KR20150016730A - 리튬 에어 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 에어 배터리에 관한 것으로서, 상세하게는 전해질과 양극을 구성하는 촉매층의 사이에 전도성 이온교환 수지와 메조포러스 카본으로 이루어진 버퍼층을 채용하여, 리튬 에어 배터리의 촉매층과 전해질의 과량 접촉을 방지함으로써 충방전 시 과전압 발생을 감소시킬 수 있고, 동시에 본 발명의 리튬 에어 배터리는 전해질 용매의 증발을 억제하여 내구성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 전지의 성능이 저하되는 것이 방지되고 수명이 연장되는 장점이 있다.

Description

리튬 에어 배터리 {Lithium air battery}
본 발명은 리튬 에어 배터리에 관한 것으로서, 상세하게는 충방전 시 촉매층과 전해질의 접촉을 안정화하여 전지의 성능이 저하되는 것을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 리튬 에어 배터리에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 소비에 따른 이산화탄소 배출량의 증가 및 원유가격의 급격한 변동 등을 배경으로 자동차의 에너지원은 가솔린 및 경유에서 전기에너지로 전환하는 기술개발이 주목을 받고 있다. 전기 자동차의 실용화는 진행되고 있으며, 장거리 주행을 위해서는 축전지인 리튬이온 전지의 대용량화 및 고에너지 밀도화가 요구되고 있다. 그러나 현재 리튬이온 전지는 전지 용량에 제약이 있어 장거리 주행이 곤란한 단점이 있다. 따라서 이론상 리튬이온 전지보다 대용량이며 고에너지 밀도를 가진 리튬 에어 배터리에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 리튬 에어 배터리는 리튬이온의 흡착 및 방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하여 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극을 구비하고, 상기 양극과 음극 사이에 리튬이온 전도성 매체를 구비한다. 즉, 리튬 에어 배터리는 공기 중의 산소를 활물질로 이용한 양극을 갖는 전지로, 양극에 있어서 산소의 산화 환원 반응을 행함에 따라 전지를 충방전 할 수 있는 전지이다.
이러한 리튬 에어 배터리는 이론 에너지 밀도가 3000Wh/kg 이상이며, 이는 리튬이온 전지보다 대략 10배의 에너지 밀도에 해당된다. 아울러, 리튬 에어 배터리는 친환경적이며, 리튬이온 전지보다 개선된 안전성을 제공할 수 있다.
그러나, 종래의 리튬 에어 배터리의 전극 구조는 충방전 시 촉매층에 전해질이 과량 접촉되어 과전압을 발생시키거나, 고체전해질과 양극(Porous air-cathode) 사이에 사용되는 전해질의 용매가 증발되어 리튬 에어 배터리의 성능이 저하되어 전지의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
이와 관련된 종래 기술로는 미국공개특허(US 2012/0028164)인 "리튬 에어 배터리"가 개시되어 있다.
US 2012/0028164 A1 (2012.02.02)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 리튬 에어 배터리의 양극을 구성하는 촉매층과 전해질의 과량 접촉을 방지하여 충방전 시 과전압 발생을 감소시킴과 동시에 전해질 용매의 증발을 억제하여 내구성을 향상시킴으로써, 전지의 성능이 저하되는 것을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 리튬 에어 배터리를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 리튬 에어 배터리는, 리튬금속을 포함하는 제1전극부; 일측이 공기와 접촉되는 기체확산층, 상기 기체확산층의 타측에 형성되는 촉매층, 상기 촉매층에 결합되어 리튬이온이 통과되는 멤브레인 및 상기 멤브레인과 상기 촉매층 사이에 구비되는 버퍼층을 포함하며, 상기 제1전극부와 이격되어 형성되는 제2전극부; 및 상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 구비되는 전해질부;를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 버퍼층은 전도성 이온교환 수지 용액에 함침 된 메조포러스 카본일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 전도성 이온교환 수지 용액은, 적어도 20wt%(in H2O)의 함량으로 전도성 이온교환 수지를 함유할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 전도성 이온교환 수지는 나피온(Nafion), 다이아이온(Diaion), 트릴라이트(Trilite) 중 선택된 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 전해질부는, 상기 제1전극부의 일측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 일측에 밀착되는 고체전해질 및 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 구비되는 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 고체전해질은 프로톤 전도성 이온교환 수지 또는 프로톤 전도성 이온교환 필름 일 수 있으며, 구체적으로는 나피온 필름일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 제2전극부는 기체확산층의 일측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 리튬 에어 배터리는, 상측이 개방된 공간부가 구비되는 제1하우징 및 상기 제1하우징의 상부에 배치되어 상기 제1하우징의 공간부를 밀폐하며 하측이 개방된 공기 수용부와 상기 공기 수용부에 연통되는 통기공이 형성되는 제2하우징을 포함하는 하우징부;를 더 포함하며, 상기 제1전극부는 제1하우징의 공간부에 수용되고, 상기 제2전극부는 제2하우징의 공기 수용부 하측에 결합되어 상기 제1전극부와 이격되게 형성되되, 상기 제2전극부는 상측에 기체확산층이 배치되고 하측에 멤브레인이 배치되도록 결합되며, 상기 전해질부는 제1하우징의 공간부에 구비되어 상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 구비될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 전해질부는, 상기 제1전극부의 상측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 상측에 밀착되는 고체전해질, 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 구비되는 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질 및 상기 고체전해질의 상측에 구비되며 상하를 관통하는 수용홀이 형성되는 수용체를 포함하며, 상기 수용체는 고체전해질, 분리막 및 제1전극부를 상기 공간부에 밀착시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 하우징부는, 상기 제1하우징과 제2하우징 사이에 개재되며 상하를 관통하는 고정홀이 형성되어 상기 고정홀에 제2전극부가 고정되는 제3하우징을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 멤브레인은 술포닉 애시드 그룹(sulfonic acid group)이 포함되는 다공성막으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 멤브레인은 다공성 재질의 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Polyperfluorosulfonic acid) 수지로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리에 있어, 상기 멤브레인은 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지를 가열 및 압착하여 상기 촉매층에 밀착되도록 형성되거나, 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지 용액을 사용하여 딥 코팅(dip-coating) 방법으로 상기 촉매층에 밀착 형성될 수 있다.
본 발명의 리튬 에어 배터리는 전해질과 양극을 구성하는 촉매층의 사이에 전도성 이온교환 수지와 메조포러스 카본으로 이루어진 버퍼층을 채용하여, 리튬 에어 배터리의 촉매층과 전해질의 과량 접촉을 방지함으로써 충방전 시 과전압 발생을 감소시킬 수 있다.
동시에, 본 발명의 리튬 에어 배터리는 전해질과 접촉되며 공기 중의 산소를 활물질로 사용하는 양극에 소수성의 폴리올레핀계 미세다공막과 리튬이온이 통과될 수 있는 멤브레인을 결합하여 충방전이 반복되더라도 촉매층이 탈락되지 않고, 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질 용매의 증발을 억제하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 에어 배터리는 상기된 효과에 의하여, 전지의 성능이 저하되는 것이 방지되고 수명이 연장되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 리튬 에어 배터리를 나타낸 개념도이고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리의 조립사시도 및 분해사시도이며,
도 4는 도 2의 AA'방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리의 충방전주기 그래프(cycle life: 246 cycles)이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리의 방전 에너지 그래프이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리의 충전 에너지 그래프이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리의 충방전 에너지 효율을 보여주기 위한 그래프이다.
