KR20120100300A - 층간삽입전극을 갖는 리튬이온공기배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 층간삽입전극을 갖는 리튬이온공기배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반복적인 충/방전에 의한 덴드라이트 형성을 방지하여 충/방전 싸이클 내구성 및 안전성을 향상시킨 리튬이온공기배터리에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 리튬금속전극, 공기극, 상기 리튬금속전극과 공기극 사이에 삽입 구성되는 층간삽입전극을 포함하며, 상기 층간삽입전극은 초기에 리튬금속전극에서 리튬이온이 층간삽입되어 충전된 후 음극으로 사용되는 것으로, 양극인 상기 공기극과 반응하여 전기에너지를 생성하도록 된 것을 특징으로 하는 리튬이온공기배터리를 제공한다.

Description

층간삽입전극을 갖는 리튬이온공기배터리 {LITHIUM ION AIR BATTERY}
본 발명은 층간삽입전극을 갖는 리튬이온공기배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반복적인 충/방전에 의한 덴드라이트 형성을 방지하여 충/방전 싸이클 내구성 및 안전성을 향상시킨 리튬이온공기배터리에 관한 것이다.
최근 환경보호와 공해문제가 심각해짐에 따라 이의 해결을 위해 세계적으로 대체에너지 개발에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 대체에너지 개발의 한 분야인 배터리시스템의 종래 기술은 크게 리튬금속배터리와 리튬이온배터리로 구분할 수 있다.
리튬금속배터리는 리튬금속(1)을 음극으로 사용하고 충/방전시 양극(2)의 산화환원반응을 일으키는 배터리로, 초기용량이 높고 5200Wh/kg의 높은 이론 에너지밀도를 갖으나, 충/방전이 반복됨에 따라 도 1과 같이 금속 표면에 덴드라이트(Dendrite)가 형성되어 충/방전 용량 및 효율이 저하되고 안전성이 취약해지는 단점이 있다.
이를 보완하기 위해 도 2와 같은 리튬이온배터리가 연구 개발되었는데, 리튬이온배터리는 리튬금속 대신 탄소재 음극을 이용하여 충/방전 시 탄소재에 리튬이온이 삽입되는 층간삽입반응(Intercalation)을 일으키는 배터리로, 탄소음극의 사용에 따라 금속 표면의 덴드라이트(Dendrite) 생성이 현저히 감소되어 안전성과 충/방전 효율이 향상된다.
이에 따라 현재 하이브리드자동차, 플러그인 하이브리드자동차, 전기자동차와 같은 전기 차량에 적용하기 위한 배터리로서 리튬이온배터리에 대해 많은 투자와 개발이 집중되고 있다.
현재 리튬이온배터리는 하이브리드자동차 등 전기 차량에 대한 적용이 가능하긴 하나 리튬금속배터리에 비해 에너지밀도가 매우 낮고(Graphite/LiCoO2 이론치 : 390Wh/kg), 일본 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)에 따르면 에너지밀도가 최대 250Wh/kg이 될 것으로 예상되며(이론 에너지밀도 570Wh/kg, 현수준 ~120Wh/kg), 내연기관 자동차의 1회 충전 주행거리 약 500km를 주행하기에 한계가 있다고 판단된다.
특히, 도시된 바와 같은 종래의 리튬이온배터리는 탄소재 음극을 사용함으로써 방전용량이 리튬금속 음극을 사용하는 리튬공기배터리보다 현저히 줄어드는 단점이 있다.
따라서 기존 리튬이온배터리의 에너지밀도를 능가하는 자동차용 고에너지밀도 배터리가 개발되어야 하는 상황이다.
