KR20150143289A - Separator for metal air battery, metal air battery including the same, manufacturing method of separator for metal air battery and manufacturing method of metal air battery - Google Patents

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KR20150143289A
KR20150143289A KR1020150049031A KR20150049031A KR20150143289A KR 20150143289 A KR20150143289 A KR 20150143289A KR 1020150049031 A KR1020150049031 A KR 1020150049031A KR 20150049031 A KR20150049031 A KR 20150049031A KR 20150143289 A KR20150143289 A KR 20150143289A
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Abstract

The present invention relates to a separator for a metal air battery, the metal air battery including the same, a method to manufacture a separator for the metal air battery, and a method to manufacture the metal air battery. The separator for the metal air battery comprises: a separator body; and a porous layer including a catalyst prepared on at least one surface of the separator body.

Description

금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법{SEPARATOR FOR METAL AIR BATTERY, METAL AIR BATTERY INCLUDING THE SAME, MANUFACTURING METHOD OF SEPARATOR FOR METAL AIR BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF METAL AIR BATTERY}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a separator for a metal air cell, a metal air cell including the separator, a method for manufacturing a separator for a metal air battery, and a method for manufacturing a metal air battery. METHOD OF METAL AIR BATTERY}

본 명세서는 2014년 06월 13일에 한국 특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2014-0072486호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 전부 본 명세서에 포함된다.This specification claims the benefit of Korean Patent Application No. 10-2014-0072486 filed with the Korean Intellectual Property Office on Jun. 13, 2014, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

본 명세서는 금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a separator for a metal air cell, a metal air cell including the separator, a method for manufacturing a separator for a metal air battery, and a method for manufacturing a metal air battery.

전자 기기에 대한 전력 공급을 위한 수단으로 전지(battery)가 널리 사용되고 있다. 특히, 이차 전지는 현재 노트북, 휴대폰, 자동차 등을 포함하는 산업 전반에 영향력을 미치고 있다. 최근 스마트 기기의 붐이 일어나고 있으며, 실제 사용시 가장 불편한 것이 사용 시간이므로, 고용량 전지의 개발이 요구되고 있다.BACKGROUND ART Batteries are widely used as means for supplying power to electronic devices. In particular, rechargeable batteries are currently affecting the entire industry including notebooks, mobile phones, and automobiles. Recently, a boom of a smart device is taking place, and since the most inconvenient time in actual use is the use time, development of a high capacity battery is required.

이러한 요구에 따라 금속 전지를 대체할 수 있는 기술로서 금속 공기 전지에 대한 연구 개발이 시도되고 있다.Research and development of metal air cells have been attempted as a technology capable of replacing metal batteries in accordance with these demands.

이하에서는 주로 리튬 공기 전지에 대하여 구체적으로 설명하지만, 그 외 금속 공기 전지도 유사한 원리로 작용한다.Hereinafter, lithium air cells will be mainly described, but other metal air cells also act on a similar principle.

리튬 공기 전지란 음극과 양극 재료로 각각 리튬과 공기를 사용하는 전지로 방전시에는 음극의 리튬 금속이 산화되고 양극의 공기 중의 산소가 환원되면서 화학에너지가 전기에너지로 변환되고, 충전시에는 반대로 작동하는 원리를 이용한다.Lithium-air batteries are lithium-metal batteries that use lithium and air as their cathode and anode materials, respectively. During the discharge, lithium metal in the cathode is oxidized and oxygen in the air of the anode is reduced so that chemical energy is converted into electrical energy. .

상기 리튬 공기 전지는 양극, 음극과 양극과 음극 사이에 구비된 전해질 및 분리막으로 구성된다. The lithium air battery includes an anode, a cathode, an electrolyte provided between the anode and the cathode, and a separator.

이중에서도 분리막은 리튬 공기 전지의 안정성 및 성능에 큰 영향을 미치는 요소로서, 전해질에 대한 우수한 투과 성능을 나타낼 수 있도록 미세 구멍 구조를 구비한 다공성 기재가 사용되어 오고 있다.Among them, the separator has a great influence on the stability and performance of the lithium air cell, and a porous substrate having a fine pore structure has been used so as to exhibit a good permeability to electrolyte.

그러나, 불완전한 충방전으로 인하여 발생하는 리튬 덴드라이트(dendrite)가 분리막의 기공을 통해 양극에 도달하게 되고, 이로 인하여 전지 내부 단락(internal short-circuit)을 일으킬 수 있다. 이러한 리튬 덴드라이트로 인한 전지 내부 단락은, 전지 안정성 확보에 가장 큰 위협 요소로 꼽히고 있다.However, lithium dendrite generated due to incomplete charge / discharge reaches the anode through the pores of the separator, which may cause an internal short-circuit. Such short-circuiting of the battery due to the lithium dendrite is considered to be the biggest threat to ensure the stability of the battery.