도 9는 미세다공막, 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인으로 구성되는 양극이 적용된 비교예1에 따른 리튬 에어 배터리의 충방전주기 그래프(cycle life: 123 cycles)이며,
도 10은 비교예1의 방전 에너지 그래프이고,
도 11은 비교예1의 충전 에너지 그래프이고,
도 12는 비교예1의 충방전 에너지 효율을 보여주기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예와 비교예1의 제1사이클에서 나타난 과전압(overpotential) 정도를 상대적으로 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 리튬 에어 배터리를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 리튬 에어 배터리를 나타낸 개념도이며, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리를 나타낸 조립사시도, 분해사시도 및 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는, 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200); 일측이 공기와 접촉되는 기체확산층(311), 상기 기체확산층(311)의 타측에 형성되는 촉매층(312), 상기 촉매층(312)에 결합되어 리튬이온이 통과되는 멤브레인(313) 및 상기 멤브레인(313)과 상기 촉매층(312) 사이에 구비되는 버퍼층(315)을 포함하며, 상기 제1전극부(200)와 이격되어 형성되는 제2전극부(300); 및 상기 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 구비되는 전해질부(400);를 포함한다.
우선, 본 발명의 리튬 에어 배터리(1000)는 크게 제1전극부(200), 제2전극부(300) 및 전해질부(400)로 구성된다.
제1전극부(200)는 리튬이온을 저장 방출 가능한 리튬금속(210)을 포함하며, 바인더를 더 포함할 수 있다. 리튬금속(210)은 일례로 리튬금속, 리튬금속 기반의 합금 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound) 등이 사용될 수 있으며, 수분 등에 대한 내구성을 향상시키기 위해서 리튬합금을 사용하는 것이 바람직하다. 바인더로서는 일례로 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 들 수 있으며, 바인더의 함량은 특별히 한정된 것은 아니며 예를 들어 30중량% 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로는 1 내지 10중량%일 수 있다.
제2전극부(300)는, 일측이 공기와 접촉되는 기체확산층(311, Gas Diffusion Layer, GDL), 촉매층(312), 멤브레인(313) 및 버퍼층(315)으로 구성되며, 제2전극부(300)는 제1전극부(200)와 이격되도록 형성된다. 이때, 도 1과 같이 제2전극부(300)는 제1전극부(200)와 마주보는 면에 멤브레인(313)이 배치되도록 구성되어, 기체확산층(311)의 일측에 촉매층(312)이 형성되고 촉매층(312)의 일측에 멤브레인(313)이 결합되며, 촉매층(312)과 멤브레인(313) 사이에 버퍼층(315)이 구비되어, 제2전극부(300)가 형성된다.
그리하여 공기가 기체확산층(311)을 통해 확산되어, 촉매층(312)에서 리튬이온과 공기 중의 산소와 산화환원 반응을 일으킬 수 있도록 구성된다. 그리고, 전해질부(400)는 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 구비되어 리튬이온이 이동될 수 있도록 구성된다.
즉, 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200)는 음극(애노드, anode)이 되고, 제2전극부(300)는 양극(캐쏘드, cathode)이 되며, 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 전해질부(400)가 구비되어 리튬 에어 배터리(1000)가 구성되는 것이다.
이때, 제2전극부(300)는 활물질로서 공기 중의 산소가 사용되고, 산소 및 리튬이온이 이동할 수 있는 공극을 갖는 도전성 재료를 포함할 수 있으며, 촉매층(312)은 백금(Pt)과 바인더를 혼합하여 도포 또는 코팅되어 형성될 수 있다. 즉, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후, 기체확산층(혹은 카본 페이퍼)(311) 상에 프레스 성형하거나 또는 아세톤, 메틸에틸케톤, N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 용제에, 촉매, 도전 재료, 바인더를 혼합하여 용해 또는 분산시켜 슬러리를 조정하여, 이것을 기체확산층(311) 상에 그라비아 코팅, 블레이드 코팅, 콤마 코팅, 딥 코팅 등의 방법에 따라서 도포하고, 이어서, 유기 용제를 휘산 시킨 후, 프레스 함으로써 촉매층(312)을 형성할 수 있다.
그리고 도전성 재료는 일례로 탄소재료, 금속 섬유 등의 도전성 섬유, 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속 분말, 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료를 사용할 수 있다. 탄소재료로는 카본 블랙, 흑연, 활성탄, 카본 나노튜브, 탄소섬유 등을 사용할 수 있으며, 방향족고리화합물을 포함하는 합성수지, 석유피치 등을 소성하여 얻어진 메조포러스 카본을 사용할 수 있다.
이와 같이 형성된 촉매층(312)의 일측에는 멤브레인(313)이 결합된다. 상기 멤브레인(313)은 촉매층(312)의 일측에 결합되어 촉매층(312)의 입자들이 떨어져나가는 것을 방지한다. 이때 멤브레인(313)은 리튬이온은 통과시키면서 촉매층(312) 입자들은 걸러내는 물질로 구성된다.
상세하게는 리튬 에어 배터리(1000)는 충전 및 방전 시, 제2전극부(300)의 기체확산층(311)을 통해 공기가 확산되어 촉매층(312)에서 공기 중의 산소와 리튬이온이 산화환원 반응을 일으키게 되는 데, 이때 충전 및 방전이 다회 반복되면 촉매층(312)에 균열이 발생하여 촉매층(312)을 형성하는 입자(백금, 바인더 및 도전성 물질)들이 기체확산층(311)에서 전해질부(400) 쪽으로 떨어져나갈 수 있다. 따라서, 이와 같이 촉매층(312)에 멤브레인(313)을 결합시켜 촉매층(312)의 입자들이 떨어져나가는 것을 방지하는 것이다.
이와 같은 상기 멤브레인(313)은 술포닉 애시드 그룹(sulfonic acid group)이 포함되는 다공성막으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 다공성 재질의 폴리퍼플루오로술폰산 (PFSA; Polyperfluorosulfonic acid; 상품명 Nafion) 수지로 형성될 수 있다. 그리고 상기 멤브레인(313)은 가열 및 압착되어 상기 촉매층(312)에 밀착될 수 있다. 또한 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Nafion) 수지 용액(resin solution)을 사용하여 딥코팅(dip-coating)방법으로 멤브레인(313)이 형성될 수도 있다. 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Nafion) 멤브레인(313)은 양자(proton, H+, 수소이온)-전도성(conducting)이며(전도도:conductivity: 0.1 S/cm), 분자 구조상 친수성 술폰 그룹 (Hydrophilic sulfonyl group)과 소수성기 플루오르 뼈대(hydrophobic fluorinated backbones)로 이루어져 있다. 따라서 친수성기가 있고, 양자 전도성 특성은 Li+이온을 통과시키며, 산소와 물의 반응에 필요한 물을 흡수하여 리튬-에어(공기)의 작동을 원활하게 하며, 본 발명에서 목적하는 바 백금(Pt) 촉매층(312)의 보호에 적절한 멤브레인이다.
즉, 멤브레인(313)은 촉매층(312) 입자의 탈락을 방지하면서도 리튬이온의 이동이 가능한 재질로 형성될 수 있으며, 이는 리튬 에어 배터리의 성능 측면에서 가장 바람직하다.
또한, 상기 멤브레인(313)은 가열 및 압착되어 상기 촉매층(312)에 밀착될 수 있다. 즉, 촉매층(312)에 멤브레인(313)을 고온으로 가열 및 압착하여 촉매층(312)과 멤브레인(313)의 결합력을 향상시켜, 충방전의 반복에 따른 촉매층(312) 입자의 탈락을 더욱 확실하게 차단할 수 있다.
그러나, 이와 같이 멤브레인(313)을 촉매층(312)에 결합시켜 촉매층(312)의 입자들이 떨어져나가는 것을 방지한다고 하더라도, 리튬 에어 배터리(1000)의 충방전 시 촉매층(312)과 전해질이 접촉되는 정도가 제어되지 않고 촉매층(312)에 전해질이 과량 접촉되어 고전압이 발생되는 문제점이 여전히 배터리의 수명을 저하시키는 원인으로 작용한다.
