KR20180125397A - 금속-공기전지용 공기 확산층 및 그 제조 방법과 이를 포함하는 금속공기전지 - Google Patents
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Abstract
금속-공기 전지용 가스 확산층 및 그 제조방법과 이를 포함하는 금속-공기 전지에 관해 개시되어 있다. 개시된 금속-공기 전지용 가스 확산층은 복수의 비전도성 섬유 구조물을 구비하는 다공층 및 탄소 소재를 포함하며, 상기 탄소 소재가 상기 섬유 구조물의 표면을 따라 배치되는 전도성 탄소층을 포함할 수 있다, 또한, 금속-공기 전지용 가스 확산층은 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용하여 접착층 및 전도성 탄소층을 포함하는 다층막 구조를 구비하도록 제조될 수 있다.
Description
금속공기전지용 공기 확산층 그 제조 방법과 이를 포함하는 금속공기전지에 관한 것이다.
금속-공기 전지는 이온의 흡장 및 방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함한다. 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고, 음극에서는 금속의 산화 및 환원 반응이 일어나며, 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 추출한다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 방전시에는 산소를 흡수하고 충전시에는 산소를 방출한다. 이와 같이, 금속-공기 전지는 공기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 기존의 리튬 이온 전지보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
더불어, 가스 확산층의 무게를 감소시키는 경우, 금속-공기 전지의 에너지 밀도를 추가적으로 향상시킬 수 있다. 이와 관련해서, 탄소 나노 소재로 형성된 다공성 필름이 가스 확산층으로 사용되고 있으나, 기계적 특성이 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 신규한 구조의 공기 확산층 및 이를 포함하는 금속공기전지에 대한 요구가 있다.
일 측면은 신규한 구조의 금속공기전지용 공기 확산층 및 이에 대한 제조 방법을 제공하는 것이다.
다른 측면은 상기 양극을 포함하는 금속공기전지를 제공하는 것이다.
일 측면(aspect)에 따르면, 복수의 비전도성 섬유 구조물을 구비하는 다공층; 및 탄소 소재를 포함하며, 상기 탄소 소재가 상기 섬유 구조물의 표면을 따라 배치되는 전도성 탄소층;를 포함하는 금속-공기 전지용 가스 확산층이 제공된다.
상기 섬유 구조물은 웨이비(wavy) 형상 또는 직선 형상을 구비하며, 상기 섬유 구조물들 사이에 중간물질 없이 공기 간극이 형성될 수 있다.
상기 섬유 구조물은 고분자 수지섬유, 셀룰로오스 및 유리섬유로부터 선택된 1종 이상을 포함하며, 상기 다공층은 상기 복수의 섬유 구조물이 서로 결합한 직포, 부직포, 망 또는 이들의 조합 형상을 구비할 수 있다.
상기 탄소 소재는 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀 나노 플레이트(graphene nano plate, GNP)으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 섬유 구조물의 평균 두께 대비 상기 전도성 카본층의 두께는 1% 이상 10% 이하일 수 있다.
상기 전도성 탄소층에 포함된 상기 탄소 소재는 상기 섬유 구조물의 표면을 따라 균일하게 배치될 수 있다.
상기 전도성 탄소층은 상기 탄소 소재를 분산시키는 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 고분자 형태의 분산제(polymeric surfactant)일 수 있다. 상기 고분자 분산제는 폴리스티렌설포네이트(polystyrene sulfonate, PSS), 폴리스티렌술폰산(poly(4-styrenesulfonic acid)), 폴리비닐피로리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌 글리콜 올레일 에텔(Polyethylene glycol oleyl ether), 폴리옥시에칠렌스테아릴에텔 (Polyoxyethylene stearyl ether), 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르 (Polyoxyethylene nonylphenyl ether), 폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(플로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol), 폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜) (Poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Polyethylene-block-poly(ethylene glycol)), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸싸이클로헥실 에테르 (Polyoxyethylene isooctylcyclohexyl ether, Triton®) 중 하나일 수 있다.
상기 분산제는 유기 단분자 형태의 분산제일 수 있다. 세틸피리디늄클로라이드 (cetylpyridinium chloride, CPC), 세틸피리디늄브로마이드 (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) 또는 세틸트리메틸암모늄염화물 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC)중 하나일 수 있다.
