KR20120011322A - Lithium air battery - Google Patents

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오사무 야마모토
임동민
야수오 타케다
노부유키 이마니시
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Abstract

PURPOSE: A lithium air battery is provided to restrain the decomposition of solid electrolyte due to discharging products, thereby improving the durability of an electrode, and having high energy density. CONSTITUTION: A lithium air battery comprises a negative electrode capable of charging and discharging lithium ions, a lithium ion conductive solid electrolyte membrane, aqueous electrolyte, and a positive electrode including oxygen as positive electrode active material. The aqueous electrolyte comprises lithium hydroxide and lithium halide. The lithium halide comprises one or more selected from a group consisting of LiF, LiCl, LiBr, and LiI. The lithium ion conductive solid electrolyte is formed between the positive electrode and the negative electrode, and formed on one surface of the negative electrode.

Description

리튬 공기 전지 {Lithium air battery}Lithium air battery {Lithium air battery}

리튬 공기 전지에 관한 것으로, 에너지 밀도가 높고 장시간 사용에도 전기적 특성이 유지될 수 있는 리튬 공기 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium air battery, and has a high energy density and a lithium air battery capable of maintaining electrical characteristics even for long time use.

리튬 공기 전지는 리튬 이온의 흡장/방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하여 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극을 구비하고, 상기 양극과 음극 사이에 리튬 이온 전도성 매체를 구비한 것이 알려져 있다.It is known that a lithium air battery includes a cathode capable of occluding / discharging lithium ions, a cathode including an oxygen redox catalyst using oxygen in the air as a cathode active material, and a lithium ion conductive medium provided between the anode and the cathode. have.

상기 리튬 공기 전지의 이론 에너지 밀도는 3000Wh/kg 이상이며, 이는 리튬 이온 전지보다 대략 10배의 에너지 밀도에 해당한다. 아울러, 리튬 공기 전지는 친환경적이며, 리튬 이온 전지보다 개선된 안전성을 제공할 수 있어 많은 개발이 이루어지고 있다.The theoretical energy density of the lithium air battery is 3000 Wh / kg or more, which corresponds to approximately 10 times the energy density of the lithium ion battery. In addition, lithium air batteries are environmentally friendly and can provide improved safety than lithium ion batteries.

이와 같은 리튬 공기 전지는 상기 리튬 이온 전도성 매체로서 수계 전해질 및 비수계 전해질을 사용할 수 있다. 상기 비수계 전해질은 리튬염을 포함하는 유기 용매를 예로 들 수 있으며, 상기 수계 전해질은 염을 포함하는 물을 예로 들 수 있다.Such a lithium air battery may use an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte as the lithium ion conductive medium. The non-aqueous electrolyte may include an organic solvent including lithium salts, and the aqueous electrolyte may include water including a salt.

일구현예에서 해결하려는 과제는, 전해질에서 발생하는 부산물로 인한 전극의 손상을 방지하여 전기적 특성이 개선된 리튬 공기 전지를 제공하는 것이다.In one embodiment, a problem to be solved is to provide a lithium air battery having improved electrical characteristics by preventing damage to the electrode due to by-products generated in the electrolyte.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일태양은,One aspect of the present invention for solving the above problems,

리튬 이온을 저장/방출 가능한 음극;A negative electrode capable of storing / releasing lithium ions;

리튬 이온 전도성 고체 전해질막;Lithium ion conductive solid electrolyte membrane;

수계 전해질; 및Aqueous electrolytes; And

산소를 양극 활물질로 하는 양극;을 구비하며,A positive electrode having oxygen as a positive electrode active material;

상기 수계 전해질이 수산화리튬과 리튬 할라이드를 포함하는 리튬공기전지를 제공한다.The aqueous electrolyte provides a lithium air battery containing lithium hydroxide and lithium halide.

일구현예에 따르면, 상기 리튬 할라이드는 리튬 플루오라이드(LiF), 리튬 클로라이드(LiCl), 리틈 브로마이드(LiBr) 및 리튬 아이오다이드(LiI)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the lithium halide may include one or more selected from the group consisting of lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), recess bromide (LiBr) and lithium iodide (LiI).

일구현예에 따르면, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 음극의 일표면 상에 형성된다.According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane is interposed between the negative electrode and the positive electrode, is formed on one surface of the negative electrode.

일구현예에 따르면, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 금속 이온을 함유하는 글래스-세라믹 고체 전해질을 포함한다.According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane comprises a glass-ceramic solid electrolyte containing metal ions.

일구현예에 따르면, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 고분자 고체 전해질을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may further comprise a polymer solid electrolyte.

일 구현예에 따르면, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 글래스-세라믹 고체 전해질과 고분자 고체 전해질의 적층물을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may include a stack of glass-ceramic solid electrolyte and polymer solid electrolyte.

일구현예에 따르면, 상기 리튬 할라이드는 상기 수계 전해질에 대하여 포화농도의 약 0.1% 내지 약 100%의 범위로 포함될 수 있다.According to one embodiment, the lithium halide may be included in the range of about 0.1% to about 100% of the saturation concentration with respect to the aqueous electrolyte.

일구현예에 따르면, 상기 리튬 할라이드는 상기 수계 전해질에 대하여 포화농도의 약 10% 내지 100%의 범위로 포함될 수 있다.According to one embodiment, the lithium halide may be included in the range of about 10% to 100% of the saturation concentration with respect to the aqueous electrolyte.

일구현예에 따르면, 상기 수계 전해질은 물 100중량부에 대하여 리튬 클로라이드를 약 1중량부 내지 약 83중량부의 함량으로 포함할 수 있다.According to one embodiment, the aqueous electrolyte may include lithium chloride in an amount of about 1 part by weight to about 83 parts by weight based on 100 parts by weight of water.

일구현예에 따르면, 상기 음극은 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound) 등을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the negative electrode may include a lithium metal, a lithium metal based alloy, or a lithium intercalating compound.

일구현예에 따르면, 상기 양극은 다공성 탄소계 물질을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the anode may comprise a porous carbon-based material.

일구현예에 따르면, 상기 고체 전해질막과 양극 사이에 세퍼레이터를 더 구비할 수 있다.According to one embodiment, a separator may be further provided between the solid electrolyte membrane and the positive electrode.

일구현예에 따르면, 상기 양극은 산소의 환원을 위한 촉매를 더 구비할 수 있다.According to one embodiment, the anode may further comprise a catalyst for the reduction of oxygen.

일구현예에 따르면, 상기 수계 전해질은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막과 산소를 양극 활물질로 하는 양극 사이에 개재될 수 있다.According to one embodiment, the aqueous electrolyte may be interposed between the lithium ion conductive solid electrolyte membrane and the positive electrode using oxygen as the positive electrode active material.

일구현예에 따르면, 상기 수계전해질의 일부 또는 전부는 양극에 함침된 형태로 존재할 수 있다.According to one embodiment, some or all of the aqueous electrolyte may be present in a form impregnated in the positive electrode.

일구현예에 따르면, 상기 리튬 공기 전지는 상기 리튬 이온을 저장/방출 가능한 음극과 리튬 이온 전도성 고체 전해질막 사이에 비수계 전해질을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the lithium air battery may further include a non-aqueous electrolyte between the negative electrode capable of storing / releasing lithium ions and a lithium ion conductive solid electrolyte membrane.

수계 전해질을 사용하는 리튬 공기 전지에서, 방전 생성물로 인한 고체 전해질의 분해를 억제하여 전극의 내구성을 개선함으로써 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 공기 전지의 수명 특성을 개선하게 된다.In a lithium air battery using an aqueous electrolyte, it is possible to suppress the decomposition of the solid electrolyte due to the discharge product to improve durability of the electrode, thereby improving the life characteristics of the lithium air battery having a high energy density.