한국 공개 특허 제10-2013-0001170호Korean Patent Publication No. 10-2013-0001170

본 명세서는 금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a separator for a metal air cell, a metal air cell including the separator, a method for manufacturing a separator for a metal air battery, and a method for manufacturing a metal air battery.

본 명세서의 일 실시상태는 분리막 본체, 및 상기 분리막 본체의 적어도 일면에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층을 포함하는 것인 금속 공기 전지용 분리막을 제공한다.One embodiment of the present disclosure provides a separator for a metal air cell, comprising a separator body, and a porous layer comprising a catalyst provided on at least one side of the separator body.

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 상기 금속 공기 전지용 분리막과 전해질을 포함하는 것인 금속 공기 전지를 제공한다.Another embodiment of the present disclosure is directed to a positive electrode comprising: a positive electrode; cathode; And a separator for the metal air cell and an electrolyte disposed between the anode and the cathode.

또 다른 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응을 원활하게 하는 재료를 포함한다.In another embodiment, the catalyst comprises a material that facilitates an oxygen reduction reaction or an oxygen oxidation reaction.

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 분리막 본체의 적어도 일면에 촉매를 포함하는 조성물을 코팅하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides a method of manufacturing a separator for a metal air cell, comprising coating a composition comprising a catalyst on at least one side of the separator body.

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 양극, 음극 및 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 조립하는 단계 및 상기 양극과 음극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a metal air cell including the steps of assembling a separator for a positive electrode, a negative electrode, and the metal air battery, and injecting an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 금속 공기 전지용 분리막은 전지의 반응성을 향상시키고, 금속 덴드라이트에 기인한 전지 내부 단락을 방지할 수 있다. The separator for a metal air battery according to one embodiment of the present invention improves the reactivity of the battery and can prevent short-circuiting of the battery due to the metal dendrites.

따라서, 상기 분리막을 포함하는 금속 공기 전지는 과전압 저하 및 향상된 사이클(cycle)특성을 가질 수 있다.Accordingly, the metal air battery including the separator may have an overvoltage drop and an improved cycle characteristic.

도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막 본체 표면에 촉매가 구비되어 다공성층을 이루고 있는 모습을 보여주고 있다.
도 2는 금속 공기 전지의 일 예인 리튬 공기 전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 나타난 도이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 리튬 공기 전지의 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 따른 리튬 공기 전지의 충ㆍ방전에 따른 사이클 수명 변화를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 illustrates a porous layer formed on a surface of a separator body according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
Fig. 2 is a schematic view of a lithium air cell, which is an example of a metal air cell.
3 is a schematic view illustrating the structure of a metal air cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing charge / discharge curves of lithium air cells according to Examples and Comparative Examples. FIG.
5 is a graph showing changes in cycle life according to charging and discharging of lithium air cells according to Examples and Comparative Examples.

하기에서는 본 발명의 실시상태들을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외의 부분에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐트리지 않도록 생략될 것이라는 것에 유의하여야 한다.It should be noted that only the parts necessary for understanding the embodiments of the present invention will be described below, and the description of other parts will be omitted so as not to obscure the gist of the present invention.

또한, 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 기술 및 과학적 용어를 포함하는 모든 용어는 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Also, unless otherwise defined, all terms including the technical and scientific terms used herein may be used in a sense that is commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this application belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

이하 본 명세서에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만, 이에 의해 발명의 범위가 정해지는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the scope of the invention is not limited thereto.

본 명세서의 하나의 실시상태에 따른 금속 공기 전지용 분리막은 분리막 본체, 및 상기 분리막 본체의 적어도 일면에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층을 포함한다. 분리막 본체에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층은 전극 표면에서 발생하는 전기화학 반응에 참여하여 반응의 과전압을 줄여주며, 이로 인하여 상기 분리막을 포함하는 전지의 사이클 수명을 개선시키는 장점이 있다.According to one embodiment of the present invention, a separator for a metal air battery includes a separator body and a porous layer including a catalyst provided on at least one side of the separator body. The porous layer including the catalyst provided in the separator main body participates in the electrochemical reaction occurring on the electrode surface to reduce the overvoltage of the reaction, thereby improving the cycle life of the battery including the separator.