상기 섬유 구조물과 상기 전도성 탄소층 사이에 배치되어 상기 섬유 구조물의 표면에 상기 전도성 탄소층을 접착시키는 접착층;을 더 포함할 수 있다.
상기 접착층은 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone), PVP), 폴리아닐린(polyaniline ,PANI), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(poly(diallyldimethylammonium chloride), PDDA), 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO), 폴리에틸렌 이민(poly(ethylene imine), PEI), 폴리알릴아민염소산(poly(allylamine hydrochloride), PAH), 폴리아크릴 산(poly(acrylic acid)), 내피온(Nafion, tetrafluoroethylene-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic acid copolymer) 중 하나일 수 있다.
상기 접착층과 상기 전도성 탄소층은 복수 개로 마련되며, 상기 복수 개의 접착층과 상기 복수개의 전도성 탄소층은 서로 교번하여 배치될 수 있다.
다른 측면(aspect)에 따르면, 복수의 비전도성 섬유 구조물의 표면에 접착층을 부착시키는 단계; 및 상기 접착층의 상부에 탄소 소재를 포함하는 전도성 탄소층을 부착시키는 단계;를 포함하는, 금속-공기 전지용 가스 확산층의 제조 방법을 제공할 수 있다.
분산제를 이용하여 상기 탄소 소재를 균일하게 분산시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 접착층은 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone), PVP), 폴리아닐린(polyaniline ,PANI), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(poly(diallyldimethylammonium chloride), PDDA), 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO), 폴리에틸렌 이민(poly(ethylene imine), PEI), 폴리알릴아민염소산(poly(allylamine hydrochloride), PAH), 폴리아크릴 산(poly(acrylic acid)), 내피온(Nafion®, tetrafluoroethylene-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic acid copolymer) 중 하나일 수 있다.
상기 분산제는 고분자 형태의 분산제(polymeric surfactant)일 수 있다. 상기 고분자 분산제는 폴리스티렌설포네이트(polystyrene sulfonate, PSS), 폴리스티렌술폰산(poly(4-styrenesulfonic acid)), 폴리비닐피로리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌 글리콜 올레일 에텔(Polyethylene glycol oleyl ether), 폴리옥시에칠렌스테아릴에텔 (Polyoxyethylene stearyl ether), 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르 (Polyoxyethylene nonylphenyl ether), 폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(플로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol), Pluronic), 폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜) (Poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Polyethylene-block-poly(ethylene glycol)), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸싸이클로헥실 에테르 (Polyoxyethylene isooctylcyclohexyl ether) 중 하나일 수 있다.
상기 분산제는 유기 단분자 형태의 분산제일 수 있다. 세틸피리디늄클로라이드 (cetylpyridinium chloride, CPC), 세틸피리디늄브로마이드 (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) 또는 세틸트리메틸암모늄염화물 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC)중 하나일 수 있다.
상기 접착층을 도포하는 단계 및 상기 전도상 탄소층을 배치시키는 단계를 반복적으로 수행하여, 복수 개의 접착층과 복수개의 전도성 탄소층이 서로 교번하도록 배치될 수 있다.
다른 측면(aspect)에 따르면, 금속을 포함하는 음극부; 양극 촉매층 및 이에 접촉하는 금속-공기 전지용 가스 확산층을 포함하는 양극부; 상기 음극부와 양극부 사이에 구비된 전해질;을 포함하는 금속 공기 전지로서, 상기 금속-공기 전지용 가스 확산층은 복수의 비전도성 섬유 구조물을 구비하는 다공층; 탄소 소재를 포함하며, 상기 탄소 소재가 상기 섬유 구조물의 표면을 따라 배치되는 전도성 탄소층;를 포함하는 금속 공기 전지를 제공할 수 있다.
용량 및 에너지 밀도가 높은 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. 3차원 접이식 셀(folding cell)과 같은 복합 적층 구조를 구비하는 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. 전기 전도성 및 기공도가 유지되면서도, 기계적 강도 및 경량화에 유리한 금속-공기 전지를 구현할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형태의 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다.
도 2c는 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 따른 방법으로 형성한 전도성 탄소층이 부착된 섬유 구조물의 단면을 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 2d는 다른 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 2e는 도 2d에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다.