이에 본 발명의 리튬 에어 배터리(1000)는, 촉매층(312)에 전해질이 과량 접촉되는 것을 방지하기 위하여 촉매층(312)과 멤브레인(313) 사이에 버퍼층(315)을 채용하여, 충방전 시 과전압 발생을 감소시켜 전지의 성능이 저하되는 것이 방지되고 수명이 연장되는 장점이 있다.
이때, 버퍼층(315)은 전도성 이온교환 수지와 메조포러스 카본으로 이루어진 것으로서, 구체적으로는 전도성 이온교환 수지 용액에 함침 된 메조포러스 카본일 수 있다. 여기서, 메조포러스 카본을 함침시키기 위한 전도성 이온교환 수지 용액에는 적어도 20wt%(in H2O)의 전도성 이온교환 수지가 함유되어 있는 것이 특징이다. 왜냐하면, 전도성 이온교환 수지 용액에 함유된 전도성 이온교환 수지의 함량이 20wt%(in H2O) 미만인 경우 함유량이 미미하여 전해질부(400)로부터 촉매층(312)으로 리튬이온을 원활히 전달하지 못할 수도 있기 때문이다. 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 에어 배터리의 전도성 이온교환 수지 용액에는 20 내지 50 wt%(in H2O)의 전도성 이온교환 수지가 함유되어 있는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 전도성 이온교환 수지 용액의 이온교환 수지의 함량이 50wt%(in H2O) 초과인 경우에도 본 발명의 실시가 가능하지만, 이때 함유량이 과도하여 전도성 이온교환 수지 용액의 퍼짐성이 저하되는 문제점이 발생되어 본 발명의 실시가 용이하지 않을 수도 있다.
이와 같이 구성되는 버퍼층(315)은 리튬 에어 배터리의 전해질이 수계, 비수계 또는 이온성액체인 경우를 구별하지 않고 모두 적용할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 이온교환 수지는 나피온(Nafion), 다이아이온(Diaion), 트릴라이트(Trilite) 중 선택된 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다. 더욱 구체적으로 본 발명에 따른 전도성 이온교환 수지 용액은 나피온 용액인 것이 바람직하며, 이는 나피온이 열적으로 안정하고 프로톤 및 리튬이온의 전도성이 높은 물질특성을 갖고 있기 때문이다.
그리고 상기 전해질부(400)는, 상기 제1전극부(200)의 일측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막(410), 상기 분리막(410)의 일측에 밀착되는 고체전해질(420) 및 상기 고체전해질(420)과 제2전극부(300) 사이에 구비되는 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)을 포함할 수 있다.
여기에서 유기계전해질, 고체전해질(420) 및 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)에 대해서는 이하의 본 발명에 따른 리튬 에어 배터리(1000)의 일 실시예에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 상기 제2전극부(300)는 기체확산층(311)의 일측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막(314)을 더 포함한다. 즉, 기체확산층(311)의 일측에 폴리올레핀계 미세다공막(314)이 결합되어, 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)의 용매가 증발되는 것이 억제되어, 충방전이 반복되더라도 리튬 에어 배터리(1000)의 성능 저하를 방지할 수 있으며 수명을 연장시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는, 상측이 개방된 공간부(111)가 구비되는 제1하우징(110) 및 상기 제1하우징(110)의 상부에 배치되어 상기 제1하우징(110)의 공간부(111)를 밀폐하며 하측이 개방된 공기 수용부(122)와 상기 공기 수용부(122)에 연통되는 통기공(121)이 형성되는 제2하우징(120)을 포함하는 하우징부(100); 상기 제1하우징(110)의 공간부(111)에 수용되는 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200); 상기 제2하우징(120)의 공기 수용부(122) 하측에 결합되어 상기 제1전극부(200)와 이격되게 형성되며, 상측에 기체확산층(311)이 배치되고 상기 기체확산층(311)의 하측에 촉매층(312)이 형성되며 상기 촉매층(312)의 하측에 리튬이온이 통과되는 멤브레인(313)이 형성되는 제2전극부(300); 및 상기 제1하우징(110)의 공간부(111)에 구비되며 상기 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 구비되는 전해질부(400);를 포함한다.
즉, 도 2 내지 도 4와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 크게 하우징부(100)의 내부에 제1전극부(200), 제2전극부(300) 및 전해질부(400)가 구비된다.
하우징부(100)는 제1하우징(110) 및 제2하우징(120)을 포함한다. 제1하우징(110)은 원판 형상으로 내부에 공간부(111)가 구비되며, 공간부(111)는 상측이 개방되도록 형성된다. 그리고 제2하우징(120)은 원판 형상으로 형성되고, 제1하우징(110)의 상부에 배치되어 제1하우징(110)의 공간부(111)가 밀폐되도록 결합된다. 이때, 제2하우징(120)은 하측에 공기 수용부(122)가 형성되고 공기 수용부(122)에 연통되도록 통기공(121)이 형성되어, 통기공(121)을 통해 외부의 공기가 공기 수용부(122)로 유입 및 배출될 수 있다. 통기공(121)은 하나 또는 다수개가 형성될 수 있으며 공기가 공기 수용부(122)로 유입 및 유출될 수 있도록 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리고 제2하우징(120)은 일측에 제1하우징(110)과의 결합을 위한 제1고정부(127)가 형성되며, 제1결합부(128)가 제1고정부(127)에 삽입되어 제2하우징(120)과 제1하우징(110)이 결합될 수 있다. 본 발명의 제1실시예에 따른 제2하우징(120)의 제1고정부(127)는 관통공으로 형성되고, 제1결합부(128)는 볼트로 형성되며, 제1하우징(110)에는 제1고정부(127)에 대응되는 위치에 암나사로 형성되는 결합공(112)이 형성되어, 제1결합부(128)가 제1고정부(127)를 관통하여 결합공(112)에 결합됨으로써 제1하우징(110)과 제2하우징(120)이 결합될 수 있다. 이때, 제1하우징(110)과 제2하우징(120)은 나사결합 이외에도 끼워 맞춤, 용접 또는 리벳팅 등 다양한 형태로 결합될 수 있다.
제1전극부(200)는 리튬금속(210)을 포함하며, 제1하우징(110)의 공간부(111)에 리튬금속(210)이 수용된다.
제2전극부(300)는, 제2하우징(120)의 공기 수용부(122)의 개방된 하측을 밀폐하도록 결합되되, 상측에 기체확산층(311)이 위치되고 그 하측에 촉매층(312)이 형성되며 그 하측에 멤브레인(313)이 결합될 수 있다. 그리하여 공기 수용부(122)에 수용되는 공기가 기체확산층(311)을 통해 확산되어, 촉매층(312)에서 리튬이온과 공기 중의 산소와 산화환원 반응을 일으킬 수 있도록 구성된다.
전해질부(400)는 제1하우징(110)의 공간부(111)에 구비되며 제1전극부(200)의 상부에 배치된다. 즉, 전해질부(400)는 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 구비되어 리튬이온이 이동될 수 있도록 구성된다.
즉, 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200)는 음극(애노드, anode)이 되고 제2전극부(300)는 양극(캐쏘드, cathode)이 되며 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 전해질부(400)가 구비되어 리튬 에어 배터리(1000)가 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 충방전이 반복되더라도 제2전극부(300)의 촉매층(312) 하측에 결합되는 멤브레인(313)에 의해 전해질부(400)로 촉매층(312)의 입자가 떨어져나가는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 버퍼층(315)의 촉매층(312)과 멤브레인(313) 사이에 촉매층(312)에 전해질이 과량 접촉되는 것을 방지하기 위한 버퍼층(315)을 채용하여, 리튬 에어 배터리(1000)의 촉매층(312)과 전해질의 과량 접촉을 방지함으로써 충방전 시 과전압 발생을 감소시킬 수 있다.