도 1은 비처리된 고체 전해질막의 표면을 나타내는 사진이다.
도 2는 염화 리튬으로 처리된 고체 전해질막의 표면을 나타내는 사진이다.
도 3은 수산화리튬으로 처리된 고체 전해질막의 표면을 나타내는 사진이다.
도 4는 일 구현예에 따른 리튬 공기 전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 5는 실험예 2에서 측정한 셀의 전기 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a photograph showing the surface of an untreated solid electrolyte membrane.
2 is a photograph showing the surface of a solid electrolyte membrane treated with lithium chloride.
3 is a photograph showing the surface of a solid electrolyte membrane treated with lithium hydroxide.
4 is a schematic view showing the structure of a lithium air battery according to one embodiment.
5 is a graph showing the electrical characteristics results of the cell measured in Experimental Example 2.

일태양에 따른 리튬 공기 전지는 리튬 이온을 흡장 방출 가능한 음극; 리튬 이온 전도성 고체 전해질막; 수계 전해질; 및 산소를 양극 활물질로 하는 양극;을 구비하며, 상기 수계 전해질은 수산화리튬과 리튬 할라이드를 포함한다.According to one embodiment, a lithium air battery includes a negative electrode capable of storing and releasing lithium ions; Lithium ion conductive solid electrolyte membrane; Aqueous electrolytes; And a cathode including oxygen as the cathode active material, wherein the aqueous electrolyte includes lithium hydroxide and lithium halide.

리튬 공기 전지는 전해질로서 수계 전해질과 비수계 전해질을 사용할 수 있으며, 수계 전해질을 사용하는 경우 하기 반응식과 같은 반응 메카니즘을 나타낸다:Lithium air cells may use an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte as electrolytes, and when an aqueous electrolyte is used, it exhibits a reaction mechanism such as the following scheme:

<반응식 1><Scheme 1>

4Li + O2 + 2H2O -> 4LiOH E o =3.45V4Li + O 2 + 2H 2 O-> 4LiOH E o = 3.45 V

즉, 음극으로부터 생성된 리튬이 양극의 산소와 만나 산화되는 과정에서 수계 전해질로부터 공급된 물이 반응에 참여하게 되어 리튬 수산화물이 생성된다.That is, in the process where lithium generated from the negative electrode meets and oxidizes with oxygen of the positive electrode, water supplied from the aqueous electrolyte participates in the reaction, thereby producing lithium hydroxide.

이와 같이 생성된 수산화리튬은 수계 전해질 내에서 용해된 상태로 존재하게 되며, 방전심도가 증가할수록 수계 전해질 내에서 그 농도가 점차 증가하게 된다.The lithium hydroxide thus produced is present in a dissolved state in the aqueous electrolyte, and its concentration gradually increases in the aqueous electrolyte as the depth of discharge increases.

생성된 수산화리튬에서 해리된 히드록시기는 하기 화학식 1에 나타낸 바와 같이 상기 음극을 보호하기 위하여 사용된 리튬 이온 전도성 고체 전해질막 내에 포함된 금속 이온과 반응하여 상기 전해질막의 구조를 손상시키게 된다.The hydroxyl group dissociated in the produced lithium hydroxide reacts with the metal ions contained in the lithium ion conductive solid electrolyte membrane used to protect the negative electrode, as shown in Formula 1, thereby damaging the structure of the electrolyte membrane.

<화학식 1><Formula 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

식중, M은 고체 전해질 막에 포함된 금속 이온을 나타낸다.In the formula, M represents a metal ion contained in the solid electrolyte membrane.

즉, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 수계 전해질 내에 포함된 물이 음극에 포함된 리튬과 직접적으로 반응하지 못하도록 보호하는 보호막 역할을 수행하도록 음극의 표면 상에 형성되는 바, 이와 같은 보호막이 상기 전지의 반응 생성물인 수산화리튬으로 인해 그 계면 구조가 변화되고 성분이 변화됨에 따라 상기 고체 전해질막의 저항이 증가하게 되며, 그 결과 전도도의 저하를 유발하여 전지 성능의 저하를 가져오게 된다.That is, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane is formed on the surface of the negative electrode to serve as a protective film to protect the water contained in the aqueous electrolyte from directly reacting with the lithium contained in the negative electrode. Lithium hydroxide, which is a reaction product, causes the resistance of the solid electrolyte membrane to increase as its interfacial structure is changed and its components are changed. As a result, a decrease in conductivity results in deterioration of battery performance.

그러나, 상기 수계 전해질 내에 리튬 할라이드를 용해시키면, LiOH의 해리도가 감소하여 용액의 pH가 감소하게 된다. However, dissolving lithium halides in the aqueous electrolyte decreases the dissociation degree of LiOH, thereby decreasing the pH of the solution.

도 1은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막의 일종인 리튬-알루미늄-티타늄-인산염(LATP)의 표면을 나타내며, 도 2는 상기 고체 전해질을 1M의 LiCl 용액 속에 3주간 방치한 후의 표면 상태를 나타내고, 도 3은 상기 고체 전해질을 1M의 LiOH 용액 속에 3주간 방치한 후의 표면 상태를 나타낸다. LiOH 용액 속에 방치한 LATP 고체전해질은 LiOH의 히드록시기가 고체 전해질의 금속 이온들과 반응하여 그 표면 상에 다량의 부산물이 발생하였으나, LiCl 속에 방치한 LATP 고체 전해질은 이와 같은 부산물이 거의 발생하지 않았음을 알 수 있다.FIG. 1 shows the surface of lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP), which is a type of lithium ion conductive solid electrolyte membrane, and FIG. 2 shows the surface state of the solid electrolyte after being left in a 1M LiCl solution for 3 weeks. Shows the surface state after leaving the solid electrolyte for 3 weeks in 1M LiOH solution. In the LATP solid electrolyte left in the LiOH solution, a large amount of by-products were generated on the surface of the hydroxy group of LiOH with the metal ions of the solid electrolyte, but the by-product of the LATP solid electrolyte left in LiCl generated little by-product. It can be seen.

따라서 수계 전해질 내에 리튬 할라이드를 포함시킴으로써 리튬 이온 전도성 고체 전해질막의 분해를 억제할 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 상기 수계 전해질 내에 포함되는 리튬 할라이드로서는 리튬 플루오로(LiF), 리튬 클로라이드(LiCl), 리틈 브로마이드(LiBr) 및 리튬 아이오다이드(LiI)를 예시할 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.Therefore, it can be seen that decomposition of the lithium ion conductive solid electrolyte membrane can be suppressed by including the lithium halide in the aqueous electrolyte. As such, the lithium halide included in the aqueous electrolyte may include lithium fluoro (LiF), lithium chloride (LiCl), recess bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI), which may be used alone or in combination of two or more. It can be mixed and used.

이들 리튬 할라이드는 수계 전해질 내에 용해된 상태로 존재하므로, 고농도, 예를 들어 포화농도의 함량까지 존재할 수 있다. 상기 포화농도의 예로서는, 리튬 플루오라이드의 경우 18℃에서 물 100ml에 0.27g이 용해될 수 있고, 리튬 클로라이드의 경우 20℃에서 물 100ml에 83.2g이 용해될 수 있으며, 리튬 브로마이드의 경우 20℃에서 물 100ml에 166.7g이 용해될 수 있고, 리튬 아이오다이드의 경우 20℃에서 물 100ml에 343g이 용해될 수 있다.Since these lithium halides are present in a dissolved state in the aqueous electrolyte, they may be present at high concentrations, for example up to a saturated concentration. As an example of the saturation concentration, 0.27g may be dissolved in 100ml of water at 18 ° C for lithium fluoride, 83.2g may be dissolved in 100ml of water at 20 ° C for lithium chloride, and 20 ° C at 20 ° C for lithium bromide 166.7 g may be dissolved in 100 ml of water, and in the case of lithium iodide, 343 g may be dissolved in 100 ml of water at 20 ° C.

