KR20140088642A - 티오펜 유도체를 포함하는 비수계 전해질 및 이를 이용한 리튬 공기 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이온을 흡장 및 방출하는 음극; 산소를 양극활물질로 사용하고, 도전성 재료를 포함하는 양극; 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된, 하나 이상의 리튬염 및 티오펜 유도체를 포함하는 비수계 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지를 제공한다.

Description

티오펜 유도체를 포함하는 비수계 전해질 및 이를 이용한 리튬 공기 전지 {ELECTROLYTE FOR LITHIUM AIR BATTERY COMPRISING THIOPHENE DERIVATIVE, AND LITHIUM AIR BATTERY EMPLOYING THE SAME}
본 발명은 리튬 공기 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티오펜 유도체를 포함하는 비수계 전해질 및 이를 이용한 리튬 공기 전지에 관한 것이다.
리튬 공기 전지는 음극으로 리튬 자체를 사용하며 양극활물질인 공기를 전지 내에 저장할 필요가 없으므로 고용량의 전지가 가능하다. 리튬 공기 전지의 단위 중량당 이론 에너지 밀도는 3500Wh/kg 이상으로 매우 높다. 이러한 에너지 밀도는 리튬 이온 전지보다 대략 10배에 해당한다.
종래의 리튬 공기 전지는 충방전시 높은 과전압에 의하여 분극이 발생하여 충방전시의 에너지 효율이 리튬 이온 전지에 비하여 현저히 낮았다. 상기 충방전 과전압을 낮추기 위하여 다양한 촉매가 사용되었으나 충방전 과전압의 감소가 충분하지 못하였다. 따라서, 상기 충방전 과전압을 감소시켜 충방전 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 방법이 요구된다.
일본 출원공개 2010-176941호와 같이 리튬 공기 전해질로서 기존의 리튬 이온 전지에 쓰이던 비수계 전해질인 카보네이트계 전해질을 사용하였을 경우, 충방전시 상기 카보네이트계 전해질이 분해되어 리튬카보네이트 및 알킬리튬카보네이트 등이 생성되고 이에 따라 리튬 공기 전지의 수명 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
일본 출원공개 2010-176941호
본 발명은 상기와 같은 종래 리튬 공기 전지 기술의 문제점을 해결하기 위하여 티오펜 유도체를 포함하는 새로운 전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
리튬 이온을 흡장 및 방출하는 음극;
산소를 양극활물질로 사용하고 도전성 재료를 포함하는 양극; 및
상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된, 하나 이상의 리튬염 및 아래 화학식으로 표시되는 티오펜 유도체를 포함하는 비수계 전해질;을 포함하는 리튬 공기 전지를 제공한다.
[화학식]
Figure pat00001
상기 화학식에서 R1, R2, R3, R4 는 각각 독립적으로 수소; 하이드록시: C1-C6 알킬; C5 또는 C6 지방족 고리(alicyclic ring); 페닐; 또는 C1-C6 알킬, C1-C6 알콕시 또는 할로기로 치환된 페닐을 나타낸다.
본 발명에 있어서, 상기 화학식으로 표시되는 테트라하이드록시티오펜 유도체는 테트라하이드록시티오펜 1-옥사이드일 수 있다.
종래 리튬 공기 전지에 디메틸 카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트 등과 같은 카보네이트계 전해질을 사용하는 경우, 방전 및 충전시 분해되어 리튬 카보네이트 및 알킬리튬카보네이트 등이 생성되어 리튬 공기 전지의 수명특성이 저하되는 문제점이 있었다.
종래 리튬 공기 전해질로 사용되었던 상기 카보네이트계 전해질이 C=O 이중결합을 가지고 있어 방전시에 쉽게 분해가 되는 반면, 본 발명에 따른 테트라하이드록시티오펜-1-옥사이드와 같은 티오펜 유도체를 사용하는 경우 상기 카보네이트계 전해질의 C=O 이중결합보다 더 안정한 S=O 이중결합을 가지고 있어 안정성이 향상되어 고용량 및 장수명 특성을 나타낸다.