이때, 상기 전해질부(400)는, 상기 제1전극부(200)의 상측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막(410), 상기 분리막(410)의 상측에 밀착되는 고체전해질(420) 및 상기 고체전해질(420)과 제2전극부(300) 사이에 구비되는 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)을 포함할 수 있다. 그리하여 리튬 에어 배터리(1000)의 전기 화학적 특성 및 충방전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제2전극부(300)는 기체확산층(311)의 상측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막(314)을 더 포함하여, 폴리올레핀계 미세다공막(314)이 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)의 용매의 증발을 억제할 수 있다. 특히, 폴리올레핀계 미세다공막(314)은 기공의 크기가 매우 작으며(약 10nm) 소수성(hydrophobic)이므로, 리튬 에어 배터리(1000)의 전해질이 수계 전해질로 채용되는 경우 전해질(450)의 용매인 수분의 증발을 억제하는데 효과가 크다.
또한, 상기 전해질부(400)는, 상기 고체전해질(420)의 상측에 구비되며 상하를 관통하는 수용홀(431)이 형성되는 수용체(430)를 더 포함하며, 상기 수용체는 고체전해질(420), 분리막(410) 및 제1전극부(200)를 상기 공간부(111)에 밀착시키도록 구성될 수 있다.
즉, 수용체(430)는 도 4와 같이 제2하우징(120)에 의해 상측 테두리 부분이 눌리게 되고, 수용체(430)에 의해 고체전해질(420), 분리막(410) 및 제1전극부(200)가 공간부(111) 바닥면에 밀착 고정될 수 있다. 이때, 수용체(430)는 중앙부에 상하를 관통하도록 수용홀(431)이 형성되어, 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)이 수용홀(431)을 통해 고체전해질(420)과 접촉됨으로써 리튬이온이 이동될 수 있도록 구성된다.
그리하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 전해질부(400), 제1전극부(200) 및 제1하우징(110)의 접촉 저항이 줄어들어 리튬 에어 배터리(1000)의 효율 및 성능이 향상될 뿐 아니라, 리튬 에어 배터리(1000)의 수명이 길어지는 장점이 있다.
이때, 리튬금속(210)의 하측에는 그물망 형태의 집전체(220)가 구비될 수 있으며, 이는 제1하우징(110)의 공간부(111)에 수용되는 리튬금속(210), 전해질부(400) 및 제1하우징(110)이 밀착되도록 하기 위해 리튬금속(210)의 하측에 집전체(220)가 구비될 수 있으며, 이때 집전체(220)는 탄성이 있는 그물망 형태로 구성되어 리튬금속(210)과 전해질부(400)가 반응에 가장 유리한 상태로 접촉되도록 할 수 있다. 즉, 제1하우징(110)의 공간부(111)에 수용되는 집전체(220), 리튬금속(210) 및 전해질부(400)가 제2하우징(120)의 결합에 의해 밀착되어 접촉 저항을 더욱 줄일 수 있다. 그리고 집전체(220)의 재질은 구리, 스테인리스, 니켈 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 전해질부(400)는, 상기 제1전극부(200)가 공간부(111)에 수용되어 밀폐되도록 하는 제1밀폐부(440)를 더 포함할 수 있다.
이는, 전해질부(400)의 테두리부에 제1밀폐부(440)가 개재된 후 제1하우징(110)과 제2하우징(120)의 결합에 의해, 제1전극부(200)가 전해질부(400)와 제1밀폐부(440)에 의해 공간부(111) 내에 밀폐되도록 구성되는 것이다. 즉, 제1전극부(200)로 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)이 유입되지 않도록 하여, 리튬금속(210)의 부식을 방지함으로써 리튬 에어 배터리(1000)의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.
이때, 도시된 바와 같이 전해질부(400)의 고체전해질(420) 하측 테두리부와 수용체(430)의 상측 테두리부에 각각 오링(O-ring)과 같은 제1밀폐부(440)를 형성하여, 제1전극부(200)를 공간부(111) 내에 밀폐시키는 밀폐력이 향상되도록 할 수 있다. 그리고 유기전해질을 함유한 분리막(410) 또한 고제전해질(420)과 제1밀폐부(440)에 의해 밀폐될 수 있다.
또한, 상기 하우징부(100)는, 상기 제1하우징(110)과 제2하우징(120) 사이에 개재되며 상하를 관통하는 고정홀(131)이 형성되어 상기 고정홀(131)에 제2전극부(300)가 고정되는 제3하우징(130)을 더 포함할 수 있다.
이는, 도 3 및 도 4와 같이 제1하우징(110)과 제2하우징(120) 사이에 제3하우징(130)이 개재되어 밀착되는 것이다. 이때, 제1하우징(110)의 공간부(111)에 제1전극부(200)와 전해질부(400)가 수용된 후 제3하우징(130)을 상측에서 결합하여 전해질부(400), 제1전극부(200) 및 제1하우징(110)의 공간부(111) 바닥면이 밀착되도록 결합될 수 있으며, 제1하우징(110)과 제3하우징(130)은 볼트로 형성되는 제2결합부(133)와 제1하우징(110)에 형성되는 암나사산이 형성되는 결합공(112)에 의해 나사결합 될 수 있다. 여기에서 제3하우징(130)에는 제2결합부(133)가 관통되도록 관통홀로 형성되는 제2고정부(132)가 형성되고, 제2고정부(132)는 상측이 경사지도록 형성되며 제2결합부(133)는 접시머리 볼트로 형성되어 제2결합부(133)의 상측 머리 부분이 제3하우징(130)의 상면보다 위로 돌출되지 않도록 형성되어 제3하우징(130)의 상측에 제2하우징(120)을 밀착 결합하기 용이하도록 할 수 있다.
그 후 제3하우징(130)의 상측에 제2하우징(120)이 밀착 결합되며, 제3하우징(130)에는 관통공(134)이 형성되어 제1결합부(128)가 제1고정부(127) 및 관통공(134)을 관통하여 제1하우징(110)의 결합공(112)에 나사 결합될 수 있다.
이때, 제3하우징(130)에는 고정홀(131)이 형성되고 고정홀(131)의 상측 테두리부와 제2하우징(120) 사이에 제2전극부(300)의 테두리가 밀착되어 고정된다. 이때, 고정홀(131)의 상측 테두리부는 도시된 바와 같이 경사지게 형성될 수도 있으며 단턱이 형성되어 단턱에 제2전극부(300)의 테두리가 안치되어 고정될 수도 있다. 또한, 고정홀(131)에는 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)이 수용될 수 있어 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 이온의 이동이 가능하도록 구성된다.
그리하여 제1하우징(110), 제2하우징(120) 및 제3하우징(130)이 견고하게 결합되어 밀착될 수 있고, 제1전극부(200) 및 전해질부(400)의 밀착력이 향상될 수 있으며, 제2전극부(300)의 결합 및 고정이 용이해지는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 하우징부(100)가 제1하우징(110), 제2하우징(120) 및 제3하우징(130)으로 구성되어, 상부가 개방되며 공간부가 넓게 형성된 종래의 리튬 에어 배터리에 비해 밀폐성이 우수하며, 내구성이 향상되는 장점이 있다.
또한, 상기 멤브레인(313)은 술포닉 애시드 그룹(sulfonic acid group)이 포함되는 다공성막으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 다공성 재질의 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Polyperfluorosulfonic acid; 상품명 Nafion) 수지로 형성될 수 있다. 그리고 상기 멤브레인(313)은 가열 및 압착되어 상기 촉매층(312)에 밀착될 수 있다. 또한 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Nafion) 수지 용액을 사용하여 딥코팅(dip-coating)방법으로 멤브레인(313)이 형성될 수도 있다. 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Nafion) 멤브레인(313)은 양자(proton, H+, 수소이온)-전도성(conducting)이며(전도도:conductivity: 0.1 S/cm), 분자 구조상 친수성 술폰 그룹 (Hydrophilic sulfonyl group)과 소수성기 플루오르 뼈대(hydrophobic fluorinated backbones)로 이루어져 있다. 따라서 친수성기가 있고, 양자 전도성 특성은 Li+이온을 통과시키며, 산소와 물의 반응에 필요한 물을 흡수하여 리튬-에어(공기)의 작동을 원활하게 하며, 본 발명에서 목적하는 바 백금(Pt) 촉매층(312)의 보호에 적절한 멤브레인이다.