상기 분리막 본체로서는, 당 기술분야에서 금속 공기 전지용 분리막으로 사용된 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. The separator body can be used without limitation, as long as it is used as a separation membrane for metal air cells in the art.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 공기 전지용 분리막은 리튬 공기 전지용 분리막이다.According to an embodiment of the present invention, the separator for a metal air battery is a separator for a lithium air battery.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 분리막 본체는 다공성 기재로 이루어질 수 있으며, 다공성 기재는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프텔렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 1종 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성될 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 분리막 본체로서 유리섬유(glass fiber) 계열, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체가 사용될 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the separator body may be made of a porous substrate, wherein the porous substrate is selected from the group consisting of high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, And at least one selected from the group consisting of an ester, a polyacetal, a polycarbonate, a polyimide, a polyamide, a polyether ketone, a polyether sulfone, a polyphenylene oxide, a polyphenylene sulfide and a polyethylene naphthalene / RTI > According to one embodiment of the present disclosure, a glass fiber series, polyethylene (PE), polypropylene (PP), or a copolymer of polyethylene and polypropylene may be used as the separator body.

본 명세서에 있어서, 상기 촉매란, 금속 공기 전지의 충전 또는 방전의 반응속도를 제어하는 데 적용되는 재료를 의미한다. 예컨대, 상기 촉매는 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응 촉진 재료를 포함할 수 있다. 상기 촉매가 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응을 원활하게 한다는 관점에서, 상기 촉매를 포함하는 다공성층은 분리막 본체의 공기극을 향하는 면에 구비되는 것이 바람직하다. In this specification, the catalyst means a material which is applied to control the reaction rate of charging or discharging of the metal air cell. For example, the catalyst may include an oxygen reduction reaction or an oxygen oxidation reaction promoting material. From the viewpoint that the catalyst facilitates the oxygen reduction reaction or the oxygen oxidation reaction, it is preferable that the porous layer containing the catalyst is provided on the surface of the separation membrane body facing the air electrode.

상기 촉매는 입자 형태로 존재할 수 있으며, 상기 입자는 다공성일 수도 있다. The catalyst may be in the form of particles, and the particles may be porous.

상기 촉매의 예로는 금속 또는 금속 산화물이 있다. 상기 촉매로 사용될 수 있는 금속으로는 Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os, Rh 및 Ru와 같은 귀금속이 사용될 수 있으며, 금속 산화물로는 Co3O4, Al2O3 및 MnO2 등이 사용될 수 있다. 상기 촉매로는 단독 물질이 사용될 수도 있고, 2종 이상의 물질이 함께 사용될 수도 있다. Examples of the catalyst include a metal or a metal oxide. As the metal that can be used as the catalyst, noble metals such as Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os, Rh and Ru can be used. As the metal oxide, Co 3 O 4 , Al 2 O 3 , MnO 2 , Can be used. As the catalyst, a single substance may be used, or two or more substances may be used together.

한편, 상기 분리막이 리튬 공기 전지에 포함될 경우, Pt, Ag 및 Ru 등의 귀금속 촉매가 사용될 수 있으며, 비용 등 경제적 측면에서 Co3O4 및 MnO2 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.Meanwhile, when the separation membrane is included in the lithium air cell, a noble metal catalyst such as Pt, Ag, and Ru can be used. In view of cost and the like, it is preferable to use metal oxides such as Co 3 O 4 and MnO 2 .

촉매로서 금속 또는 금속 산화물을 사용할 경우, 금속 또는 금속 산화물은 전자를 받고 내어주는 전자 이동도가 높아 촉매에서 우선적으로 산소환원반응(ORR, oxygen reduction reaction) 및 산소발생반응(OER, oxygen evolution reaction)이 발생하게 된다. 또한, 촉매에서의 반응 키네틱스(kinetics)가 빠르기 때문에 전체적인 전극의 반응속도가 증가한다.When a metal or a metal oxide is used as a catalyst, a metal or a metal oxide has a high electron mobility to receive and release electrons, so that an oxygen reduction reaction (ORR) and an oxygen evolution reaction (OER) . Also, the kinetics of the reaction in the catalyst is rapid, increasing the overall reaction rate of the electrode.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층은 촉매 이외에 바인더를 더 포함한다. 바인더는 촉매가 유기적으로 연결될 수 있도록 도와주는 역할을 한다.According to one embodiment of the present disclosure, the porous layer further comprises a binder in addition to the catalyst. The binder serves to help organically link the catalyst.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 바인더는 다공성층 중 30% 미만의 무게질량비를 가진다.According to one embodiment of the present disclosure, the binder has a weight mass ratio of less than 30% in the porous layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 촉매는 다공성층 총 중량에 대하여 70 중량% 이상으로 포함된다.According to one embodiment of the present disclosure, the catalyst is included at 70 wt% or more based on the total weight of the porous layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 촉매의 비표면적은 0.1m2/g 내지 100m2/g일 수 있다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 촉매의 비표면적은 1m2/g 내지 100m2/g일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the specific surface area of the catalyst may be from 0.1 m 2 / g to 100 m 2 / g. According to another embodiment, the specific surface area of the catalyst may be from 1 m 2 / g to 100 m 2 / g.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층의 두께는 30nm 내지 100㎛일 수 있다. 또한, 상기 다공성층의 두께는 1㎛ 내지 30㎛일 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the thickness of the porous layer may be between 30 nm and 100 탆. Also, the thickness of the porous layer may be 1 탆 to 30 탆.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층의 기공도는 50 % 이상일 수 있다. 이 경우 반응면적 증가에 따른 방전용량이 증대되고 반응물의 분해반응이 용이한 장점이 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the porosity of the porous layer may be at least 50%. In this case, the discharge capacity increases with the increase of the reaction area and the decomposition reaction of the reactant is easy.