도 1과 같은 리튬공기배터리는 차세대 자동차용 배터리 후보 중 하나로서 저가격 및 고에너지밀도(5200Wh/kg)의 특징을 갖고 있으나, 앞서 언급한 바와 같이 리튬금속(1)을 음극으로 사용함에 따라 반복적인 충방전 시 형성되는 덴드라이트로 인한 충/방전 싸이클 내구성과 안전성이 취약한 문제점이 항시 존재하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 양극(공기극)과 리튬금속전극 사이에 리튬이온을 층간삽입(Intercalation) 형태로 보관할 수 있는 층간삽입전극을 구성하고, 리튬금속전극에서의 층간삽입반응을 통해 상기 층간삽입전극에 리튬이온을 충전하여 이를 음극으로 사용하고 양극에서는 산화환원반응을 일으키는 리튬이온공기배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 리튬금속전극, 공기극, 상기 리튬금속전극과 공기극 사이에 삽입 구성되는 층간삽입전극을 포함하며, 상기 층간삽입전극은 초기에 리튬금속전극에서 리튬이온이 층간삽입되어 충전된 후 음극으로 사용되는 것으로, 양극인 상기 공기극과 반응하여 전기에너지를 생성하도록 된 것을 특징으로 하는 리튬이온공기배터리를 제공한다.
바람직하게, 상기 층간삽입전극은 메쉬 형태의 금속에 층간삽입이 가능한 재료를 양면코팅한 것으로, 상기 층간삽입이 가능한 재료는 탄소재, 흑연, 실리콘(Si)계, 주석(Sn)계, LTO(Lithium Tin Oxide)계로 이루어진 군으로부터 선택한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 층간삽입전극은 리튬금속전극과의 회로 연결을 통해 리튬이온을 추가로 재충전할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬이온공기배터리는 종래 기술에 따른 리튬이온베터리의 매우 낮은 에너지밀도 문제와 리튬공기배터리의 덴드라이트 생성 및 용량 감소 문제를 개선한 것으로, 기존 리튬이온배터리에 비해 에너지밀도가 크게 향상되고 리튬금속배터리에 비해 충/방전 싸이클 내구성과 안전성이 향상된 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 추후 본 발명의 리튬이온공기배터리를 고에너지 및 고내구성이 요구되는 전기자동차의 배터리로서 적용 가능할 것으로 예상된다.
도 1은 종래 기술에 따른 리튬금속(리튬공기)배터리의 구성 및 반응메커니즘을 나타낸 도면
도 2는 종래 기술에 따른 리튬이온배터리의 구성과 반응메커니즘을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 리튬이온공기배터리의 제작 초기 상태를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 리튬이온공기배터리의 층간삽입전극에 리튬이온이 삽입된 초기 상태를 도시한 도면
도 5는 본 발명에 따른 리튬이온공기배터리의 충/방전 상태를 도시한 도면
본 발명은 리튬금속전극으로부터 리튬이온을 층간삽입할 수 있는 전극, 즉 층간삽입전극을 구성하여, 충방전시 리튬이온을 충전한 층간삽입전극을 음극으로 사용하고 공기극을 양극으로 사용하여서 전기를 생성하도록 된 리튬이온-공기배터리에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 리튬이온-공기배터리는 리튬금속전극(1)을 기준으로 하여 구조를 보면 리튬금속전극(1)을 중간에 두고 양쪽으로 분리막(4), 층간삽입전극(3), 분리막(4), 양극(2) 순으로 나란하게 배열되어 적층 구성되며, 이들 사이에는 전해질(5)이 함침된다.
도 3의 (a)는 본 발명의 배터리 셀 제작 후 본격적인 충/방전(실제 배터리 셀의 성능 발현) 전의 초기 셀을 나타낸 도면이고, 도 3의 (b)는 상기 초기 셀의 리튬금속전극(1)과 층간삽입전극(3)만을 전기회로로 연결하여 리튬금속의 리튬이온이 층간삽입전극(3)으로 이동되어 층간삽입되는 형태로 충전 및 보관된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)와 같은 초기 배터리 셀의 층간삽입전극(3)이 초기 1회 충전을 통해 리튬이온으로 완전히 충전된 후에는 리튬금속전극(1)과 층간삽입전극(3) 간에 전기회로를 단락시키고, 도 4의 (c)와 같이 리튬이온으로 충전된 층간삽입전극(3)과 공기극(2)을 전기회로로 연결하여 실제 배터리로서 활용한다.