즉, 멤브레인(313)은 촉매층(312) 입자의 탈락을 방지하면서도 리튬이온의 이동이 가능한 재질로 형성될 수 있으며, 이는 리튬 에어 배터리(1000)의 성능 측면에서 가장 바람직하다.
또한, 상기 멤브레인(313)은 가열 및 압착되어 상기 촉매층(312)에 밀착될 수 있다. 즉, 촉매층(312)에 멤브레인(313)을 고온으로 가열 및 압착하여 촉매층(312)과 멤브레인(313)의 결합력을 향상시켜, 충방전의 반복에 따른 촉매층(312) 입자의 탈락을 더욱 확실하게 차단할 수 있다.
그리고 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)에 있어서, 이온성액체 전해질은 Lithium Acetate dihydrate (C2H3LiO2, Sigma-Aldrich), Lithium Chloride (LiCl, Sigma-Aldrich), Lithium hydroxide (LiOH, Sigma-Aldrich)의 염을 1몰 농도로 D.I. Water에 용해시킨 것을 사용할 수 있다. 또는, 수계전해질은 이온성액체 즉, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 이들의 혼합물로부터도 선택될 수 있다.
[화학식 1]
X+Y-
[상기 화학식 1에서,
X+는 이미다조리움이온, 피라졸리늄이온, 피리디늄이온, 피롤리듐이온, 암모늄이온, 포스포늄이온 또는 설포늄이온이고; Y-는 (CF3SO2)2N-, (FSO2)SN-, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, halogen-, CH3CO2 -, CF3CO2 -, CH3SO4 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)N-, NO3 -, SbF6 -, MePhSO3 -, (CF3SO2)3C- 또는 (R")2PO2 -(여기서 R"은 C1-C5의 알킬이다.)이다.]
상기 화학식 1에서 양이온(X+)은 다음의 표 1로 예시될 수 있다.
양이온 구조
(X+)		 구조명 양이온 구조
(X+)		 구조명
imidazolium ion
Figure pat00001
 pyrrolidium ion
Figure pat00002
pyridinium ion
Figure pat00003
 ammonium ion
Figure pat00004
phosphonium ion
Figure pat00005
 sulfonium ion
Figure pat00006
pyrazolium ion
Figure pat00007
상기 표에서 R1내지 R20및 R은 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐 또는 (C2-C20)알키닐이며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 하이드록시, 아미노, -SO3H,-COOH,(C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시, Si(R21)(R22)(R23)(R21, R22및 R23은 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시이다.)에서 선택되는 하나이상으로 더 치환될 수 있다.
상기 화학식 1에서 음이온(Y-)종류는 다음의 표 2로 예시될 수 있다.
음이온
(Y-)		 음이온 명칭 음이온(Y-) 음이온 명칭
BF4 - tetrafluoroborate (CF3SO2)N- bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]amide
PF6 - hexafluorophosphate NO3 - nitrate
AlCl4 - aluminium chloride SbF6 - hexafluoroanimonate
X- Halogen- (FSO2)2N- Bis[fluorosulfonyl]imide
CH3CO2 - acetate MePhSO3 - tosylate
CF3CO2 - trifluoroacetate (CF3SO2)2N- bis(trifluoromethylsulfonyl)imide
CH3SO4 - methylsulfate (CF3SO2)3C- tris(trifluoromethylsulfonyl)methide
CF3SO3 - trifluoromethylsulfate (OR)2PO2 - dialkyl phosphate
수계전해질의 일례로는 1-메틸-3-에틸 이미다조리움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-3-프로필 이미다조리움비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-3-알릴 이미다조리움비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-3-에틸 이미다조리움비스(플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-3-프로필 이미다조리움비스(플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-3-알릴 이미다조리움비스(플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-1-프로필 피롤리듐 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-1-알릴 피롤리듐 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-1-프로필 피롤리듐 (플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-1-알릴 피롤리듐 (플루오로술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 디부틸포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 디시안아미드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 헥사프루오로안티모네이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 헥사프루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 하이드로겐카보네이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 하이드로겐설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 테트라클로로알루미네이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 테트라클로로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 티오시아네이트, 1-도데실-3-메틸이미다조리움 아이오다이드, 1-에틸-2,3-디메틸이미다조리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 헥사플루오로포스페이트, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 테트라플루오로보레이트, 1-헥실-3-메틸이미다조리움 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-4-메틸피리디움 클로라이드, 1-부틸-4-메틸피리디움 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-4-메틸피리디움 헥사프루오로포스페이트, 벤질디메틸테트라데실암모니움 클로라이드, 테트라헵틸암모니움 클로라이드, 테트라키스(데실)암모니움 브로마이드, 트리부틸메틸암모니움 클로라이드, 테트라헥실암모니움 아이오다이드, 테트라부틸포스포니움 클로라이드, 테트라부틸포스포니움 테트라프루오로보레이트, 트리이소부틸메틸포스포니움 토실레이트 1-부틸-1-메틸피롤리디니움, 1-부틸-1-메틸피롤리디움 브로마이드,1-부틸-1-메틸피롤리디움 테트라플루오로보레이트, 1-아릴-3-메틸이미다조리움 브로마이드, 1-아릴-3-메틸이미다조리움 클로라이드 , 1-벤질-3-메틸이미다조리움 헥사플루오로포스페이트, 1-벤질-3-메틸이미다조리움 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 디부틸 포스페이트, 1-(3-시아노프로필)-3-메틸이미다조리움 비스(트리풀루오로메틸설포닐)아마이드, 1,3-디메틸이미다조리움 디메틸 포스페이트, 1-에틸-2,3-디메틸이미다조리움 에틸 설페이트 등이 있으며, 바람직하게는 1-에틸-3-메틸이미다조리움 알루미늄 클로라이드, 1-부틸-4-메틸피리디움 헥사플루오로포스페이트, 벤질디메틸테트라데실알루미늄 클로라이드, 트리부틸메틸알루미늄 클로라이드, 테트라부틸포스피늄 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-1-메틸피롤리디움 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 테트라클로로알루미네이트, 1-부틸-4-메틸피리디움 클로라이드, 1-부틸-4-메틸피리디움 테트라플루오로보레이트 등이 포함된다.
수계전해질은 바람직하게 높은 이온 전도도와 우수한 전기특성을 나타내는 점도를 가지기 위한 측면에서 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 양이온을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00008
[화학식 3]
Figure pat00009
[상기 화학식 2 내지 3에서,
R1내지 R4는 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐 또는 (C2-C20)알키닐이며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 하이드록시, 아미노, -SO3H, -COOH, (C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시, Si(R21)(R22)(R23)(R21, R22 및 R23은 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시이다.)에서 선택되는 하나이상으로 더 치환될 수 있다.]
보다 바람직하게는 수계전해질은 하기 구조에서 선택되는 화합물을 하나이상 포함할 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
수계전해질은 LiPF6, LiTFSI(Lithium bis(fluorosulfonly)imide), LiBF4, LiClO4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(SO3C2F5)2, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC6H5SO3, LiSCN, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 리튬염을 포함할 수 있으며, 리튬염은 생성된 Li2O2가 다공질공기극의 표면에서 연속적인 반응을 저해하지 않고 이온전도도를 증가시키기 위한 측면에서 0.025 내지 1몰의 농도로 존재할 수 있다.
그리고, 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)에 있어서, 비수계 전해질은 물을 포함하지 않는 유기용매를 사용할 수 있으며, 비수계 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계 용매, 유기인(organophosphorous)계 용매 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다.
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, 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.
에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란등이 사용될 수 있으며, 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다.