상기 리튬 할라이드는, 예를 들어 상기 포화농도의 약 0.1% 내지 약 100%, 또는 약 10% 내지 약 100%의 함량으로 존재할 수 있다. 예를 들어 리튬 클로라이드가 포화농도의 50%의 함량으로 존재하는 경우는 20℃에서 물 100ml에 41.6g이 용해된 상태를 의미하며 포화농도의 100%의 함량으로 존재하는 경우 20℃에서 물 100ml에 83.2g이 용해된 상태를 의미한다.The lithium halide may be present, for example, in an amount of about 0.1% to about 100%, or about 10% to about 100% of the saturation concentration. For example, when lithium chloride is present at 50% of saturation concentration, it means that 41.6g is dissolved in 100ml of water at 20 ℃, and when 100% of saturation concentration is present at 100 ℃ of water. 83.2 g is dissolved.

상기 리튬 할라이드의 예인 리튬 클로라이드는 상기 수계 전해질 내에 물 100중량부당 약 1중량부 내지 약 83중량부의 함량으로 존재할 수 있으며, 리튬 플루오라이드는 물 100중량부 당 약 0.01 내지 약 0.27중량부의 함량으로 존재할 수 있고, 리튬 브로마이드는 물 100중량부당 약 1 내지 약 166중량부의 함량으로 존재할 수 있으며, 리튬 아이오다이드는 물 100중량부당 약 1 내지 433중량부의 함량으로 존재할 수 있다.Lithium chloride as an example of the lithium halide may be present in the aqueous electrolyte in an amount of about 1 part by weight to about 83 parts by weight per 100 parts by weight of water, and lithium fluoride may be present in an amount of about 0.01 to about 0.27 parts by weight per 100 parts by weight of water. Lithium bromide may be present in an amount of about 1 to about 166 parts by weight per 100 parts by weight of water, and lithium iodide may be present in an amount of about 1 to 433 parts by weight per 100 parts by weight of water.

상기 리튬 할라이드에 의해 보호되는 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 금속이온을 함유하며, 음극과 양극 사이에 위치한다. 또한 리튬이온만을 통과시키므로 음극에 포함된 리튬을 물로부터 보호하는 보호막 역할을 수행하게 된다. 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 있다. 화학적 안정성을 고려할 때, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 산화물을 예로 들 수 있다.The lithium ion conductive solid electrolyte membrane protected by the lithium halide contains metal ions and is located between the negative electrode and the positive electrode. In addition, since only lithium ions pass through, it serves as a protective film for protecting lithium contained in the negative electrode from water. As such a lithium ion conductive solid electrolyte membrane, an inorganic material containing lithium ion conductive glass, lithium ion conductive crystal (ceramic or glass-ceramic), or a mixture thereof can be exemplified. In consideration of chemical stability, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may include an oxide.

상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 리튬 이온 전도성 결정을 다량 포함하는 경우 높은 이온 전도도가 얻어지므로, 예를 들어 리튬 이온 전도성 결정을 고체 전해질막 전체 중량에 대하여 예를 들어, 50중량% 이상, 55중량% 이상, 또는 55중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.Since the high ion conductivity is obtained when the lithium ion conductive solid electrolyte membrane contains a large amount of lithium ion conductive crystals, for example, the lithium ion conductive crystal may be, for example, 50 wt% or more and 55 wt% based on the total weight of the solid electrolyte membrane. Or at least 55% by weight.

상기 리튬 이온 전도성 결정으로서는, Li3N, LISICON류, La0.55Li0.35TiO3 등의 리튬 이온 전도성을 가지는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 결정, NASICON형 구조를 가지는 LiTi2P3O12, 또는 이들 결정을 석출시키는 글래스-세라믹을 사용할 수 있다.Examples of the lithium ion conductive crystals include a crystal having a perovskite structure having lithium ion conductivity such as Li 3 N, LISICON, La 0.55 Li 0.35 TiO 3, and LiTi 2 P 3 O 12 having a NASICON structure. Or glass-ceramic to precipitate these crystals can be used.

상기 리튬 이온 전도성 결정으로서는 예를 들어, Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 (단, O≤x≤1, O≤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 결정이, 이온 전도를 저해하는 결정립계를 포함하지 않는 결정인 경우에는 전도성 측면에서 글래스하다. 예를 들어, 글래스-세라믹은 이온 전도를 방해하는 기공이나 결정립계를 거의 가지고 있지 않기 때문에, 이온 전도성이 높고, 아울러, 우수한 화학적 안정성을 가질 수 있다.Examples of the lithium ion conductive crystal include Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (where O ≦ x ≦ 1 and O ≦ y ≤ 1, for example, 0 ≤ x ≤ 0.4, 0 <y ≤ 0.6, or 0.1 ≤ x ≤ 0.3, 0.1 <y ≤ 0.4). When the crystal is a crystal that does not contain a grain boundary that inhibits ion conduction, the crystal is glass in terms of conductivity. For example, the glass-ceramic has almost no pores or grain boundaries that interfere with ion conduction, so that the glass-ceramic may have high ion conductivity and excellent chemical stability.

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.Examples of the lithium ion conductive glass-ceramic include lithium-aluminum-germanium-phosphate (LAGP), lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP), lithium-aluminum-titanium-silicon-phosphate (LATSP), and the like. have.

예를 들어, 모글래스가 Li2O-Al2O3-TiO2-SiO2-P2O5계 조성을 가지며, 상기 모글래스를 열처리하여 결정화하는 경우, 이 때의 주결정상은 Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 (0≤x≤1, O≤y≤1)이 되며, 이때, x 및 y로서는 예를 들어 0≤x≤0.4, 또는 0<y≤0.6, 또는 0.1≤x≤0.3, 0.1<y≤0.4이다.For example, when the mother glass has a Li 2 O—Al 2 O 3 —TiO 2 —SiO 2 —P 2 O 5 system composition, and the crystallization is carried out by heat treatment of the glass, the main crystal phase at this time is Li 1 + x. + y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ≦ x ≦ 1, O ≦ y ≦ 1), where x and y are, for example, 0 ≦ x ≦ 0.4, or 0 < y ≦ 0.6, or 0.1 ≦ x ≦ 0.3, and 0.1 <y ≦ 0.4.

여기서, 이온 전도를 방해하는 구멍이나 결정립계란, 리튬 이온 전도성 결정을 포함하는 무기 물질 전체의 전도도를, 상기 무기 물질 중의 리튬 이온 전도성 결정 그 자체의 전도도에 대해 1/10 이하의 값으로 감소시키는 구멍이나 결정립계 등의 이온 전도성 저해 물질을 칭한다.Here, the hole or grain boundary which impedes ion conduction is a hole which reduces the conductivity of the whole inorganic material containing lithium ion conductive crystal to the value of 1/10 or less with respect to the conductivity of the lithium ion conductive crystal itself in the said inorganic material. Or ion conductivity inhibiting substances such as grain boundaries.