도 2f는 또 다른 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 2g는 도 2f에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다. 도 3a 내지 도 3b는 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용해서 일 실시예에 따른 가스 확산층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용하여 제조한 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다. 도 5a는 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 따른 방법으로 형성한 가스 확산층의 미세구조를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 도 5b는 도 5a에 도시된 가스 확산층의 확대 사진이다.
도 6은 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 반복적으로 수행하여 제조된 가스 확산층의 표면 저항과 반복 횟수 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 방전 과정에서 얻어진 방전 용량(mAh) 값과 셀 전압(V)의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형태의 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다.
도 2c는 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 따른 방법으로 형성한 전도성 탄소층이 부착된 섬유 구조물의 단면을 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 2d는 다른 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 2e는 도 2d에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다.
도 2f는 또 다른 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 2g는 도 2f에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다. 도 3a 내지 도 3b는 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용해서 일 실시예에 따른 가스 확산층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용하여 제조한 가스 확산층의 개략적인 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다. 도 5a는 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 따른 방법으로 형성한 가스 확산층의 미세구조를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 도 5b는 도 5a에 도시된 가스 확산층의 확대 사진이다.
도 6은 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 반복적으로 수행하여 제조된 가스 확산층의 표면 저항과 반복 횟수 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 방전 과정에서 얻어진 방전 용량(mAh) 값과 셀 전압(V)의 관계를 보여주는 그래프이다.
이하, 실시예들에 따른 금속-공기 전지용 가스 확산층 및 그 제조방법과 이를 포함하는 금속-공기 전지를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한 본 명세서에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉 상태로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에서, "일면" 및 "타면"은 서로 반대쪽에 위치하는 두 면을 의미하고, "일방향" 및 "타방향"은 서로 정반대의 두 방향을 의미한다. 또한 본 명세서에서, 용어 "공기(air)"는 대기 공기, 산소를 포함하는 기체의 조합, 또는 순수 산소 기체를 의미한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속 공기 전지(1)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형태의 금속 공기 전지(1)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지(1)는 예를 들어, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13), 금속-공기 전지용 가스 확산층(100; 이하 '가스 확산층' 으로 지칭함) 및 가스 확산층(100)의 상부 표면만을 제외하고 금속-공기 전지(1)의 나머지 부분을 둘러싸는 외장재(16)를 포함할 수 있다.
일 예로서, 음극 금속층(11)은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬(Li) 금속 및 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 음극 금속층(11)에는 리튬 금속외에, 리튬 금속 기반의 합금 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound)등이 사용될 수 있다. 음극 전해질막(12)은 음극 금속층(11)과 양극층(13) 사이에 배치될 수 있으며, 음극 금속층(11)에서 생성된 리튬 이온을 양극층(13)으로 전달할 수 있는 전해질을 포함할 수 있다. 양극층(13)은 리튬 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화 및 환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 가스 확산층(100)은 대기 중의 산소를 흡수하여 양극층(13)에 제공하는 역할을 수행한다. 이를 위해 가스 확산층(100)은 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다.
이러한 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지(1)의 경우, 다수의 셀들을 수직으로 적층하면 아래 쪽에 있는 셀들로의 산소 공급이 원활하지 않을 수 있다. 또한, 금속-공기 전지(1)의 전체 무게 중에서 전류를 인출하기 위한 집전체(도시되지 않음)의 무게 비중이 상당히 크기 때문에, 에너지 밀도에 기여하는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 합한 무게의 비중이 작을 수 있다.도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형태의 금속 공기 전지(1)는 양극층(13), 음극 전해질막(12), 음극 금속층(11) 및 가스 확산층(100)을 포함할 수 있다.
일 예시에 따른 가스 확산층(100)은 제1 면(Sa), 제1 면(Sa)에 대향하는 제2 면(Sb)과 외부로 노출될 수 있는 일 측면(Sc)을 구비할 수 있다.
양극층(13), 음극 전해질막(12) 및 음극 금속층(11)은, 양극층(13)이 가스 확산층(100)의 제1 면(Sa) 및 제2 면(Sb)과 접촉하도록, 적어도 한번 접혀 있고, 가스 확산층(100)은 상기 접혀 있는 양극층(13) 사이에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 양극층(13), 음극 전해질막(12) 및 음극 금속층(11)이 2번 이상 접혀 있는 경우, 이들은 도 1에 도시된 바와 같이 일방향으로 접힌 후 타방향으로 접히는 방식으로 교대로 접혀 있을 수 있다.