상기 다공성층의 기공도는 50 % 이상일 수 있고, 필요에 따라 상기 다공성층의 기공도는 80 % 이상일 수 있다. The porosity of the porous layer may be 50% or more, and if necessary, the porosity of the porous layer may be 80% or more.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층은 분리막 본체의 적어도 일면에 촉매를 포함하는 조성물을 코팅함으로써 제조될 수 있다. 이 때, 상기 조성물은 촉매 이외에 용매를 포함할 수 있으며, 용매의 종류는 당 기술분야에 알려진 것이라면 제한없이 채용될 수 있다. 상기 용매의 비제한적인 예로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 들 수 있다. 상기 조성물은 필요에 따라 바인더를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 바인더의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF)를 들 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the porous layer can be produced by coating a composition comprising a catalyst on at least one side of the membrane body. At this time, the composition may include a solvent in addition to the catalyst, and the kind of the solvent may be employed without limitation as long as it is known in the art. Non-limiting examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The composition may further include a binder as required, and a non-limiting example of the binder is polyvinylidene fluoride (PVdF).

상기 조성물을 코팅하는 방법으로는 특별히 한정되지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 감압여과법, 딥핑법, 스크린프린팅법 등이 사용될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.The method of coating the composition is not particularly limited, and any method known in the art can be used. For example, a vacuum filtration method, a dipping method, a screen printing method, or the like may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅할 때 상기 촉매 자체를 다공성 입자를 사용하거나, 조성물의 점성을 이용하거나, 또는 첨가제를 사용함으로써, 다공성을 부여할 수 있다. Porosity can be imparted to the separator body when the composition is coated on the separator body by using porous particles, by using the viscosity of the composition, or by using an additive.

상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅한 후에, 100℃ 이상 150℃ 이하의 온도에서 건조할 수 있다. 상기 건조는 진공 건조일 수 있다. 100℃ 미만일 경우 수분을 완전히 증발시키기 어려우며 전극 내 잔여 수분은 전극 성능에 악영향을 줄 수 있다.After the composition is coated on the separator main body, it may be dried at a temperature of 100 ° C or more and 150 ° C or less. The drying may be vacuum drying. When the temperature is less than 100 ° C, it is difficult to completely evaporate moisture, and residual moisture in the electrode may adversely affect electrode performance.

상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅한 후에, 12시간 이상 건조하는 과정이 진행될 수 있다. After the composition is coated on the separator main body, drying may be performed for 12 hours or more.

상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅한 후에, 100℃ 이상 150℃ 이하의 온도에서 12시간 이상 진공 건조하는 과정이 진행될 수 있다. After the composition is coated on the separator main body, vacuum drying may be performed at a temperature of 100 ° C or more and 150 ° C or less for 12 hours or more.

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 포함하는 금속 공기 전지를 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides a metal air cell comprising the above-described separator for a metal air cell.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 금속 공기 전지의 음극 활물질은 리튬, 아연, 마그네슘 또는 알루미늄이 될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.According to one embodiment of the present disclosure, the negative electrode active material of the metal air battery may be, but is not limited to, lithium, zinc, magnesium or aluminum.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal air battery may be a lithium air battery.

또 다른 일 실시상태는 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 포함하는 금속 공기 이차 전지를 제공한다.Another embodiment provides a metal air secondary battery comprising the above-described separator for a metal air battery.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 공기 이차 전지는 리튬 공기 이차 전지일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal air secondary battery may be a lithium ion secondary battery.