다시 말하면, 배터리 셀 제작 초기에는 층간삽입전극(3)에 리튬이온이 충전되어 있지 않은 상태이므로, 리튬금속전극(1)과 층간삽입전극(3) 사이에 전기회로를 연결하여 리튬이온의 소스(source)인 리튬금속전극(1)에서 초기 1회의 충전을 통해 층간삽입전극(3)으로 리튬이온을 이동 삽입하고 상기 리튬금속전극(1)과 층간삽입전극(3) 간에 전기회로를 단락시킨다.
그 다음, 실제 배터리 셀의 성능 발현을 위해 공기극(2)과 리튬이온이 충전된 층간삽입전극(3)을 회로 연결하고 반응시켜 전기에너지를 생산하며, 이때 상기 리튬금속전극(1)은 사용하지 않는다.
도 4의 (c)는 리튬이온이 층간삽입전극(3)에 층간삽입된 배터리 셀의 리튬금속전극(1)과 층간삽입전극(3) 간에 연결을 단락하고 층간삽입전극(3)과 공기극(2) 간에 회로를 연결한 초기 상태를 나타낸 도면이고, 도 4의 (d)와 (e)는 리튬금속전극(1)에서 리튬이온이 층간삽입되어 충전된 층간삽입전극(3)과 양극인 공기극(2) 간에 반복적인 충/방전이 일어나는 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 리튬이온공기배터리에서 배터리 셀의 작동시, 도 4의 (d)와 같이 리튬이온이 충전된 층간삽입전극(3)에서 공기극(2)으로 리튬이온의 방전이 일어나고, 도 4의 (e)와 같이 공기극(2)에서 층간삽입전극(3)으로 리튬이온의 충전이 일어나는 충/방전 반응이 반복적으로 이루어지며 전기에너지를 생성하게 된다.
또한, 언급한 바와 같이, 배터리 셀의 성능 발현시 상기 리튬금속전극(1)은 층간삽입전극(3)의 초기 1회 충전 후 사용하지 않으나, 추후 배터리 셀의 반복적인 충/방전으로 인해 층간삽입전극(3)의 리튬이온 활용도가 감소하게 되는 경우 리튬금속전극(1)과 층간삽입전극(3)을 다시 회로 연결하여 층간삽입전극(3)에 추가적으로 리튬이온을 충전하여 보충할 수 있다.
즉, 본 발명의 리튬이온공기배터리는 초기 리튬금속전극(1)에서의 층간삽입반응 및 충/방전시 공기극(2)에서의 산화환원반응을 통해 전기에너지를 생성한다.
본 발명에서 상기 층간삽입전극(3)은 전극 구조를 형성 및 지지하는 전극 금속에 층간삽입이 가능한 재료를 양면코팅한 형태로 구성된다.
구체적으로 설명하면, 상기 층간삽입전극(3)은 전극으로 사용가능한 금속을 리튬이온의 양방향 이동이 가능한 구조, 즉 리튬금속전극(1)에서 이동되어 충전된 리튬이온이 공기극(2)으로 이동할 수 있는 메쉬(Mesh) 형태의 구조로 이루어지며, 층간삽입이 가능한 재료는 탄소재, 흑연, 실리콘(Si)계, 주석(Sn)계, LTO(Lithium Tin Oxide)계 등 층간삽입(Intercalation)이 가능한 모든 재료를 사용할 수 있다.