또한 유기황계 및 유기인계 용매로는 메탄설포닐클로라이드(methanesulfonyl chloride)와 p-트리클로로-n-디클로로포스포릴모노포스파젠(p-Trichloro-n-dichlorophosphorylmonophosphazene) 등이 사용될 수 있으며, 비양성자성 용매로는 R'CN(R'은 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.
비수계 유기용매는 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 둘 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당업자가 이해될 수 있는 범위이다.
이때, 비수계 유기용매는 리튬염을 포함할 수 있으며, 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬이온의 공급원으로 작용할 수 다.
리튬염으로는 수계 전해질에서와 같이, LiPF6, LiTFSI(Lithium bis(fluorosulfonly)imide), 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.
리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0몰 범위 내에서 사용할 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해액이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로, 우수한 전해액 성능을 나타낼 수 있고, 리튬이온이 효과적으로 이동할 수 있다. 또한, 비수계 유기용매는 리튬염 이외에도 다른 금속염을 추가로 포함할 수 있으며, 일례로 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등이 있다.
그리고 분리막(410)에 함유되는 유기전해질은 비수계 전해질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 분리막(410)에 함유되는 유기전해질은 전술된 전해질(450)에서의 비수계 전해질의 경우와 같이 물을 포함하지 않는 유기용매를 사용할 수 있으며, 비수계 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계 용매, 유기인(organophosphorous)계 용매 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다.
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, 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.
에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란등이 사용될 수 있으며, 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다.
또한 유기황계 및 유기인계 용매로는 메탄설포닐클로라이드(methanesulfonyl chloride)와 p-트리클로로-n-디클로로포스포릴모노포스파젠(p-Trichloro-n-dichlorophosphorylmonophosphazene) 등이 사용될 수 있으며, 비양성자성 용매로는 R'CN(R'은 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.
비수계 유기용매는 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 둘 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당업자가 이해될 수 있는 범위이다.
이때, 비수계 유기용매는 리튬염을 포함할 수 있으며, 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 예를 들어 음극과 리튬이온 전도성 고체전해질(420) 사이의 리튬이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다.
리튬염으로는 전술된 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)에 포함되는 리튬염과 동일하거나 상이할 수 있으며, LiPF6, LiTFSI(Lithium bis(fluorosulfonly)imide), 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.
리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0몰 범위 내에서 사용할 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로, 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬이온이 효과적으로 이동할 수 있다. 비수계 유기용매는 리튬염 이외에도 다른 금속염을 추가로 포함할 수 있으며, 일례로 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등이 있다.
고체전해질(420)은 리튬이온 전도성 고체전해질막을 의미하며, 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질(450)이 수계 전해질로 이루어진 경우, 수계 전해질 내에 포함된 물이 음극에 포함된 리튬과 직접적으로 반응하지 못하도록 보호하는 보호막 역할을 수행할 수 있다.
이와 같은 리튬이온 전도성 고체전해질(420)은 일례로 리튬이온 전도성 글래스, 리튬이온 전도성 결정(세라믹 또는 글래스-세라믹) 또는 이들의 혼합물을 함유하는 무기물질 등이 있으며, 프로톤 전도성 이온교환 수지 또는 프로톤 전도성 이온교환 필름 등의 형태로 실시될 수 있다. 더욱 구체적으로는, 본 발명의 고체전해질(420)은 나피온 필름으로 실시되는 것이, 리튬 에어 배터리의 제조에 용이하며 배터리의 충방전 에너지 효율이 높은 장점을 갖을 수 있다.
이하, 본 발명은 하기 도면 및 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기 도면 및 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것으로서 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
[제조예1] 나피온 코팅 된 양극의 제조
본 발명에 따른 리튬 에어 배터리의 멤브레인(313)은 촉매층(312)의 일측에 결합되어 촉매층(312)의 입자들이 떨어져나가는 것을 방지하는 특징이 있으며, 여기서 멤브레인은 나피온 멤브레인 일 수 있다.
나피온 멤브레인을 이용한 가열 및 압착 공정(hot press)
과불소화 나피온 멤브레인(Nafion perfluorinated membrane; N-115 또는 N-117, Sigma-Aldrich)을 배터리 제조에 사용되는 양극의 지름보다 다소 크게 펀치를 사용하여 자른다(예; 지름 1.5cm의 양극인 경우에 지름 1.7cm의 멤브레인을 제조함). 양극의 백금(Pt) 촉매층의 표면에 기 형성된 나피온 용액에 함침 된 포스포러스 카본 버퍼층이 나피온 멤브레인에 접촉하도록 하여 순차적으로 올려놓은 후 이형필름백(release film bag)에 넣는다. 다음으로 준비된 이형필름백을 가열압착공정을 이용하여 100 kg/cm2의 압력의 압력으로 3분간 유지한다. 이때 가열압착공정의 온도는 135oC를 유지한다. 이때 양극의 마이크로구조(microstructure)변화를 유도하기 위하여 압력 및 온도 또는 유지 시간을 변화시킬 수 있다.
나피온 수지 용액(Nafion resin solution)을 이용한 딥코팅 공정(Dip coating)
과불소화 나피온 수지(Nafion perfulorinated resin)와 수분산액(aqueous dispersion; 10wt% in H2O, Sigma-Aldrich)을 페트리디쉬에 양극의 크기에 따라 적정량(지름 1.5cm의 양극의 경우 100mL)을 넣은 후 나피온 용액에 함침 된 포스포러스 카본 버퍼층이 표면에 기 형성된 양극의 백금(Pt)층이 완전히 잠기도록 한 후 5 분내지 10분을 유지한다. 이후 상온의 퓸후드(fume hood) 내의 층류흐름(laminar flow) 상태에서 24시간 동안 건조시킨다. 본 제조예에서 사용된 나피온 수지는 고농도의 나피온 수지 용액(예; 30wt% in H2O)이 사용될 수 있으며, 침지 및 건조 과정은 양극의 백금 촉매층에 최종적으로 생성되길 원하는 나피온필름의 두께 및 마이크로구조에 따라 1~2 회 혹은 다회 반복될 수 있다.
[제조예2] 촉매층과 멤브레인 사이에 버퍼층 제조
전도성 이온교환 수지와 메조포러스 카본으로 이루어진 버퍼층(315)은 전해질과 양극을 구성하는 촉매층(312)의 사이에 채용되어, 리튬 에어 배터리(1000)의 촉매층(312)과 전해질의 과량 접촉을 방지함으로써 충방전 시 과전압 발생을 감소시키는 특징이 있다.
제조 방법1
버퍼층의 제조를 위하여 나피온필름을 지름 16cm의 펀치를 사용하여 원형으로 만든다. 조성 20wt%(in H2O) 또는 10wt%(in H2O)의 나피온 수지 용액을 스포이드를 사용하여 나피온 필름에 2~3 방울을 떨어뜨려 표면을 적시고, 이 표면 위에 두께 2mm, 지름 16cm의 카본폼(carbon foam)을 올려놓는다. 이때 나피온필름의 형상이 변하게 되므로 건조 시까지 무게 200g정도의 추를 나피온필름 상단에 올려놓아 형상이 유지되도록 한다. 24시간을 대기 중에서 건조 후에 추를 제거한 후 조성 20wt%(in H2O) 또는 10wt%(in H2O)의 나피온 수지 용액을 스포이드를 사용하여 카본폼에 2~3 방울을 떨어뜨려 카본 폼이 전체적으로 습윤되도록 한다. 단, 과도하게 ?윤되어 나피온 수지 용액이 나피온필름 주변으로 흘러 넘치지 않도록 주의한다.
[제조예3] 폴리올레핀계 복합 미세다공막(혹은 분리막)의 제조
본 리튬 에어 배터리에 전해액의 증발을 억제하고자 사용된 폴리올레핀계 복합 미세다공막(혹은 분리막)은 고분자 바인더와 무기입자를 포함한 다공막으로서, 고분자 바인더는 수용성 고분자와 비수용성 고분자를 동시에 사용하며, 수용성 고분자와 비수용성 고분자의 함량을 조절하여 내열성, 접착력, 수분함량의 최적화를 가능하게 하는 특징이 있다.