본 발명에 있어서, 상기 하나 이상의 리튬염은 LiClO4. LiBF4, LiBPh4, LiPF6, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3S02)3, LiN(CF3S02)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3S02)(COCF3), LiBOB 및 LiAsF6로 이루어진 군으로부터 선택된다. 상기 리튬염은 테트라하이드록시티오펜 유도체에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하며, 리튬 이온의 이동을 촉진하게 한다. 상기 리튬염의 농도가 0.01 내지 2.0M인 것을 특징으로 한다. 리튬 염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 도전성 재료를 포함하는 양극은 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O) 및 수산화리튬(LiOH)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 상기 과산화리튬(Li2O2)은 충전시 분해되어 리튬 이온을 생성하고 음극으로 이동하고, 방전시 과산화리튬이 다시 생성된다. 상기 양극은 리튬 공기 전지 제작시 공기 중에 노출된다. 양극을 공기 중에 노출시킴에 따라 양극 활물질이 분해되어 생긴 산소가 전지 외부로 빠져나갈 수 있으므로, 분해되어 생긴 산소로 인해 전해액이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 또한 산소로 인한 폭발 또는 전지의 부피 팽창을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 도전성 재료를 포함하는 양극의 도전성 재료는 도전성을 부여하는 재료이면 제한되지 아니하며, 탄소계 물질, 금속 분말, 폴리페닐렌 유도체로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 탄소계 물질은 카본블랙, 케첸블랙, 아세틸렌블랙, 활성탄소분말, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 메조포러스카본 및 그래파이트로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 도전성 재료를 포함하는 양극은 Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, Ag, Au, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Mo, W, Zr, Zn, Ce, La 및 이들의 산화물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매는 도전성 재료에 담지되어 양극활물질의 분해를 도와주는 역할을 한다. 예를 들어, 사산화삼코발트(Co3O4), 이산화망간(MnO2), 이산화세륨(CeO2), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 삼산화이철(Fe2O3), 사산화삼철(Fe3O4), 일산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 페로브스카이트(CaTiO3, perovskite) 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 음극은 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질이 사용될 수 있으며, 리튬, 유기물 또는 무기물로 처리된 리튬 복합체, 리튬화된 금속 카본 복합체로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 상기 리튬화된 금속 카본 복합체의 금속은, Mg, Ca, Al, Si, Ge, Sn, Pb, As, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, Sn, 및 Hg로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 예를 들어 Si-C 복합체 Sn-C 복합체가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 공기 전지는 코인 타입으로 제작될 수 있고, 스와즐락 타입, 파우치 등의 형태로 제작될 수도 있다.
본 발명은 티오펜 유도체를 포함하는 비수계 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것으로서, 본 발명에 의해 티오펜 유도체를 전해질로 사용하는 리튬 공기 전지는 종래 카보네이트 계열의 전해질 사용시 방전 및 충전시 카보네이트 화합물이 분해되어 리튬 카보네이트 및 알킬리튬카보네이트 등을 생성함으로써 리튬 공기 전지의 수명 특성을 저하시키는 문제점을 해결하여 안정성이 향상되어 고용량 및 장수명 특성을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 수명특성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 비교예에 따른 전지의 수명특성을 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 리튬 공기 전지 제작
카본 블랙 (super P), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)을 각각 80:20의 중량비로 혼합하여, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 활물질 조성물을 제조한다. 상기 양극 활물질 조성물을 카본 페이퍼(TGP-H-030, 토래이(Torray)사)의 집전체 위에 코팅하여 건조 후 양극을 제조하고, 음극으로는 리튬 금속 포일을 사용하였다.