또한, 상기 글래스-세라믹이란 글래스를 열처리함으로써 글래스상 중에 결정상을 석출시켜 얻어지는 재료로서, 비정질 고체와 결정으로 이루어진 재료를 일컬으며, 아울러, 글래스상 모두를 결정상으로 상전이시킨 재료, 예를 들어 재료 중의 결정량(결정화도)이 100질량%인 재료를 포함할 수 있다. 그리고 100% 결정화시킨 재료라도, 글래스-세라믹의 경우에는 결정 입자 사이나 결정 중에 구멍이 거의 존재하지 않는다.The glass-ceramic is a material obtained by precipitating a crystal phase in a glass phase by heat-treating the glass. The glass-ceramic refers to a material composed of an amorphous solid and a crystal, and in addition, a material in which all the glass phases are phase-transformed into a crystal phase, for example, It may contain a material having a crystal amount (crystallinity) of 100% by mass. And even in the case of 100% crystallized material, in the case of glass-ceramic, there are almost no holes between the crystal grains and in the crystals.

상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 상기 글래스 세라믹을 다량 포함함으로써, 높은 이온 전도율을 얻을 수 있기 때문에, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막 중에 80 중량% 이상의 리튬 이온 전도성 글래스 세라믹을 포함할 수 있으며, 보다 높은 이온 전도율을 얻기 위해서는 상기 리튬 이온 전도성 글래스 세라믹을 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.Since the lithium ion conductive solid electrolyte membrane includes a large amount of the glass ceramic, and thus high ion conductivity can be obtained, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may include 80 wt% or more of lithium ion conductive glass ceramic in the lithium ion conductive solid electrolyte membrane. In order to obtain conductivity, the lithium ion conductive glass ceramic may be included in an amount of 85 wt% or more or 90 wt% or more.

상기 글래스-세라믹에 포함된 Li2O 성분은 Li+ 이온 캐리어를 제공하며, 리튬 이온 전도성을 얻기에 유용한 성분이다. 양호한 이온 전도율을 보다 쉽게 얻기 위해서는 상기 Li2O 성분의 함유량은 12% 이상, 13% 이상, 또는 14%인 것을 예시할 수 있다. 한편, Li2O 성분의 함유량이 너무 많은 경우에는 글래스의 열적 안정성이 악화되기 쉽고, 글래스 세라믹의 전도율도 쉽게 저하되기 때문에, 상기 Li2O 성분은 함유량 상한은 18%, 17% 또는 16%의 값을 가질 수 있다.The Li 2 O component included in the glass-ceramic provides a Li + ion carrier and is a useful component for obtaining lithium ion conductivity. In order to obtain a good ion conductivity can be more easily illustrates the content of the Li 2 O component is 12% or higher, 13% or more, or 14%. On the other hand, when the content of the Li 2 O component is too large, the thermal stability of the glass is easily deteriorated, and the conductivity of the glass ceramic is also easily lowered. Therefore, the upper limit of the Li 2 O component is 18%, 17% or 16%. It can have a value.

상기 글래스-세라믹에 포함된 Al2O3 성분은 모글래스의 열적 안정성을 향상시킬 수 있는 동시에, Al3+ 이온이 상기 결정상에 고용되어, 리튬 이온 전도율 향상에도 효과가 있다. 보다 쉽게 이 효과를 얻기 위해서는 상기 Al2O3 성분의 함유량 하한이 5%, 5.5% 또는 6%인 것을 예시할 수 있다. 그러나, 상기 Al2O3 성분의 함유량이 10%를 초과하는 경우에는 오히려 글래스의 열적 안정성이 악화되기 쉽고, 상기 글래스 세라믹의 전도율 역시 저하되기 쉽기 때문에, 상기 Al2O3 성분의 함유량 상한은 10%, 9.5%, 또는 9%인 것을 예시할 수 있다.The Al 2 O 3 component included in the glass-ceramic can improve the thermal stability of the moglass , while Al 3+ ions are dissolved in the crystal phase, which is effective in improving the lithium ion conductivity. In order to obtain this effect more easily, it can be illustrated that the lower limit of the content of the Al 2 O 3 component is 5%, 5.5% or 6%. However, when the content of the Al 2 O 3 component exceeds 10%, the thermal stability of the glass tends to deteriorate, and the conductivity of the glass ceramic tends to be lowered, so the upper limit of the content of the Al 2 O 3 component is 10. It may be illustrated that it is%, 9.5%, or 9%.

상기 글래스-세라믹에 포함된 TiO2 성분은 글래스의 형성에 기여하고, 상기 결정상의 구성 성분이기도 하며, 글래스 및 상기 결정에 있어서 유용한 성분이다. 글래스화하기 위해서, 그리고 상기 결정상이 주상으로서 글래스로부터 석출되어, 높은 이온 전도율을 보다 용이하게 얻기 위해서는 상기 TiO2 성분의 함유량 하한이 35%, 36% 또는 37%인 것을 예시할 수 있다. 한편, 상기 TiO2 성분의 함유량이 너무 많은 경우에는 상기 글래스의 열적 안정성이 악화되기 쉽고, 상기 글래스 세라믹의 전도율 역시 쉽게 저하되기 때문에, 상기 TiO2 성분 함유량의 상한은 45%, 43%, 또는 42%인 것을 예시할 수 있다.The TiO 2 component included in the glass-ceramic contributes to the formation of glass, is also a constituent of the crystalline phase, and is a useful component in the glass and the crystal. It can be illustrated that the lower limit of the content of the TiO 2 component is 35%, 36%, or 37% for the purpose of glassization, and for the crystal phase to be precipitated from the glass as a main phase to obtain high ionic conductivity more easily. On the other hand, when the content of the TiO 2 component is too large, the thermal stability of the glass tends to deteriorate easily, and the conductivity of the glass ceramic is also easily lowered, so the upper limit of the TiO 2 component content is 45%, 43%, or 42. It can illustrate that it is%.

상기 글래스-세라믹에 포함된 SiO2 성분은 모글래스의 용융성 및 열적 안정성을 향상시킬 수 있는 동시에, Si4+ 이온이 상기 결정상에 고용되어, 리튬 이온 전도율의 향상에도 기여한다. 이 효과를 보다 충분히 얻기 위해서는 상기 SiO2 성분 함유량의 하한이 1%, 2%, 또는 3%인 것을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 SiO2 성분의 함유량이 너무 많은 경우에는 오히려 전도율이 저하되기 쉬우므로, 상기 SiO2 성분의 함유량 상한은 10%, 8% 또는 7%인 것을 예시할 수 있다. The SiO 2 component included in the glass-ceramic can improve the meltability and thermal stability of the moglass , while Si 4+ ions are dissolved in the crystal phase, thereby contributing to the improvement of the lithium ion conductivity. In order to obtain this effect more fully, the lower limit of the SiO 2 component content may be 1%, 2%, or 3%. However, when the content of the SiO 2 component is too large, the conductivity tends to be lowered. Therefore, the upper limit of the content of the SiO 2 component may be 10%, 8% or 7%.

상기 글래스-세라믹에 포함된 P2O5 성분은 글래스의 형성에 유용한 성분이고, 아울러, 상기 결정상의 구성 성분이기도 하다. 상기 P2O5 성분의 함유량은 30% 미만인 경우에는 글래스화하기 어려우므로, 상기 P2O5 성분의 함유량 하한은 30%, 32%, 또는 33%인 것을 예시할 수 있다. 한편, 상기 P2O5 성분의 함유량이 40%를 초과하는 경우에는 상기 결정상이 글래스로부터 석출되기 어렵고, 원하는 특성을 얻기 어려워지기 때문에, 상기 P2O5 성분의 함유량 상한은 40%, 39% 또는 38%인 것을 예시할 수 있다.The P 2 O 5 component contained in the glass-ceramic is a component useful for forming glass, and is also a constituent of the crystalline phase. Content is less than 30% of the P 2 O 5 component, there can be mentioned that it is difficult to screen the glass, the content is 30% the lower limit of the P 2O 5 ingredient, 32%, or 33% a. On the other hand, when the content of the P 2 O 5 component exceeds 40%, the crystal phase hardly precipitates from the glass, and it becomes difficult to obtain desired characteristics, so the upper limit of the content of the P 2 O 5 component is 40%, 39%. Or 38%.

