KR20180004407A

KR20180004407A - 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20180004407A
Application number: KR1020160071080A
Authority: KR
Inventors: 유혜련; 최유송; 조장현; 장윤희
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2018-01-12

Abstract

제안기술은 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬-공기 전지의 지지체이자 음극 집전체가 되는 다공성 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅한 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.

Description

메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법{Manufacture method and its structure for lithium-air batteries using metal foam}

화석연료 소비 증가에 따른 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 보급이 확대되고 있다. 현재 리튬-이온 전지는 전지용량의 제약으로 전기 자동차의 장거리 주행이 어렵다. 장거리 운행을 위해서는 대용량 전지가 자동차에 탑재되어야 하지만 자동차 판매가격이 상승하기 때문에 전기 자동차 보급을 위해서는 기존의 이차전지보다 6~7배 정도 큰 에너지 밀도를 갖는 이차전지가 필요하다. 이에 따라 리튬-이온 전지보다 큰 에너지 밀도를 갖는 리튬-공기 전지가 주목받고 있다.

이러한 리튬-공기 전지의 상용화를 목적으로 전지의 효율 향상, 충/방전 특성 향상, 공기 중 수분 및 이산화탄소 등에 의한 음극의 안전과 오염방지를 위한 연구가 이루어지고 있다.

전술한 바와 같은 목적 달성을 위해 전극 및 전해질 재료 개발 또는 촉매 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 리튬-공기 전지의 특성상 양극은 원활한 공기의 공급이 이루어져야 하고, 동시에 음극 및 전해질 등의 전지 구성 요소들은 공기와 원천적으로 차폐되어야 하므로 전지 구조의 단순화 및 경량화가 어렵고 그 형태가 매우 한정적이다.

대부분의 리튬-공기 전지의 경우 기존의 금속-공기 전지와 유사한 형태인 파우치형, 원통형, 코인형 등으로 형성되며, 양극 부분에만 공기가 통할 수 있도록 구멍을 뚫어 놓은 형태를 벗어나지 못하고 있다.

이러한 구성은 전지 제조 시 양극 표면에 구멍을 뚫어야 하는 공정과 그 외 다른 구성품들을 외기와 차폐시키기 위한 실링 공정 등이 추가로 필요하기 때문에 전지의 경량화 및 공정의 단순화에 어려움이 있다.

또한, 양극의 경우 기공률이 높은 양극 활물질을 사용한다고 하더라도 실제 공기에 노출되는 부분이 전지 구조에 의해 매우 한정적이므로 양극 활물질의 성능을 최대한으로 활용하는 것이 불가능한 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2013-0060912호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅함으로써 전지의 경량화 및 제조 공정과 구조를 단순화하는데 목적이 있다.

또한, 양극의 공기 노출을 극대화하여 리튬-공기 전지의 용량을 향상시키는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법에 있어서,

메탈폼에 음극 활물질이 코팅되는 단계;

상기 음극 활물질이 코팅된 상기 메탈폼에 고체 전해질이 코팅되는 단계;

상기 고체 전해질이 코팅된 상기 메탈폼에 양극 활물질이 코팅되는 단계;

상기 양극 활물질이 코팅된 메탈폼에 양극 단자를 연결하는 단계를 포함하는 리튬-공기 전지의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법에 의하여 제조된 전지를 제공한다.

본 발명에 따르면, 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅함으로써 전지의 경량화 및 제조 공정과 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다공성 탄소재료를 사용하는 양극이 다공성인 메탈폼의 표면에 코팅된 형태이므로 양극의 공기 노출이 극대화되어 다공성 효과를 이중으로 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지의 단면도.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 리튬-공기 전지의 지지체이자 음극 집전체가 되는 다공성 메탈폼(2)에 음극 활물질(4), 고체 전해질(6), 양극 활물질(8)을 순차적으로 다중 코팅하는 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.

도 1은 본 발명의 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지의 단면도를 도시하고 있다.

상기 리튬-공기 전지의 제조 방법은,

메탈폼(2)에 음극 활물질(4)이 코팅되는 단계;

상기 음극 활물질(4)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 고체 전해질(6)이 코팅되는 단계;

상기 고체 전해질(6)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 양극 활물질(8)이 코팅되는 단계;

상기 양극 활물질(8)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 양극 단자를 연결하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 리튬-공기 전지의 지지체이자 음극 집전체가 되는 상기 메탈폼(2)은 전기적 전도성이 매우 우수한 3차원 다공성 구조인 것으로, 전체 부피 대비 60% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금, 철 합금 중 어느 하나 이상의 재료가 사용되어 제작된다.

상기 메탈폼(2)의 기공률이 전체 부피 대비 60% 미만일 경우에는 코팅된 활물질의 양이 감소하여 전기화학적 특성이 감소하며, 99%를 초과할 경우에는 코팅 공정이 잘 이루어지지 않아 바람직하지 않다.

상기 메탈폼(2)은 상기 재료 중 어느 하나의 재료를 사용하여 제작되어도 무방하지만 음극 활물질(4)의 일 예인 리튬에 상대적으로 안정적인 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 메탈폼(2)에 코팅되는 상기 음극 활물질(4)은 상기에서 언급한 리튬이 사용될 수 있다. 리튬은 리튬-공기 전지의 음극 활물질(4)로써 가장 높은 이론적 용량을 나타낸다.