본 명세서의 실시상태에 따른 금속 공기 전지는 전술한 실시상태들에 따른 분리막을 포함하는 것을 제외하고는, 금속 공기 전지의 통상적인 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 금속 공기 전지는 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 분리막 및 전해질을 포함한다. 이 때, 상기 분리막의 일면에만 촉매를 포함하는 다공성층이 구비되어 있다면, 다공성층이 양극(공기극)을 향하도록 배치되는 것이 바람직하다. A metal air cell according to an embodiment of the present disclosure may have a conventional configuration of a metal air battery, except that it includes a separator according to the above-described embodiments. For example, the metal air battery includes a positive electrode; cathode; And a separator provided between the anode and the cathode and an electrolyte. At this time, if a porous layer including a catalyst is provided only on one side of the separation membrane, it is preferable that the porous layer is disposed so as to face the anode (air electrode).

도 3에서 본 명세서의 일 실시상태에 따른 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 나타내었다.3 schematically shows a structure of a metal air cell according to an embodiment of the present invention.

상기 양극, 음극 및 전해질은 당 기술분야에 알려져 있는 것들을 사용할 수 있다.The anode, the cathode, and the electrolyte may be those known in the art.

상기 음극은 방전시에 금속 이온을 방출하고, 충전시에 금속 이온을 수용할 수 있고, 상기 양극은 방전시에 산소를 환원하며, 충전시에 산소를 방출할 수 있다.The cathode discharges metal ions upon discharge and can accommodate metal ions upon charging, and the anode reduces oxygen upon discharging and releases oxygen upon charging.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극은 음극 활성 물질로서, 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 리튬 화합물 및 리튬 삽입(intercalation) 물질로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the negative electrode may include a negative electrode active material selected from the group consisting of a lithium metal, a lithium metal-based alloy, a lithium compound, and a lithium intercalation material.

상기 리튬 금속 기반의 합금은 예를 들어, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금이나, 이에 의하여 한정되지 않는다.The lithium metal-based alloy may be an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, .

상기 리튬 화합물은 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질로 형성되고, 리튬 이온과 반응하여 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트, 또는 리콘일 수 있다.The lithium compound is formed of a material capable of reacting with lithium ions to form a lithium-containing compound reversibly, and a material capable of reacting with lithium ions to form a lithium-containing compound is, for example, tin oxide, titanium nitrate, Or < / RTI >

상기 리튬 삽입 물질이란 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질을 의미하며, 예를 들어, 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The lithium insertion material means a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof.

상기 음극의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 상기 음극의 두께는 50㎛ 이상일 수 있다. 상기 음극의 두께의 상한치는 특별히 한정하지 않고 두꺼울수록 좋으나, 상용화 가능성을 고려할 때, 상기 음극의 두께는 50㎛ 내지 500㎛일 수 있다.The thickness of the negative electrode is not particularly limited, but the thickness of the negative electrode may be 50 占 퐉 or more. The upper limit of the thickness of the negative electrode is not particularly limited, but it is preferably as thick as possible. However, considering the possibility of commercialization, the thickness of the negative electrode may be from 50 μm to 500 μm.

상기 양극은 산소를 활물질로 사용하며, 양극으로서는 도전성 재료가 사용될 수 있다. The anode uses oxygen as an active material, and a conductive material can be used as the anode.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 도전성 재료는 다공성이다.According to one embodiment of the present disclosure, the conductive material is porous.

상기 양극은 다공성을 갖는 탄소계 재료, 금속성 도전성 재료, 유기 도전성 재료 등이 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 탄소계 재료는 예를 들어, 카본 블랙류, 그래파이트류, 탄소섬유류, 그라핀류, 활성탄류 등이 사용될 수 있다. 또한, 금속성 도전성 재료로는 금속 섬유, 금속 메쉬 등이 사용될 수 있고, 구리, 은, 알루미늄, 니켈 등의 금속성 분말을 포함할 수 있다. 유기 도전성 재료로는 폴리페닐렌유도체 등이 사용될 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.The anode may be made of a porous carbon-based material, a metallic conductive material, an organic conductive material, or the like, but is not limited thereto, and any material having porosity and conductivity may be used without limitation. The carbon-based material may be, for example, carbon black, graphite, carbon fibers, graphene, activated carbon, and the like. As the metallic conductive material, metal fiber, metal mesh or the like may be used, and metallic powder such as copper, silver, aluminum, nickel and the like may be included. As the organic conductive material, a polyphenylene derivative or the like can be used. The conductive materials may be used alone or in combination.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 양극은 바인더를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 바인더는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합체 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present disclosure, the anode may further include a binder. The binder may include a thermosetting resin or a thermoplastic resin. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer, etc. may be used alone or in combination But is not limited thereto.