상기 조성의 경우, 용융 글래스를 캐스트하여, 용이하게 글래스를 얻을 수 있고, 이 글래스를 열처리하여 얻어진 상기 결정상을 가지는 글래스 세라믹은 1ㅧ10-3 Sㆍ㎝-1 의 높은 리튬 이온 전도성을 가질 수 있게 된다.In the case of the above composition, the molten glass can be cast to obtain glass easily, and the glass ceramic having the crystal phase obtained by heat treatment of the glass can have a high lithium ion conductivity of 1x10 -3 S · cm -1 . Will be.

또한, 상기 조성 이외에도, 유사한 결정 구조를 가지는 글래스 세라믹을 사용하는 경우라면, Al2O3 성분을 Ga2O3 성분으로, TiO2 성분을 GeO2 성분으로, 그 일부 또는 전부를 치환할 수도 있다. 아울러, 상기 글래스 세라믹의 제조 시, 그 융점을 저하시키거나, 또는 글래스의 안정성을 향상시키기 위해, 이온 전도성을 크게 악화시키지 않는 범위에서 다른 원료를 미량 첨가할 수도 있다.In addition to the above composition, if a glass ceramic having a similar crystal structure is used, the Al 2 O 3 component may be replaced by the Ga 2 O 3 component, the TiO 2 component may be replaced by the GeO 2 component, or a part or the whole thereof may be substituted. . In addition, in the manufacture of the glass ceramic, other raw materials may be added in a small amount so as not to significantly deteriorate the ionic conductivity in order to lower the melting point or improve the stability of the glass.

상기와 같은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 글래스-세라믹 성분 외에 고분자 고체 전해질 성분을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 고분자 고체 전해질은 리튬염이 도핑된 폴리 에틸렌옥사이드로서, 상기 리튬염으로서는 LiN(SO2CF2CF3)2, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 등을 예시할 수 있다.The lithium ion conductive solid electrolyte membrane as described above may further include a polymer solid electrolyte component in addition to the glass-ceramic component. Such a polymer solid electrolyte is a lithium salt doped polyethylene oxide, the lithium salt is LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 3 CF 3 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlCl 4 , and the like. It can be illustrated.

상기 고분자 고체 전해질은 상기 글래스-세라믹과 적층 구조체를 형성할 수 있으며, 상기 성분을 포함하는 제1 고분자 고체 전해질과 제2 고분자 고체 전해질 사이에 상기 글래스-세라믹이 개재될 수 있다.The polymer solid electrolyte may form a stack structure with the glass-ceramic, and the glass-ceramic may be interposed between the first polymer solid electrolyte and the second polymer solid electrolyte including the component.

상술한 바와 같은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 리튬 이온을 저장/방출할 수 있는 음극의 일표면 상에 형성되어 음극이 수계 전해질과 반응하지 못하도록 보호하게 되며, 리튬 이온만을 통과시키게 된다.The lithium ion conductive solid electrolyte membrane as described above is formed on one surface of the negative electrode capable of storing / discharging lithium ions to protect the negative electrode from reacting with the aqueous electrolyte and to pass only lithium ions.

상기 리튬 이온을 저장/방출할 수 있는 음극으로서는 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound) 등을 사용할 수 있다. 상기 리튬 금속 기반의 합금으로서는 예를 들어 알루미늄, 주석, 마그네슘, 인듐, 칼슘, 티타늄, 바나듐 등과 리튬의 합금을 들 수 있다.As the negative electrode capable of storing / releasing lithium ions, a lithium metal, a lithium metal-based alloy, a lithium intercalating compound, or the like may be used. Examples of the lithium metal-based alloys include alloys of aluminum, tin, magnesium, indium, calcium, titanium, vanadium and lithium.

일구현예에 따른 리튬공기전지는, 상술한 바와 같은 리튬 이온을 저장/방출 가능한 음극과 리튬 이온 전도성 고체 전해질막 사이에 비수계 전해질을 더 포함할 수 있으며, 이와 같은 비수계 전해질은 상기 리튬공기전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 수행할 수 있다.The lithium air battery according to one embodiment may further include a non-aqueous electrolyte between the negative electrode capable of storing and releasing lithium ions as described above and a lithium ion conductive solid electrolyte membrane, and the non-aqueous electrolyte may include the lithium air. The ions involved in the electrochemical reaction of the battery may serve as a medium for moving.

또한, 상기 비수계 전해질로서 물을 포함하지 않는 유기용매를 사용할 수 있으며, 이와 같은 비수계 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계 용매, 유기인(organophosphorous)계 용매 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 유기황계 및 유기인계 용매로는 메탄설포닐클로라이드(methanesulfonyl chloride)와 p-트리클로로-n-디클로로포스포릴모노포스파젠(p-Trichloro-n-dichlorophosphorylmonophosphazene) 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있음) 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.In addition, an organic solvent containing no water may be used as the non-aqueous electrolyte, and the non-aqueous organic solvent may be a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, organosulfur solvent, or organic phosphorus ( organophosphorous solvents or aprotic solvents may be used. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (EMC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), and methylethyl carbonate. (MEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), butylene carbonate (BC) and the like may be used, and the ester solvent may be methyl acetate, ethyl acetate, n- Propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, and the like may be used. Can be. Examples of the ether solvent include dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, and tetrahydrofuran. As the ketone solvent, cyclohexanone may be used have. In addition, methanesulfonyl chloride and p-trichloro-n-dichlorophosphoryl monophosphazene may be used as the organic sulfur-based and organophosphorus-based solvents. As a magnetic solvent, nitriles, such as R-CN (R is a C2-C20 linear, branched, or ring-shaped hydrocarbon group and may contain a double bond aromatic ring or an ether bond), dimethylformamide Amides, such as dioxolane sulfolanes, such as 1, 3- dioxolane, etc. can be used.

상기 비수계 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.The non-aqueous organic solvents may be used singly or in combination of one or more. If one or more of the non-aqueous organic solvents are used in combination, the mixing ratio may be appropriately adjusted depending on the performance of the desired battery. .

상기 비수계 유기용매는 리튬염을 포함할 수 있으며, 상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 예를 들어 음극과 리튬 이온 전도성 고체 전해질막 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 상기 리튬염으로는 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, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로, 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The non-aqueous organic solvent may include a lithium salt, and the lithium salt may be dissolved in an organic solvent to serve as a source of lithium ions in the battery, for example, lithium between the negative electrode and the lithium ion conductive solid electrolyte membrane. It can serve to promote the movement of ions. Examples of the lithium salt include 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, LiI and LiB (C 2 O 4 ) 2 (lithium bis (oxalato) borate (LiBOB) may be used one or two or more selected from the group consisting of. The concentration of the lithium salt may be used within the range of 0.1 to 2.0M. When the concentration of the salt is included in the above range, since the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity, it can exhibit excellent electrolyte performance, and lithium ions can move effectively.

상기 비수계 유기용매는 리튬염 이외에도 다른 금속염을 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들면 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등이 있다.The non-aqueous organic solvent may further include other metal salts in addition to lithium salts, for example, AlCl 3 , MgCl 2 , NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl 2, and the like.