제조 방법 1
폴리올레핀계 미세다공막의 제조를 위해 중량평균분자량이 3.8x105인 고밀도 폴리에틸렌을 사용하였다. 다일루언트로는 디부틸 프탈레이트와 40 동점도가 160cSt인 파라핀 오일을 1:2로 혼합 사용하였으며, 폴리에틸렌과 다일루언트의 함량은 각각 30중량%, 70중량%이었다. 상기 조성물을 T-다이가 장착된 이축 컴파운더를 이용하여 240℃로 압출하고 170℃로 설정된 구간을 통과하여 단일상으로 존재하는 폴리에틸렌과 다일루언트의 상분리를 유발하고 캐스팅롤을 이용하여 시트를 제조하였다. 축차 2축 연신기를 사용하여 제조된 시트를 종/횡방향으로 연신온도 128℃에서 각각 6배 연신 하였으며, 연신 후 열고정 온도는 128℃이였으며, 열고정 폭은 1-1.2-1.1로 제조되었다. 제조된 폴리에틸렌 미세다공막의 최종두께는 16㎛, 기체투과도(Gurley)는 130sec 이며 기공닫힘온도는 140℃이다.
상기의 방법으로 제작된 폴리올레핀계 미세다공막을 사용하여 용융온도가 220℃이고 비누화도가 98%인 폴리비닐알콜 2.6wt%와 유리전이온도(Tg)가 -45℃인 아크릴 라텍스(Acrylic latex)를 고형분 3.1wt%(Rovene 6050)가 되도록 사용하고, 알루미나 분말(Al2O3; 평균입경 0.4㎛) 47wt%를 탈이온수(Deionized water)에 용해시켜 제조하였다. 다이(Die)코팅 방식을 사용하여 폴리올레핀계 미세다공막 단면에 도포한 뒤, 60℃ 오븐에서 일정한 풍량을 가하여 용매를 제거/건조하고, 최종적으로 두께 4.2㎛의 코팅층을 갖는 폴리올레핀계 복합 미세다공막을 제조하였다.
제조 방법 2
폴리올레핀계 미세다공막의 제조를 위해 중량평균분자량이 3.8x105인 고밀도폴리에틸렌을 사용하였고, 다일루언트로는 디부틸 프탈레이트와 40 동점도가 160cSt인 파라핀 오일을 1:2로 혼합 사용하였으며, 폴리에틸렌과 다일루언트의 함량은 각각 25중량%, 75중량%이었다. 상기 조성물을 T-다이가 장착된 이축 컴파운더를 이용하여 240℃로 압출하고 170℃로 설정된 구간을 통과하여 단일상으로 존재하는 폴리에틸렌과 다일루언트의 상분리를 유발하고 캐스팅롤을 이용하여 시트를 제조하였다. 축차 2축 연신기를 사용하여 제조된 시트를 종/횡방향으로 연신온도 128℃에서 각각 7배 연신 하였으며, 연신 후 열고정 온도는 126℃이였으며, 열고정 폭은 1-1.2-1.2로 제조되었다. 제조된 폴리에틸렌 미세다공막의 최종두께는 9㎛ 기체투과도(Gurley)는 110sec 이며 기공닫힘온도는 139℃이다.
상기에 기재된 폴리올레핀계 미세다공막에 용융온도가 225℃이고 비누화도가 97.5%인 실라놀-폴리비닐알콜(Silanol- Polyvinyl Alcohol)공중합체 0.5wt%와 유리전이온도(Tg)가 -24℃인 카르복시화 스티렌 뷰타다이엔 라텍스(Carboxylated Stylene butadiene Latex) 1.5%(Rovene 4305)에 종횡비가 10~20인 판상형 알루미나 분말(Al2O3; 평균입경 1.5㎛) 22wt%를 탈이온수에 용해시켜 제조하였다. 마이크로 그라비아(Micro-gravure)코팅 방식을 사용하여 폴리올레핀계 미세다공막의 단면에 도포한 뒤, 60℃ 오븐에서 일정한 풍량을 가하여 용매를 제거/건조하고, 최종적으로 두께 3.5um의 코팅층을 갖는 폴리올레핀계 복합 미세다공막을 제조하였다.
제조 방법 3
상기 제조 방법1을 사용하여 제작된 폴리올레핀계 미세다공막을 사용하였고, 용융온도가 220℃이고 비누화도가 99%인 폴리비닐알콜을 0.6wt%와 유리전이온도(Tg)가 -45℃인 아크릴 라텍스(Acrylic latex)를 4.0wt%%(Rovene 6050)에 알루미나 분말(Al2O3; 평균입경 0.6㎛) 40wt%를 탈이온수에 용해시켜 제조하였다. 다이(Die)코팅 방식을 사용하여 폴리올레핀계 미세다공막 단면에 도포한 뒤, 60℃ 오븐에서 일정한 풍량을 가하여 용매를 제거/건조하고, 최종적으로 두께 2.5um의 코팅층을 갖는 폴리올레핀계 복합 미세다공막을 제조하였다.
[실시예 1] 리튬 에어 배터리 제조
리튬염으로 LiCH3COOH (Lithium Acetic Acid, molar mass = 102.02g/mol, Sigma-Aldrich), LiCl (Lithium Chloride, molar mass = 42.39 g/mol, Sigma-Aldrich), LiOH (Lithium Hydroxide, molar mass = 23.95 g/mol, Sigma-Aldrich)를 각각 16.3g, 6.8g, 3.8g을 1리터(liter, L)의 탈이온수(D.I. water)에 용해시켜 각각의 1M 농도의 수계 전해액을 제조하여 제2전해질로 준비하였다. 음극으로 리튬 금속 박막을 사용하였으며, 상기 리튬 금속 박막 상에 배치되는 세퍼레이터로서 폴리프로필렌(SKI, F305CHP, 525HV)을 사용하였다. 다공질공기극으로 나피온 코팅 된 양극(Nafion coated air-cathode)을 제조예1에 기술한 것과 같은 방법으로 제조하였다. 기본 양극으로서 백금 촉매층을 가진 가스확산층(Pt 10wt%, Fuel Earth, EP1019)을 사용하였다. 촉매층과 멤브레인 사이의 버퍼층은 제조예2에 따라 제조하되, 이때 포스포러스 카본은 20wt%의 나피온 용액에 함침시켜 사용하였다. 그리고, 전해액의 증발을 억제하기 위해 사용된 폴리올레핀계 복합 미세다공막(SKI, F305CHP, 525HV)은 제조예3에 의해 만들어진 것이 사용되었다.
스테인레스 케이스에 리튬 금속 박막 음극을 설치하고 상기 음극에 대향하는 측에 1 M의 LiTFSi in EC:DMC = 1:1, 1M의 LiTFSi in EC:PC = 1:1, 1M의 LiPF6 in EC:DEC = 1:1의 유기계전해질을 준비하여, 이중 하나를 주입한 세퍼레이터를 설치하고, 그 위에 고체전해질막(OHARA, AG-01)을 설치하고 그 상부에 준비된 수계전해질이 주입된 수용체를 설치하고 양극을 음극에 대향하도록 세팅하였다. 이어서, 양극 상에 carbon paper washer를 배치하고, 그 위에 제2하우징(120)이 억눌러 셀을 고정시켜 리튬 에어 배터리를 제조하였다. 수계전해질로 1M LiCH3COOH in D.I. water, 유기계전해질로 분리막과의 습윤성(wettability)이 좋은 1M LiTFSi in EC:DMC = 1:1을 사용하였으며, 나머지 자재는 상기 기술된 것과 동일한 재료가 사용되었다.