상기 제조된 음극 및 양극과 다공성 유리 필터(와트만(Whatman)사)를 사용하여 코인셀 타입의 리튬 공기 전지를 제작하였다. 이 때 상기 양극은 산소를 잘 통하기 위하여 구멍을 가지도록 제조하였다.
상기 양극 및 음극 사이에 유기 용매로서 테트라하이드록시티오펜 1-옥사이드에 1M 농도의 LiCF3SO3이 용해된 전해질을 주입하여 리튬 공기 전지를 제작하였다.
< 비교예 1>
실시예 1에서 유기 용매로서 테트라하이드록시티오펜 1-옥사이드 를 대신해서 프로필렌카보네이트 용액에 1M 농도의 LiCF3SO3이 용해된 전해질을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 공기 전지를 제작하였다.
< 실험예 1> 리튬 공기 전지의 수명 특성 측정
리튬 공기 전지의 수명 특성을 평가하기 위하여, 위에서 제작된 실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬 공기 전지의 수명 특성을 평가하였다. 실시예 1의 리튬 공기 전지를 산소로 채워져 있는 챔버 안에 넣은 후, 2 내지 4.5 V에서 200 mA/g의 전류 조건으로 20회 충전 및 방전을 실시하였고, 그 결과를 도 1, 도 2에 나타내었다. 도 1은 실시예 1에 따른 리튬 공기 전지의 수명 특성을 나타내는 그래프이고, 도 2는 비교예 1에 따른 리튬 공기 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2 를 참고하여, 일 실시예에 따라 전해질로 테트라하이드록시티오펜 1-옥사이드 용액을 사용한 실시예 1의 경우와, 전해질로 프로필렌카보네이트 용액을 사용한 비교예의 경우를 비교하면, 실시예 1의 1회 충방전 용량은 비교예 1 보다 4배 이상 우수한 것으로 확인되었다. 또한 비교예 1은 1회 이후부터 용량이 급격하게 감소한 반면, 본 발명에 따른 실시예 1은 20회까지 고용량이 유지되어 수명 특성이 우수함을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 리튬 이온을 흡장 및 방출하는 음극;
    산소를 양극활물질로 사용하고, 도전성 재료를 포함하는 양극; 및
    상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된, 하나 이상의 리튬염 및 아래 화학식으로 표시되는 티오펜 유도체를 포함하는 비수계 전해질;을 포함하는 리튬 공기 전지.
    [화학식]
    Figure pat00002

    상기 화학식에서 R1, R2, R3, R4 는 각각 독립적으로 수소; 하이드록시: C1-C6 알킬; C5 또는 C6 지방족 고리(alicyclic ring); 페닐; 또는 C1-C6 알킬, C1-C6 알콕시 또는 할로기로 치환된 페닐을 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 티오펜 유도체는 테트라하이드록시티오펜 1-옥사이드인 리튬 공기 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬염의 농도가 0.01 내지 2.0M인 리튬 공기 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 리튬염은 LiClO4. LiBF4, LiBPh4, LiPF6, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3S02)3, LiN(CF3S02)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3S02)(COCF3), LiBOB 및 LiAsF6로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 리튬 공기 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극은 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O) 및 수산화리튬(LiOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 리튬 공기 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극은 탄소계 물질, 금속 분말, 폴리페닐렌 유도체로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 리튬 공기 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소계 물질은 카본블랙, 케첸블랙, 아세틸렌블랙, 활성탄소분말, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 메조포러스카본 및 그래파이트로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 리튬 공기 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극은 Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, Ag, Au, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Mo, W, Zr, Zn, Ce, La 및 이들의 산화물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 더 포함하는 리튬 공기 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극은 리튬, 유기물 또는 무기물로 처리된 리튬 복합체, 리튬화된 금속 카본 복합체로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 리튬 공기 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 리튬화된 금속 카본 복합체의 금속은 Mg, Ca, Al, Si, Ge, Sn, Pb, As, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, Sn, 및 Hg로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 리튬 공기 전지.
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