상기 양극의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 상기 양극의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 구체적으로 상기 양극의 두께는 20㎛ 내지 60㎛일 수 있다.The thickness of the positive electrode is not particularly limited, but the thickness of the positive electrode may be 10 탆 to 100 탆. Specifically, the thickness of the anode may be 20 占 퐉 to 60 占 퐉.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질은 이온화 가능한 리튬염 및 유기 용매를 포함하는 비수성 전해질이다.According to one embodiment of the present disclosure, the electrolyte is a non-aqueous electrolyte comprising an ionizable lithium salt and an organic solvent.

예를 들어, 상기 비수성 전해질의 용매는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC)등의 카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트, 1,2-디옥산 등의 에테르류, 아세토니트릴 등의 니트릴류, 아미드류 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 중 하나 또는 복수개를 조합하여 사용할 수 있다. For example, the solvent of the non-aqueous electrolyte is selected from the group consisting of carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), chain carbonates such as diethyl carbonate, ethers such as 1,2-dioxane, nitriles such as acetonitrile And amides may be used, but the present invention is not limited thereto. One or more of these may be used in combination.

또한, 상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiF, LiBr, LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2(Li-TFSI), LiN(SO2C2F5)2 및 LiC(SO2CF3)3으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 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.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, LiF, LiBr, LiCl, LiI , and LiB (C 2 O 4) 2 , LiCF 3 SO 3, LiN (SO 2 CF 3) 2 (Li-TFSI), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 and LiC (SO 2 CF 3), but it may use one or two or more selected from the group consisting of 3, and the like. The concentration of the lithium salt may be in the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, and therefore, it can exhibit excellent electrolyte performance, and lithium ions can effectively move.

상기 금속 공기 전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다. 또한, 전기 자동차 등 대형 전지에 적용하는 것도 가능하다.The shape of the metal air cell is not limited, and may be, for example, a coin shape, a flat plate shape, a cylindrical shape, a horn shape, a button shape, a sheet shape or a laminate shape. It is also possible to apply it to a large-sized battery such as an electric automobile.

상기 금속 공기 전지는 금속 1차 전지, 금속 2차 전지에 모두 사용 가능하다. 또한, 전기 자동차 등에 이용하는 대형 전지에도 적용할 수 있다.The metal air cell can be used for both metal primary batteries and metal secondary batteries. In addition, the present invention can be applied to a large-sized battery for use in electric vehicles and the like.

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 분리막 본체의 적어도 일면에 촉매를 포함하는 조성물을 코팅하는 단계를 포함하는 전술한 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides a method of manufacturing a separator for a metal air cell as described above, comprising coating a composition comprising a catalyst on at least one side of the separator body.

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 조립하는 단계 및 상기 양극과 음극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a metal air cell including the steps of assembling the separator for a metal air battery and injecting an electrolyte between the anode and the cathode.

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 명세서의 범위는 아래에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples. However, the scope of the present specification is not limited to the above-described embodiments.

<실시예><Examples>

1. 분리막 제작1. Preparation of membrane

비표면적이 1m2/g 내지 10m2/g인 촉매 MnO2(Sigma Aldrich 社)와 바인더 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 80:20의 중량비(wt.%)로 섞은 후, 용매 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 고형분 대비 10%를 추가하여 촉매 슬러리를 제작하였다. 이 후, 유리섬유(G/F) 분리막(Whatman 社)의 일면에 촉매 슬러리를 닥터블레이드 코팅법으로 코팅하여 일정한 막을 형성시키고, 120℃ 진공 오븐에서 12시간 건조시켜 촉매를 포함하는 다공성층이 구비된 분리막을 제작하였다. 이때, 다공성층의 기공도는 62%이며, 다공성층의 두께는 50㎛ 내지 60㎛이었다.The catalyst MnO 2 (Sigma Aldrich) having a specific surface area of 1 m 2 / g to 10 m 2 / g and a binder polyvinylidene fluoride (PVdF) were mixed in a weight ratio (wt.%) Of 80:20, -2-pyrrolidone (NMP) was added in an amount of 10% based on the solid content to prepare a catalyst slurry. Thereafter, a catalyst slurry was coated on one surface of a glass fiber (G / F) separation membrane (Whatman) to coat the catalyst slurry by a doctor blade coating method to form a uniform film and dried in a 120 ° C vacuum oven for 12 hours to form a porous layer Was prepared. At this time, the porosity of the porous layer was 62%, and the thickness of the porous layer was 50 to 60 탆.