한편, 산소를 양극 활물질로 하는 양극으로서는 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 재료를 사용할 수 있다. 이와 같은 탄소계 재료로서는 카본 블랙류, 그래파이트류, 그라펜류, 활성탄류, 탄소섬유류 등을 사용할 수 있다.On the other hand, as the positive electrode having oxygen as the positive electrode active material, any material having porosity and conductivity can be used without limitation. For example, a carbon-based material having porosity can be used. As such carbon-based materials, carbon blacks, graphites, graphenes, activated carbons, carbon fibers and the like can be used.

상기 양극에는 산소의 환원을 위한 촉매가 첨가될 수 있으며, 이와 같은 촉매로서는 백금, 금, 은, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴과 같은 귀금속계 촉매, 망간산화물, 철산화물, 코발트산화물, 니켈산화물 등과 같은 산화물계 촉매, 또는 코발트 프탈로시아닌과 같은 유기금속계 촉매를 사용할 수 있다. A catalyst for reducing oxygen may be added to the anode, and the catalyst may be a noble metal catalyst such as platinum, gold, silver, palladium, ruthenium, rhodium, or osmium, manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, or the like. The same oxide catalyst or organometallic catalyst such as cobalt phthalocyanine can be used.

또한 상기 양극과 음극 사이에는 세퍼레이터를 배치하는 것도 가능하다. 이와 같은 세퍼레이터로서는 리튬 공기 전지의 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.It is also possible to arrange a separator between the anode and the cathode. Such a separator is not limited as long as it can withstand the range of use of the lithium air battery, and for example, polymer nonwoven fabric such as polypropylene nonwoven fabric or polyphenylene sulfide nonwoven fabric, and olefin resin such as polyethylene or polypropylene. The porous film of the can be illustrated, It is also possible to use 2 or more types together.

상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 일표면상에 형성된 음극과 산소를 활물질로 하는 양극 사이에는 수계 전해질이 존재하는 바, 이와 같은 수계 전해질은 물을 주용매로 하며, 여기에 리튬 할라이드가 포함된다. 또한 리튬 공기 전지의 반응 메카니즘에 따라 수산화리튬이 상기 수계 전해질 내에서 변화되는 농도를 갖고 존재하게 된다.An aqueous electrolyte is present between a cathode formed on one surface of the lithium ion conductive solid electrolyte membrane and an anode including oxygen as an active material. The aqueous electrolyte includes water as a main solvent and lithium halides. In addition, depending on the reaction mechanism of the lithium air battery, lithium hydroxide is present with a varying concentration in the aqueous electrolyte.

이와 같은 수계 전해질은 상기 리튬 이온 전도성 고체전해질막과 양극 사이에 개재되는 것으로 기재하나, 고체가 아닌 액체의 특성상 상기 수계전해질의 일부 또는 전부가 양극 구조물에 함침된 형태로 존재하는 것도 가능하며, 더불어 세퍼레이터가 존재하는 경우, 상기 세퍼레이터에 함침된 형태로도 존재할 수 있음은 물론이다.Such an aqueous electrolyte is described as being interposed between the lithium ion conductive solid electrolyte membrane and the positive electrode, but it is also possible that some or all of the aqueous electrolyte is present in a form impregnated in the positive electrode structure due to the characteristics of the liquid rather than solid. When the separator is present, it may be present in the form impregnated with the separator.

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.As used herein, the term "air" is not limited to atmospheric air, and may include a combination of gases including oxygen, or pure oxygen gas. The broad definition of this term “air” can be applied to all applications, for example air cells, air anodes and the like.

상기 리튬 공기 전지는 리튬 1차 전지, 리튬 2차 전지에 모두 사용가능하다. 또한 그 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형, 뿔형 등을 예시할 수 있다. 또한 전기 자동차 등에 이용하는 대형 전지에도 적용할 수 있다. The lithium air battery may be used in both a lithium primary battery and a lithium secondary battery. In addition, the shape is not specifically limited, For example, a coin type, a button type, a sheet type, lamination | stacking type, a cylindrical shape, a flat shape, a horn shape, etc. can be illustrated. The present invention can also be applied to large batteries used in electric vehicles.

상기 리튬 공기 전지의 일예를 도 4에 모식적으로 도시한다. 이 리튬 공기 전지(10)은 제1 집전체(12)에 형성되는 산소를 활물질로 하는 양극(13), 제2 집전체(14)에 인접하는 리튬의 저장/방출이 가능한 음극(15)과의 사이에 수계 전해질(18)이 개재되어 있으며, 상기 음극(15)의 일표면에는 리튬 이온 전도성 고체 전해질막(16)이 형성되어 있다. 상기 고체 전해질막(16)과 양극(13) 사이에는 세퍼레이터(미도시)가 배치될 수 있다.An example of the said lithium air battery is shown typically in FIG. The lithium air battery 10 includes a positive electrode 13 having oxygen formed in the first current collector 12 as an active material, and a negative electrode 15 capable of storing / releasing lithium adjacent to the second current collector 14. An aqueous electrolyte 18 is interposed therebetween, and a lithium ion conductive solid electrolyte membrane 16 is formed on one surface of the negative electrode 15. A separator (not shown) may be disposed between the solid electrolyte membrane 16 and the anode 13.

이하에서는 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but is not limited thereto.

비교예 1Comparative Example 1

물 20mL에 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다. Lithium hydroxide was added to 5 M in 20 mL of water, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실시예 1Example 1

물 20mL에 리튬 클로라이드를 1M로 가한 후, 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다.After adding lithium chloride to 1M in 20mL of water, lithium hydroxide was added to 5M and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실시예 2Example 2

물 20mL에 리튬 클로라이드를 3M로 가한 후, 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다.After adding lithium chloride to 3M in 20mL of water, lithium hydroxide was added to 5M and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실시예 3Example 3

물 20mL에 리튬 클로라이드를 5M로 가한 후, 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다.After adding lithium chloride to 5M in 20mL of water, lithium hydroxide was added to 5M and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실시예 4Example 4

물 20mL에 리튬 클로라이드를 8M로 가한 후, 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다.After adding lithium chloride to 8M in 20mL of water, lithium hydroxide was added to 5M and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실시예 5Example 5

물 20mL에 리튬 클로라이드를 10M로 가한 후, 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다.After adding lithium chloride to 10M in 20mL of water, lithium hydroxide was added to 5M and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실시예 6Example 6

물 20mL에 리튬 클로라이드를 15M로 가한 후, 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다.After adding lithium chloride to 15M in 20mL of water, lithium hydroxide was added to 5M and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실시예 7Example 7

물 20mL에 리튬 클로라이드를 포화시킨 후, 수산화리튬을 5M로 가하고 pH meter로 용액의 pH를 측정하였다.After saturating lithium chloride in 20 mL of water, lithium hydroxide was added to 5 M and the pH of the solution was measured with a pH meter.

실험예 1Experimental Example 1

상기 비교예 1 및 실시예 1 내지 7의 pH 측정 결과를 하기 표 1에 기재하였다.The pH measurement results of Comparative Example 1 and Examples 1 to 7 are shown in Table 1 below.