상기 기술된 방법으로 제조된 실시예 1에 따른 리튬 에어 배터리의 충방전 주기, 방전 에너지, 충전 에너지 및 충방전 에너지 효율을 도 5 내지 도 8에 나타내었다. 이때, 실험은 25℃, 1atm에서 0.25mA/cm2의 정전류 모드(constant current mode)로 일정시간 24분 동안 방전 및 충전하여 실시되었다. 여기서, 본 도면들에 따르면 실시예 1의 리튬 에어 배터리가 매우 안정적이며 우수한 배터리 성능을 보이며 사이클 수명이 좋음을 알 수 있다.
[비교예 1] 리튬 에어 배터리의 제조
버퍼층의 구성을 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 리튬 에어 배터리를 제조하였다.
상기 기술된 방법으로 제조된 비교예 1에 따른 리튬 에어 배터리의 충방전 주기, 방전 에너지, 충전 에너지 및 충방전 에너지 효율을 도 9 내지 도 12에 나타내었다. 이때, 실험은 25℃, 1atm에서 0.25mA/cm2의 정전류 모드(constant current mode)로 일정시간 24분 동안 방전 및 충전하여 실시되었다.
이를 통하여, 실시예 1의 경우 비교예 1에 비하여, 충방전 주기가 더 길고 충방전 에너지 효율이 더 향상 되었음을 확인할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 리튬 에어 배터리는 상기 실시예 1에서 보이는 바와 같이 나피온 코팅 된 멤브레인(313)은 백금(Pt) 촉매층이 서서히 박리되는 것을 막아주고, 버퍼층(315)은 촉매층(312)에 전해질이 과도하게 접촉되는 것을 방지하며, 폴리올레핀계 미세다공막은 수계전해질 용매의 증발을 억제하여 배터리 성능이 매우 향상된 것을 알 수 있다. 이로써, 대기 분위기에서 246 사이클의 우수한 사이클 수명을 확보할 수 있으며, 방전 에너지 보유율(discharge energy retention rate)도 매우 높은 것을 알 수 있다.
더구나 음극으로 리튬 금속을 사용하는 경우 수분의 영향으로 종래에는 수십 사이클 이상 수명을 확보하기 어려웠으나, 본 발명의 리튬 에어 배터리는 구조상 전기적인 단락(short circuit)이 방지되고, 수분의 침투를 근복적으로 차단하여 우수한 사이클 수명을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 에어 배터리는 이온성액체를 전해질로 사용하는 경우 특히 FSI나 TFSI 의 음이온을 갖는 이온성액체를 수계전해질로 채용해 리튬과의 분해반응으로 인한 열화를 감소시켜 우수한 충방전 특성을 나타낼 수 있다. 이런 경우 일반적인 Half-cell의 경우조차 최소 4 시간에서 12시간의 안정화 시간이 요구되고 있음에 반해 본 발명의 리튬 에어 배터리는 30분 내지 1시간의 짧은 안정화 시간을 가질 수 있다.
본 발명의 리튬 에어 배터리는 전해질과 양극을 구성하는 촉매층(312)의 사이에 전도성 이온교환 수지와 메조포러스 카본으로 이루어진 버퍼층(315)을 채용하여, 리튬 에어 배터리의 촉매층과 전해질의 과량 접촉을 방지함으로써 충방전 시 과전압 발생을 감소시킬 수 있다.
동시에, 본 발명의 리튬 에어 배터리는 전해질과 접촉되며 공기 중의 산소를 활물질로 사용하는 양극에 소수성의 폴리올레핀계 미세다공막과 리튬이온이 통과될 수 있는 멤브레인을 결합하여 충방전이 반복되더라도 촉매층이 탈락되지 않고, 수계전해질 용매의 증발을 억제하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 에어 배터리는 상기된 효과에 의하여, 전지의 성능이 저하되는 것이 방지되고 수명이 연장되는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000 : 리튬 에어 배터리
100 : 하우징부
110 : 제1하우징
111 : 공간부 112 : 결합공
120 : 제2하우징
121 : 통기공 122 : 공기 수용부
127 : 제1고정부 128 : 제1결합부
130 : 제3하우징
131 : 고정홀 132 : 제2고정부
133 : 제2결합부 134 : 관통공
200 : 제1전극부
210 : 리튬금속 220 : 집전체
300 : 제2전극부
311 : 기체확산층 312 : 촉매층
313 : 멤브레인 314 : 폴리올레핀계 미세다공막
315 : 버퍼층
400 : 전해질부
410 : 분리막(유기계전해질) 420 : 고체전해질
430 : 수용체 431 : 수용홀
440 : 제1밀폐부 450 : 수계전해질

Claims (13)

  1. 리튬금속을 포함하는 제1전극부;
    일측이 공기와 접촉되는 기체확산층, 상기 기체확산층의 타측에 형성되는 촉매층, 상기 촉매층에 결합되어 리튬이온이 통과되는 멤브레인 및 상기 멤브레인과 상기 촉매층 사이에 구비되는 버퍼층을 포함하며, 상기 제1전극부와 이격되어 형성되는 제2전극부; 및
    상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 구비되는 전해질부;를 포함하는 리튬 에어 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 전도성 이온교환 수지 용액에 함침 된 메조포러스 카본인 리튬 에어 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 이온교환 수지 용액은 적어도 20wt%(in H2O)의 함량으로 전도성 이온교환 수지를 함유하는 리튬 에어 배터리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 이온교환 수지는 나피온(Nafion), 다이아이온(Diaion), 트릴라이트(Trilite) 중 선택된 1종 또는 2종의 혼합물인 리튬 에어 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해질부는, 상기 제1전극부의 일측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 일측에 밀착되는 고체전해질 및 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 구비되는 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질을 포함하는 리튬 에어 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고체전해질은 프로톤 전도성 이온교환 수지 또는 프로톤 전도성 이온교환 필름인 리튬 에어 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극부는 기체확산층의 일측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막을 더 포함하는 리튬 에어 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    상측이 개방된 공간부가 구비되는 제1하우징 및 상기 제1하우징의 상부에 배치되어 상기 제1하우징의 공간부를 밀폐하며 하측이 개방된 공기 수용부와 상기 공기 수용부에 연통되는 통기공이 형성되는 제2하우징을 포함하는 하우징부;를 더 포함하며,
    상기 제1전극부는 제1하우징의 공간부에 수용되고,
    상기 제2전극부는 제2하우징의 공기 수용부 하측에 결합되어 상기 제1전극부와 이격되게 형성되되, 상기 제2전극부는 상측에 기체확산층이 배치되고 하측에 멤브레인이 배치되도록 결합되며,
    상기 전해질부는 제1하우징의 공간부에 구비되어 상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 구비되는 리튬 에어 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전해질부는, 상기 제1전극부의 상측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 상측에 밀착되는 고체전해질, 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 구비되는 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질 및 상기 고체전해질의 상측에 구비되며 상하를 관통하는 수용홀이 형성되는 수용체를 포함하며,
    상기 수용체는 고체전해질, 분리막 및 제1전극부를 상기 공간부에 밀착시키는 리튬 에어 배터리.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하우징부는, 상기 제1하우징과 제2하우징 사이에 개재되며 상하를 관통하는 고정홀이 형성되어 상기 고정홀에 제2전극부가 고정되는 제3하우징을 더 포함하는 리튬 에어 배터리.
  11. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 멤브레인은 술포닉 애시드 그룹(sulfonic acid group)이 포함되는 다공성막인 리튬 에어 배터리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 멤브레인은 다공성 재질의 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Polyperfluorosulfonic acid) 수지로 형성되는 리튬 에어 배터리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 멤브레인은 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지를 가열 및 압착하여 상기 촉매층에 밀착되도록 형성되거나, 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지 용액을 사용하여 딥 코팅(dip-coating) 방법으로 상기 촉매층에 밀착 형성되는 리튬 에어 배터리.
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