특히, 실리콘 합금계, 실리콘 산화물계, 주석계와 같은 층간삽입전극용 재료는, 일반적으로 사용하는 탄소재나 흑연에 비해 리튬이온을 충전할 수 있는 용량이 크기 때문에, 이와 같은 재료를 이용한 층간삽입전극(3)의 경우 다량의 리튬이온을 채울 수 있어 배터리의 에너지밀도를 증가시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 리튬금속전극(1)과 공기극(2) 사이에 층간삽입반응이 가능한 전극(3, 층간삽입전극)을 삽입한 구조의 리튬이온공기배터리를 제공함으로써, 리튬금속전극(1)은 층간삽입전극(3)에 리튬이온을 초기 1회 충전하기 위해서만 사용하고 실제 배터리 셀의 성능 발현시에는 리튬이온이 충전된 층간삽입전극(3)을 음극으로 이용하여서, 기존 리튬공기배터리에서 리튬금속 음극의 사용으로 인해 초래하는 덴드라이트 형성을 방지하고, 충/방전시 용량 및 안전성 저하를 개선하여 충/방전 싸이클 내구성 및 배터리 안전성을 향상시키며, 또한 기존 리튬이온배터리에 비해 공기극의 용량이 증가되어 에너지밀도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 리튬이온공기배터리는 고에너지, 고내구성이 요구되는 전기자동차에 적용 가능할 것으로 예상되며, 특히 현재 내연기관 자동차의 주행거리 및 내구 수준과 비견될 수 있는 차세대 전기자동차의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이하, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
리튬이온 소스(Source)로 작용하는 리튬금속(Li metal foil, Hohsen Corp.)과; 다공성 니켈 폼(Form) 위에 전기전도성 카본(Ketjen Black EC-300J, Mitsibish Chemical사) 80%, 바인더(PVdF, Kynar사) 15% 및 촉매(MnO2, Aldrich)를 혼합한 혼합물을 코팅하여 제작한 양극(공기극); 그리고 이러한 리튬금속과 양극 사이에 메쉬(Mesh) 형태의 구리금속에 흑연(Graphite, Showa Denko사)을 양면코팅하여 제작한 층간삽입전극을 삽입하고, 전해질(1M LiCF3SO3/0.5M LiTFSI + DME[1,2-Dimethoxyethane, anhydrous, 99.5%], Aldrich사)과 분리막(Glass fiber)을 사용하여 리튬이온-공기배터리를 구성 제조하였다.
이렇게 제조한 리튬이온-공기배터리는 초기(배터리 셀 성능 발현을 위한 충/방전 시작 전)에 리튬금속으로부터 층간삽입전극에 리튬이온을 충전한 다음, 이를 리튬이온-공기배터리의 음극으로 사용하여 공기극과 함께 전기화학적으로 충/방전시켜 전기에너지를 생성할 수 있었다.
상기 구리금속에 흑연 대신 실리콘합금 또는 주석합금을 사용하여 제조한 층간삽입전극을 사용한 경우에도 정상적으로 전기를 생산할 수 있다.
1 : 리튬금속전극
2 : 양극(공기극)
3 : 층간삽입전극
4 : 분리막
5 : 전해질

Claims (3)

  1. 리튬금속전극, 공기극, 상기 리튬금속전극과 공기극 사이에 삽입 구성되는 층간삽입전극을 포함하며,
    상기 층간삽입전극은 초기에 리튬금속전극에서 리튬이온이 층간삽입되어 충전된 후 음극으로 사용되는 것으로, 양극인 상기 공기극과 반응하여 전기에너지를 생성하도록 된 것을 특징으로 하는 리튬이온공기배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 층간삽입전극은 메쉬 형태의 금속에 층간삽입이 가능한 재료를 양면코팅한 것으로, 상기 층간삽입이 가능한 재료는 탄소재, 흑연, 실리콘(Si)계, 주석(Sn)계, LTO(Lithium Tin Oxide)계로 이루어진 군으로부터 선택한 것을 특징으로 하는 리튬이온공기배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 층간삽입전극은 리튬금속전극과의 회로 연결을 통해 리튬이온을 추가로 재충전할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 리튬이온공기배터리.
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