구분division LiOH 농도(M)LiOH concentration (M) LiCl 농도 (M)LiCl concentration (M) pHpH 비교예 1 Comparative Example 1 55 00 14.0314.03 실시예 1Example 1 55 1One 11.7311.73 실시예 2Example 2 55 33 11.3711.37 실시예 3Example 3 55 55 10.7210.72 실시예 4Example 4 55 88 9.969.96 실시예 5Example 5 55 1010 9.369.36 실시예 6Example 6 55 1515 8.558.55 실시예 7Example 7 55 포화saturation 8.148.14

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 7에서 LiCl의 농도를 증가시킴에 따라 pH가 낮아짐을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과를 통해, LiCl의 첨가에 의해 5M의 수산화나트륨 용액의 해리도가 낮아진 것임을 알 수 있다.As can be seen in Table 1, it can be seen that the pH is lowered by increasing the concentration of LiCl in Examples 1 to 7. Through this result, it can be seen that the dissociation degree of 5M sodium hydroxide solution is lowered by the addition of LiCl.

제조예 1: 리튬 이온 전도성 고분자 전해질막Preparation Example 1 Lithium Ion Conductive Polymer Electrolyte Membrane

시약은 시약 등급의 LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 제조회사 Aldrich), PEO (Polyethylene oxide, 분자량 ~600,000, 제조회사 Aldrich) 및 ACN (Acetonitrile, 제조회사 Aldrich)을 사용하였다. 0.5g의 LiTFSI를 50mL 아세토니트릴에 용해하고, 여기에 PEO 1.4g 을 첨가하여 12시간 동안 교반하였다. 그 후 PTFE 접시에 상기 용액을 가한 후, 질소 기체하에 40oC에서 24시간 동안 건조하고, 150oC에서 24시간 동안 진공건조하여 리튬 이온 전도성 고분자 전해질 막을 얻은 후 이를 1.5cm x 1.5cm 크기로 절단하였다. Reagents were reagent grade LiTFSI (Lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, Aldrich), PEO (Polyethylene oxide, molecular weight ~ 600,000, Aldrich) and ACN (Acetonitrile, Aldrich). 0.5 g of LiTFSI was dissolved in 50 mL acetonitrile, and 1.4 g of PEO was added thereto and stirred for 12 hours. The solution was then added to a PTFE dish, dried at 40 ° C. for 24 hours under nitrogen gas, and vacuum dried at 150 ° C. for 24 hours to obtain a lithium ion conductive polymer electrolyte membrane, which was then 1.5 cm × 1.5 cm in size. Cut.

제조예 2: 보호된 리튬 음극Preparation Example 2: Protected Lithium Anode

5cm x 5cm 크기의 알루미늄 필름(Polypropylene coated aluminum film, 200 ㎛) 중앙에 1cm x 1cm를 천공하고 접착제를 이용하여 1.4cm x 1.4cm 의 LATP 필름 (두께 150㎛, 제조회사 Ohara corporation)으로 구멍을 막아 일부분이 LATP로 되어 있는 알루미늄 필름을 제조하였다. 5cm x 5cm 크기의 새로운 알루미늄 필름, 구리 집전체 (두께 20㎛), 리튬 호일(1.4cm x 1.4 cm, 두께 100㎛), 상기 제조예 1에서 제조한 리튬 이온 전도성 고분자 전해질막, 상기 제조한 알루미늄 필름을 적층하고 진공 가열 접착하여 알루미늄 파우치 타입의 보호된 리튬 음극을 얻었다.Punch a 1cm x 1cm in the center of a 5cm x 5cm polypropylene coated aluminum film (200 ㎛) and close the hole with a 1.4cm x 1.4cm LATP film (150㎛ thick, Ohara corporation) using an adhesive. An aluminum film was made with a portion of LATP. New aluminum film of 5 cm x 5 cm, copper current collector (thickness 20 μm), lithium foil (1.4 cm x 1.4 cm, thickness 100 μm), lithium ion conductive polymer electrolyte membrane prepared in Preparation Example 1, aluminum prepared above The films were laminated and vacuum heated to obtain a protected lithium cathode of aluminum pouch type.

실시예 8Example 8

물 20mL에 수산화리튬 및 리튬 클로라이드를 모두 포화시켰다. 상기 포화용액에 1cm x 1cm 크기의 LATP 고체 전해질막을 침지하고, 50℃에서 3주간 방치하였다.Both lithium hydroxide and lithium chloride were saturated in 20 mL of water. A 1 cm x 1 cm sized LATP solid electrolyte membrane was immersed in the saturated solution, and left at 50 ° C. for 3 weeks.

실시예 9Example 9

물 20mL에 수산화리튬을 0.01M로 가하고, 리튬 클로라이드를 포화시켰다. 상기 포화용액에 1cm x 1cm 크기의 LATP 고체 전해질막을 침지하고, 50℃에서 3주간 방치하였다.Lithium hydroxide was added to 0.01 M in 20 mL of water, and lithium chloride was saturated. A 1 cm x 1 cm sized LATP solid electrolyte membrane was immersed in the saturated solution, and left at 50 ° C. for 3 weeks.

실시예 10Example 10

물 20mL에 수산화리튬을 0.001M로 가하고, 리튬 클로라이드를 포화시켰다. 상기 포화용액에 1cm x 1cm 크기의 LATP 고체 전해질막을 침지하고, 50℃에서 3주간 방치하였다.Lithium hydroxide was added to 0.001 M in 20 mL of water, and lithium chloride was saturated. A 1 cm x 1 cm sized LATP solid electrolyte membrane was immersed in the saturated solution, and left at 50 ° C. for 3 weeks.

비교예 2Comparative Example 2

물 20mL에 수산화리튬을 0.01M로 가하였다. 상기 용액에 1cm x 1cm 크기의 LATP 고체 전해질막을 침지하고, 50℃에서 3주간 방치하였다.Lithium hydroxide was added at 0.01 M to 20 mL of water. 1 cm x 1 cm sized LATP solid electrolyte membrane was immersed in the solution, and left to stand at 50 ℃ for 3 weeks.

비교예 3Comparative Example 3

물 20mL에 수산화리튬을 0.001M로 가하였다. 상기 용액에 1cm x 1cm 크기의 LATP 고체 전해질막을 침지하고, 50℃에서 3주간 방치하였다.Lithium hydroxide was added at 0.001M to 20 mL of water. 1 cm x 1 cm sized LATP solid electrolyte membrane was immersed in the solution, and left to stand at 50 ℃ for 3 weeks.

비교예 4Comparative Example 4

물 20mL에 수산화리튬을 1M로 가하였다. 상기 용액에 1cm x 1cm 크기의 LATP 고체 전해질막을 침지하고, 50℃에서 1주간 방치하였다.Lithium hydroxide was added to 1 M in 20 mL of water. 1 cm x 1 cm sized LATP solid electrolyte membrane was immersed in the solution, and left to stand at 50 ℃ for 1 week.

비교예 5Comparative Example 5

물 20mL에 수산화리튬을 1M로 가하였다. 상기 용액에 1cm x 1cm 크기의 LATP 고체 전해질막을 침지하고, 50℃에서 6개월간 방치하였다.Lithium hydroxide was added to 1 M in 20 mL of water. The solution was immersed in a 1 cm x 1 cm size of LATP solid electrolyte membrane, and left for 6 months at 50 ℃.

실험예 2Experimental Example 2

상기 실시예 8 내지 10 및 비교예 2 내지 5의 결과물인 LATP 필름을 깨끗한 물로 세척하고 건조한 후, 양면에 100 nm 두께의 금을 스퍼터링 방법으로 코팅한다. 이어서, 구리 호일을 집전체로 사용하는 알루미늄 파우치 타입 대칭 셀(Aluminum pouch type symmetrical cell)을 제조하여 25℃에서 전도도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 기재한다.The resulting LATP films of Examples 8 to 10 and Comparative Examples 2 to 5 were washed with clean water and dried, and then coated with 100 nm thick gold on both sides by sputtering. Subsequently, an aluminum pouch type symmetrical cell using a copper foil as a current collector was prepared, the conductivity was measured at 25 ° C., and the results are shown in Table 2 below.