2. 양극(공기극) 제작2. Production of cathode (cathode)

Ketjen black 600JD 탄소소재와 바인더 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 80:20의 중량비(wt.%)로 섞은 후, 용매 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 고형분 대비 2000% 추가하여 양극 슬러리를 제작하였다. 이후, 19phi 지름으로 타발된 카본 페이퍼(carbon paper, Toray 社 TGP-H-030) 위에 양극 슬러리를 코팅하고 120℃ 진공 오븐에서 12시간동안 건조시켜 양극을 제작하였다. 로딩양은 0.5mg/cm2이고, 양극 두께는 20㎛이다.A Ketjen black 600JD carbon material and a binder polyvinylidene fluoride (PVdF) were mixed at a weight ratio (wt.%) Of 80:20, followed by addition of solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) A positive electrode slurry was prepared. Then, a cathode slurry was coated on a carbon paper (Toray TGP-H-030) punched with a diameter of 19 phi and dried in a vacuum oven at 120 캜 for 12 hours to prepare a cathode. The loading amount is 0.5 mg / cm 2 , and the anode thickness is 20 탆.

3. 전해액 및 음극3. Electrolyte and cathode

전해액은 1M LiTFSI 전해염과 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME) 용매를 혼합하여 10ppm 미만 수준의 수분을 가지도록 수분 처리하여 사용하였다. 음극의 경우, 150㎛ 두께의 리튬 금속을 16phi의 크기로 타발하여 사용하였다.The electrolytic solution was prepared by mixing 1M LiTFSI electrolytic salt and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) solvent and water treatment to have a water content of less than 10 ppm. In the case of the negative electrode, lithium metal having a thickness of 150 μm was used by tapping at a size of 16 phi.

<비교예><Comparative Example>

실시예에서 사용한 유리섬유(G/F) 분리막에 별다른 처리없이 그대로 사용한 것을 제외하고는 동일한 양극, 전해액 및 음극을 사용하였다.The same positive electrode, electrolyte, and negative electrode were used, except that the glass fiber (G / F) separator used in the examples was used without any treatment.

<실험예><Experimental Example>

전기화학 실험은 2032 코인셀을 사용하여 진행되었으며, 외부 산소를 유입하기 위한 홀(hole)이 가공된 코인셀을 사용하였다. 실험은 자체 제작된 별도의 키트(kit)에 코인셀을 넣고 진행하였다. 금속 공기 전지의 충ㆍ방전은 1,000mAh/gc으로 용량을 제한하여 전지 사이클(cycle) 수명을 확인하였으며, 전류는 100 mAh/gc으로 인가하여 주었다. 전압은 2 V 내지 4.5 V 영역대에서 제한되어 진행하였다. The electrochemical experiments were carried out using a 2032 coin cell and a coin cell with a hole for introducing external oxygen was used. The experiment was carried out with a coin cell in a separate kit. Charging and discharging of the metal air battery was confirmed cell cycle (cycle) life by limiting the capacity of 1,000mAh / g c, the current was applied to the 100 mAh / g c. The voltage was limited in the 2 V to 4.5 V range.

상기 제작된 코인셀을 충ㆍ방전 진행한 결과 하기 도 4와 같은 충ㆍ방전 곡선을 얻을 수 있었다. 도 4를 구체적으로 살펴보면, 초기 충ㆍ방전 곡선의 경우 비교예와 실시예의 충ㆍ방전 곡선은 큰 개형 차이를 보이지 않았으며, 오히려 비교예가 충전 과전압이 조금 낮은 것을 확인하였다. 그러나, 사이클이 진행되면서 실시예의 초기 중전과전압이 급격히 낮아지는 것을 알 수 있으며, 비교예의 경우에도 다소 낮아지긴 하였으나, 그 정도의 차이가 크다. 실시예 및 비교예 모두 도 4에 도시된 10번째 사이클과 같은 충ㆍ방전 개형으로 사이클 수명이 지속적으로 진행됨을 확인하였다.As a result of charging / discharging the prepared coin cell, the charge / discharge curve as shown in Fig. 4 was obtained. 4, in the case of the initial charging / discharging curve, the charging / discharging curves of the comparative example and the comparative example did not show a large opening difference, and the comparative example was confirmed to have a slightly low charging overvoltage. However, as the cycle progresses, it can be seen that the initial heavy overvoltage of the embodiment is drastically lowered, and even in the case of the comparative example, the initial heavy overvoltage is slightly lowered. In all of the examples and comparative examples, it was confirmed that the cycle life was continuously progressed by the charge and discharge type as in the tenth cycle shown in FIG.