상기 메탈폼(2)에 음극 활물질(4)이 코팅되는 단계에서 상기 메탈폼(2)은 음극의 집전체 역할을 하기 때문에 상기 음극 활물질(4)은 상기 메탈폼(2)의 면적 대비 50% ~ 98% 로 코팅되어진다.

상기 음극 활물질(4)이 상기 메탈폼(2)의 면적 대비 50% 미만으로 코팅될 경우에는 코팅되는 음극 활물질(4)의 양이 적어 고성능의 전지를 구성하는데 바람직하지 않으며, 상기 음극 활물질(4)이 상기 메탈폼(2)의 면적 대비 98%를 초과하여 코팅될 경우에는 음극 집전체인 상기 메탈폼(2)이 외부로 노출되지 않으므로 전지를 구성하는데 바람직하지 않다.

상기 음극 활물질(4)에 고체 전해질(6)이 코팅되기 전 공기 중 수분 및 이산화탄소 등으로부터 음극을 보호하기 위해 음극 활물질에 구리 및 니켈의 합금을 얇게 코팅시키는 공정을 추가할 수 있다.

상기 음극 활물질(4)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 고체 전해질(6)이 코팅되는 단계에서 상기 고체 전해질(6)은 전도성이 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 메탈폼(2)에 코팅된 상기 음극 활물질(4)이 공기 중에 노출되는 것을 방지하기 위해 상기 고체 전해질(6)의 코팅 시 상기 음극 활물질(4)의 표면이 외부와 완전 차단되도록 코팅되어진다.

상기 고체 전해질(6)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 양극 활물질(8)이 코팅되는 단계에서 코팅되는 상기 양극 활물질(8)은 공기와의 반응 면적을 극대화하기 위하여 다공성 탄소 재료 또는 이를 이용한 탄소 재료 복합체를 사용하여 제조된다.

상기 양극 활물질(8)인 다공성 탄소 재료는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 등 탄소로 이루어진 재료가 사용될 수 있으며, 이들을 이용하여 제작된 복합체 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

상기 양극 활물질(8)이 코팅된 후에는 공기확산층(Air Diffusion Layer, ADL)(10)이 적층되며, 상기 양극 활물질(8)이 코팅된 메탈폼(2)에 양극 단자를 연결하는 단계에서 상기 양극 단자는 상기 양극 활물질(8)이 코팅된 부분에 연결된다.

즉, 상기 리튬-공기 전지의 제조 방법으로 제작된 리튬-공기 전지는 3차원의 다공성 메탈폼(2)의 형태를 그대로 유지하며, 단순하게 메탈폼을 이루고 있는 금속 표면에 전극 활물질(4, 8)과 전해질(6)이 코팅되어 있는 형태가 된다.

따라서, 전극 표면의 단면을 확인해보면, 중앙에 전지의 지지체이자 음극 집전체인 메탈폼(2), 그 표면에 음극 활물질(4)인 리튬 금속, 고체 전해질(6), 양극 활물질(8)인 탄소 재료가 순차적으로 다중 적층되어 코팅이 이루어진 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 제조 방법으로 제작된 리튬-공기 전지는 전지를 경량화하고 전지의 제조 공정과 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있으며, 다공성 탄소 재료를 사용하는 양극이 다공성인 메탈폼의 표면에 코팅된 형태이므로 양극의 공기 노출이 극대화되어 다공성 효과를 이중으로 확보할 수 있는 효과가 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2 : 메탈폼(metal foam)
4 : 음극 활물질
6 : 전해질
8 : 양극 활물질
10 : 공기확산층(Air Diffusion Layer, ADL)

Claims

리튬-공기 전지의 제조 방법에 있어서,
메탈폼에 음극 활물질이 코팅되는 단계;
상기 음극 활물질이 코팅된 상기 메탈폼에 고체 전해질이 코팅되는 단계;
상기 고체 전해질이 코팅된 상기 메탈폼에 양극 활물질이 코팅되는 단계;
상기 양극 활물질이 코팅된 메탈폼에 양극 단자를 연결하는 단계;
를 포함하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 메탈폼은 다공성 물질로, 전체 부피 대비 60% ~ 99%의 기공률을 갖는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 양극 활물질은 다공성 탄소 또는 이를 이용한 탄소 복합체인 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 메탈폼에 음극 활물질이 코팅되는 단계에서 상기 음극 활물질은 상기 메탈폼의 면적 대비 50% ~ 98% 로 코팅되는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 양극 활물질인 탄소는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 음극 활물질은 리튬인 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 메탈폼은 니켈, 철, 니켈 합금, 철 합금 중 어느 하나 이상이 사용되어 제작되는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 메탈폼은 전기 전도성이 있는 물질인 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 음극 활물질이 코팅된 상기 메탈폼에 고체 전해질이 코팅되는 단계에서 상기 고체 전해질은 상기 음극 활물질이 외부와 완전 차단되도록 코팅되는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 양극 활물질이 코팅된 메탈폼에 양극 단자를 연결하는 단계에서 상기 양극 단자는 상기 양극 활물질이 코팅된 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 제조 방법에 의하여 제조된 전지.