구분division LiOH 농도(M)LiOH concentration (M) LiCl 농도 (M)LiCl concentration (M) 전도도 (25℃, Scm-1)Conductivity (25 ℃, Scm -1 ) 실시예 8Example 8 포화saturation 포화saturation 2.28 X 10-4 2.28 X 10 -4 실시예 9Example 9 0.010.01 포화saturation 2.30 X 10-4 2.30 X 10 -4 실시예 10Example 10 0.0010.001 포화saturation 2.30 X 10-4 2.30 X 10 -4 비교예 2Comparative Example 2 0.010.01 00 1.40 X 10-4 1.40 X 10 -4 비교예 3Comparative Example 3 0.0010.001 00 1.76 X 10-4 1.76 X 10 -4 비교예 4Comparative Example 4 1One 00 2.30 X 10-5 2.30 X 10 -5 비교예 5Comparative Example 5 1One 00 5.20 X 10-7 5.20 X 10 -7 미처리 LATPUntreated LATP -- -- 2.37 X 10-4 2.37 X 10 -4

상기 표 2의 기재로부터 알 수 있는 바와 같이, 수산화리튬만이 존재하는 비교예 2 내지 5에서는 수산화리튬과 고체전해질막과의 반응으로 인해 고체전해질의 전도도가 감소하였으나, 수산화리튬과 함께 리튬 클로라이드가 첨가된 실시예 8 내지 10에서는 전도도가 거의 저하되지 않았음을 알 수 있다. As can be seen from the description of Table 2, in Comparative Examples 2 to 5 in which only lithium hydroxide is present, the conductivity of the solid electrolyte is decreased due to the reaction between the lithium hydroxide and the solid electrolyte membrane, but lithium chloride together with lithium hydroxide In the added Examples 8 to 10 it can be seen that the conductivity is almost reduced.

실험예 3Experimental Example 3

음극으로서 상기 제조예 2에서 얻어진 보호된 리튬 음극리튬, 수계 전해질로서 1M LiCl, 양극으로서 백금블랙(Pt-Black)을 사용하여 60℃의 온도, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 mA/cm2의 전류밀도에서 리튬 전극에 대한 시간에 따른 전위차를 측정하여 도 5에 도시하였다. 도 5에 도시한 바와 같이 다양한 전류 밀도에서 충분한 전위차가 얻어짐을 알 수 있다.The protected lithium negative electrode lithium obtained in Preparation Example 2 as the negative electrode, 1 M LiCl as the aqueous electrolyte, and platinum black (Pt-Black) as the positive electrode at a temperature of 60 ° C., 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 mA / cm 2 The potential difference over time for the lithium electrode at the current density of was measured and shown in FIG. 5. As shown in Fig. 5, it can be seen that a sufficient potential difference is obtained at various current densities.

리튬 공기 전지 10 제1 집전체 12
산소를 활물질로 하는 양극 13 제2 집전체 14
리튬의 흡장/방출이 가능한 음극 15
수계 전해질 18
리튬 이온 전도성 고체 전해질막 16
Lithium air battery 10 First collector 12
Positive Electrode Using Oxygen as Active Material 13 Second Current Collector 14
Cathode that can occlude / discharge lithium 15
Aqueous Electrolyte 18
Lithium Ion Conductive Solid Electrolyte Membrane 16

Claims (16)

리튬 이온을 저장 방출 가능한 음극;
리튬 이온 전도성 고체 전해질막;
수계 전해질; 및
산소를 양극 활물질로 하는 양극;을 구비하며,
상기 수계 전해질이 수산화리튬과 리튬 할라이드를 포함하는 리튬공기전지.
A cathode capable of storing and releasing lithium ions;
Lithium ion conductive solid electrolyte membrane;
Aqueous electrolytes; And
A positive electrode having oxygen as a positive electrode active material;
The lithium air battery, wherein the aqueous electrolyte includes lithium hydroxide and lithium halide.
제1항에 있어서,
상기 리튬 할라이드가 리튬 플루오라이드(LiF), 리튬 클로라이드(LiCl), 리틈 브로마이드(LiBr) 및 리튬 아이오다이드(LiI)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
Lithium air battery that the lithium halide comprises at least one selected from the group consisting of lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), recess bromide (LiBr) and lithium iodide (LiI).
제1항에 있어서,
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 음극과 양극 사이에 개재되며, 음극의 일표면 상에 형성된 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
The lithium ion conductive solid electrolyte membrane is interposed between the negative electrode and the positive electrode, the lithium air battery is formed on one surface of the negative electrode.
제1항에 있어서,
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 금속 이온을 함유하는 글래스-세라믹 고체 전해질인 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
And the lithium ion conductive solid electrolyte membrane is a glass-ceramic solid electrolyte containing metal ions.
제4항에 있어서,
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 고분자 고체 전해질을 더 포함하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 4, wherein
The lithium ion conductive solid electrolyte membrane further comprises a polymer solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 글래스-세라믹 고체 전해질과 고분자 고체 전해질의 적층물을 포함하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
Wherein said lithium ion conductive solid electrolyte membrane comprises a laminate of a glass-ceramic solid electrolyte and a polymer solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 리튬 할라이드가 상기 수계 전해질에 대하여 포화농도의 약 0.1% 내지 약 100%의 범위로 포함되는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
And the lithium halide is included in the range of about 0.1% to about 100% of the saturated concentration with respect to the aqueous electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 리튬 할라이드가 상기 수계 전해질에 대하여 포화농도의 약 10% 내지 100%의 범위로 포함되는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
And the lithium halide is included in the range of about 10% to 100% of the saturation concentration with respect to the aqueous electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 수계 전해질은 물 100중량부에 대하여 리튬 클로라이드를 약 1중량부 내지 약 83중량부의 함량으로 포함하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
Wherein said aqueous electrolyte comprises lithium chloride in an amount of about 1 part by weight to about 83 parts by weight based on 100 parts by weight of water.
제1항에 있어서,
상기 음극이 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound)을 포함하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
Lithium air battery that the negative electrode comprises a lithium metal, lithium metal-based alloy, or a lithium intercalating compound (lithium intercalating compound).
제1항에 있어서,
상기 양극이 다공성 탄소계 물질을 포함하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
Lithium air battery that the anode comprises a porous carbon-based material.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질막과 양극 사이에 세퍼레이터를 더 구비하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
A lithium air battery further comprising a separator between the solid electrolyte membrane and the positive electrode.
제1항에 있어서,
상기 양극이 산소 환원 촉매를 더 구비하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
Lithium air battery that the anode further comprises an oxygen reduction catalyst.
제1항에 있어서,
상기 수계 전해질이 리튬 이온 전도성 고체 전해질막과 산소를 양극 활물질로 하는 양극 사이에 개재된 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
And the aqueous electrolyte is interposed between a lithium ion conductive solid electrolyte membrane and a positive electrode having oxygen as a positive electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 수계전해질의 일부 또는 전부가 양극에 함침된 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
Part or all of the aqueous electrolyte is impregnated in the positive electrode lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 리튬 이온을 저장/방출 가능한 음극과 리튬 이온 전도성 고체 전해질막 사이에 비수계 전해질을 더 포함하는 것인 리튬공기전지.
The method of claim 1,
The lithium air battery further comprises a non-aqueous electrolyte between the negative electrode capable of storing and releasing lithium ions and a lithium ion conductive solid electrolyte membrane.
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