실시예 및 비교예에 따라 제작된 코인셀의 사이클 수명은 하기 도 5의 그래프로 나타내었다. 1,000mAh/gc의 용량으로 충ㆍ방전을 진행한 경우, 용량 유지는 비교예보다 실시예가 3배 가량 높게 나타났으며, 비교예의 경우 용량 퇴화가 지속적으로 일어나는 것에 반해 실시예의 경우 일정 사이클까지는 효율(=충전용량/방전용량×100)이 100%로 유지되는 것을 확인하였다.The cycle life of the coin cell fabricated according to Examples and Comparative Examples is shown in the graph of FIG. In the case of charging / discharging at a capacity of 1,000 mAh / g c , the capacity maintenance was three times as high as that of the comparative example, and in the comparative example, capacity deterioration was constant, (= Charge capacity / discharge capacity x 100) was maintained at 100%.

결과적으로, 촉매를 포함하는 다공성층을 포함하는 분리막을 사용한 실시예의 경우, 별다른 처리없이 종래의 유리섬유 분리막을 사용한 경우에 비해 과전압 저하 및 사이클 수명 개선 효과를 보임을 확인할 수 있다.As a result, it can be confirmed that the embodiment using the separation membrane including the porous layer including the catalyst exhibits the effect of lowering the overvoltage and improving the cycle life, compared with the case where the conventional glass fiber separation membrane is used without further treatment.

10: 음극
11: 음극 집전체
12: 음극 활성층
20: 양극
21: 양극 집전체
22: 양극 활성층
30: 분리막
10: cathode
11: cathode collector
12: Negative electrode active layer
20: anode
21: anode collector
22: cathode active layer
30: Membrane

Claims (14)

분리막 본체, 및
상기 분리막 본체의 적어도 일면에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층을 포함하는 것인 금속 공기 전지용 분리막.
Separator body, and
And a porous layer including a catalyst provided on at least one surface of the separator main body.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매는 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응 촉진 재료를 포함하는 것인 금속 공기 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst comprises an oxygen reduction reaction or an oxygen oxidation reaction promoting material.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매는 Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os, Rh, Ru, Co3O4, Al2O3 및 MnO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 금속 공기 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst comprises at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os, Rh, Ru, Co 3 O 4 , Al 2 O 3 and MnO 2 .
청구항 1에 있어서,
상기 다공성층이 촉매 이외에 바인더를 더 포함하는 것인 금속 공기 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous layer further comprises a binder in addition to the catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매의 함량은 다공성층의 총 중량에 대하여 70 중량% 이상인 것인 금속 공기 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the catalyst is 70 wt% or more based on the total weight of the porous layer.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매의 비표면적이 0.1m2/g 내지 100m2/g인 것인 금속 공기 전지용 분리막.The separator for a metal air battery according to claim 1, wherein the specific surface area of the catalyst is 0.1 m 2 / g to 100 m 2 / g. 청구항 1에 있어서,
상기 다공성층의 기공도가 50% 이상인 것인 금속 공기 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the porosity of the porous layer is 50% or more.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성층의 두께는 30nm 내지 100㎛인 것인 금속 공기 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous layer has a thickness of 30 nm to 100 탆.
청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 공기 전지용 분리막은 리튬 공기 전지용 분리막인 것인 금속 공기 전지용 분리막.The separator for a metal air battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the separator for a metal air cell is a separator for a lithium air battery. 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 청구항 1 내지 8 중 어느 하나의 항에 따른 금속 공기 전지용 분리막과 전해질을 포함하는 것인 금속 공기 전지.anode; cathode; And a separator for a metal air cell and an electrolyte according to any one of claims 1 to 8 provided between the positive electrode and the negative electrode. 청구항 10에 있어서,
상기 분리막의 다공성층이 양극을 향하도록 배치된 것인 금속 공기 전지.
The method of claim 10,
Wherein the porous layer of the separator is disposed to face the anode.
청구항 10에 있어서, 상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지인 것인 금속 공기 전지.11. The metal air cell as claimed in claim 10, wherein the metal air cell is a lithium air battery. 분리막 본체의 적어도 일면에 촉매를 포함하는 조성물을 코팅하는 단계를 포함하는 것인 청구항 1 내지 8 중 어느 하나의 항에 따른 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법.The method of any one of claims 1 to 8, comprising coating a composition comprising a catalyst on at least one side of the membrane body. 양극, 음극 및 청구항 1 내지 8 중 어느 하나의 항에 따른 금속 공기 전지용 분리막을 조립하는 단계; 및 상기 양극과 음극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 것인 금속 공기 전지의 제조방법.An anode, a cathode, and a separator for a metal air battery according to any one of claims 1 to 8; And injecting an electrolyte between the anode and the cathode.
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