한다.
이 때, LiBF4, LIPF6, EC(ethylene carbonate) 또는 DME(di-methylether) 등 카보네이트계 또는 에테르계 리튬 전지 전해질을 고분자 전해질에 30 내지 70 부피%로 혼합될 수 있다.
이후, 열 경화 또는 UV 경화될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 고체 전해질로는 TEGDME(Tetraethylene glycol dimethyl ether)에 1M LITFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 리튬염이 들어간 전해질이 사용될 수 있다. 이 때, 고체 전해질 고분자 용액 (ETPTA와 PVDF-HFP)와 액체 전해질은 1M LITFSI + TEGDME는 부피비로 6:4로 혼합될 수 있다.
이후, 고체 전해질이 코팅된 메탈폼(220)에 양극 활물질이 코팅되는 단계가 수행된다(S2400). 이 때, 양극 활물질은 공기와의 반응 면적을 극대화하기 위하여 다공성 탄소 재료 또는 이를 이용한 탄소 재료 복합체를 사용하여 제조된다.
양극 활물질인 다공성 탄소 재료는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 등 탄소로 이루어진 재료가 사용될 수 있으며, 이들을 이용하여 제작된 복합체 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
이후, 코팅된 양극활물질을 건조시키는 단계가 수행된다.
이후, 양극 활물질이 코팅된 메탈폼(220)에 양극 단자를 연결하는 단계(S2500)가 수행된다. 양극 활물질이 코팅된 후에는 공기 확산층(Air Diffusion Layer, ADL)(7) 적층된다. 양극 활물질 층(280)이 코팅된 메탈폼(220)에 양극 단자를 연결하는 단계에서 양극 단자는 공기 확산층(290)이 코팅된 부분에 연결된다.
즉, 리튬-공기 전지(200)의 제조 방법으로 제작된 리튬-공기 전지(200)는 3차원의 다공성 메탈폼(220)의 형태를 그대로 유지하며, 단순하게 메탈폼(220)을 이루고 있는 금속 표면에 전극 활물질들과 전해질이 코팅된 형태이다.
따라서, 전극 표면의 단면을 보면, 중앙에 전지의 지지체이자 음극 집전체인 메탈폼(220), 그 표면에 음극 활물질인 리튬 층(260), 전해질 층(270), 양극 활물질 층(280)이 순차적으로 다중 적층되어 코팅이 이루어진다.
이와 같은 제조 방법으로 제작된 리튬-공기 전지(200)는 전지를 경량화하고 전지의 제조 공정과 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 다공성 탄소 재료를 사용하는 양극이 다공성인 메탈폼(220)의 표면에 코팅된 형태이므로 양극의 공기 노출이 극대화되어 다공성 효과를 이중으로 확보할 수 있는 효과가 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
100 전지용 전극
120 메탈폼
140 산화물 층
160 리튬 층
200 리튬-공기 전지
220 메탈폼
240 산화물 층
260 리튬 층
270 전해질 층
280 양극 활물질 층
290 공기 확산층

Claims (9)

  1. 다공성 메탈폼을 소정의 온도에서 가열함으로써, 친리튬 특성(lithiophic)을 갖는 산화물 층을 상기 메탈폼 상에 코팅하는 단계;
    상기 산화물 층이 코팅된 상기 메탈폼을 용융 리튬과 접촉시킴으로써 상기 산화물 층 상에 음극 활물질인 리튬 층을 코팅하는 단계;
    상기 리튬 층 상에 전해질 층을 코팅하는 단계;
    상기 전해질 층 상에 양극 활물질 층을 코팅하는 단계;
    상기 양극 활물질 층 상에 공기 확산층을 적층하는 단계; 및
    상기 공기 확산층에 양극 단자를 연결하는 단계;를 포함하는,
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전해질 층은 상기 리튬 층을 코팅함으로써, 상기 리튬 층을 외부로부터 차단하는,
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전해질 층을 자외선(UV)를 이용해 경화시키는 단계;를 더 포함하는
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전해질 층은 고분자 물질로서, ETPTA(Trimethyloppropane ethoxylate triacrylate) 50 중량% 및 PVDF-HFP(Poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene)) 50중량%를 포함하고,
    자외선 경화 개시제는 HMPP(2-Hydroxy-2methylpropiophenone)를 포함하며, 상기 HMPP는 상기 ETPTA 중량의 0.1%인
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전해질 층은 액체 전해질로서, TEGDME(Tetraethylene glycol dimethyl ether)에 1M LITFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)이 포함된 리튬염을 포함하고,
    상기 고분자 물질 및 상기 액체 전해질은 6:4의 부피비에 따라 혼합되는
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 양극 단자는 상기 양극 활물질이 코팅된 부분에 연결되는,
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 메탈폼에 코팅된 상기 양극 활물질을 건조시키는 단계;를 더 포함하고,
    상기 양극 활물질을 건조시키는 단계는, 상기 양극 활물질 층을 코팅하는 단계와 상기 공기 확산층을 적층하는 단계 사이에 실시되는,
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 양극 활물질은 다공성 탄소 또는 이를 이용한 탄소 복합체를 포함하는,
    리튬-공기 전지 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 양극 활물질은 활성 탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 어느 하나를 포함하는
    리튬-공기 전지 제조 방법.
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