양극층(13), 음극 전해질막(12) 및 음극 금속층(11)은 각각 두께방향으로 일정한 폭을 갖도록 접혀 있을 수 있다. 본 명세서에서, 어떤 구성요소의 "폭"과 "길이"는 크기에 의해 구별되며, "폭"이 "길이"에 비해 짧다.
상기와 같이, 가스 확산층(100)의 제1 면(Sa)과 제2 면(Sb)에 양극층(13)이 배치된 구조에서는, 가스 확산층(100)의 제1 면(Sa) 및 제2 면(Sb)은 외부로 노출되지 않게 된다. 그에 따라, 가스 확산층(100)으로의 공기 공급은, 가스 확산층(100)의 측면들 또는 측면들 중 일부에 의하여 이루어진다. 즉, 가스 확산층(100)으로의 공기 공급은 측면들 중 적어도 일 측면(Sc)에 의하여 이루어진다.
금속 공기 전지(1)는 가스 확산층(100)의 외부로 노출된 측면들에 의해 공기 공급이 원활하게 이루어진 구조를 가질 수 있다. 또한 비록 도면에는 도시되어 있지 않지만, 외장재(미도시)가 가스 확산층(100)의 노출된 측면(Sc)을 제외하고, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 가스 확산층(100)의 나머지 외부 표면들을 둘러쌀 수 있다.
상술한 바와 같은 가스 확산층(100)은 전기 전도성과 기체 확산성을 구비하면서도, 일정한 기계적 강도를 구비해야 한다. 종래 기술에서는 전기 전도성이 우수한 탄소 나노 소재로 형성된 다공성 필름이 가스 확산층(100)으로 사용되고 있으나, 기공률(porosity)를 향상시키기 위해 다공성의 3차원 구조를 형성하는 경우, 구조체의 저항이 증가하고 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생되었다.
본 개시에서는 복수의 비전도성 섬유 구조물(111; 도 2b 참조)을 구비하는 다공층(110; 도 2b 참조) 및 상기 다공층(110)에 구비되는 섬유 구조물(111)의 표면, 예를 들어 섬유 구조물(111)의 윤곽(contour)에 일치하는 컨포멀층(conformal layer)인, 전도성 탄소층(120)을 포함하는 가스 확산층(100)을 도입하여 전기 전도성과 기체 확산성을 구비하면서도, 일정한 기계적 강도 및 경량화를 달성할 수 있는 금속-공기 전지(1)를 제공할 수 있다. 이하, 일 실시예에 따른 가스 확산층에 대해 보다 구체적으로 서술한다.
도 2a는 일 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다. 도 2b는 도 2a에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다. 도 2c는 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 따른 방법으로 형성한 전도성 탄소층이 부착된 섬유 구조물의 단면을 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 도 2d는 다른 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다. 도 2e는 도 2d에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다. 도 2f는 또 다른 실시예에 따른 가스 확산층의 개략적인 사시도이다. 도 2g는 도 2f에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 일 실시예에 따른 가스 확산층(100)은 공기가 확산될 수 있는 기공을 구비하는 다공층(110)과 다공층(110)에 구비된 섬유 구조물(111)의 표면에 부착된 전도성 탄소층(120)을 포함할 수 있다.
일 예시에 따른 다공층(110)은 복수의 섬유 구조물(111)을 포함할 수 있다. 일 예로서, 복수의 섬유 구조물(111)은 웨이비(wavy) 형상 또는 직선 형상을 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 구조물(111)들 사이에 중간물질 없이 공기 간극이 형성될 수 있으며, 상술한 공기 간극은 공기가 확산될 수 있는 기공이 형성될 수 있다. 또한, 다공층(110)은 복수의 섬유 구조물(111)이 서로 결합하여 직포, 부직포, 망 또는 이들의 조합 형상으로 구현될 수 있다. 또한, 섬유 구조물(111)은 비전도성을 가질 수 있으며, 이에 따라 다공층(110) 역시, 전기 비전도성을 가질 수 있다.
일 예로서, 섬유 구조물(111)은 고분자 수지섬유, 셀룰로오스 및 유리섬유로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어 섬유 구조물(111)은 각각 독립적으로 호모중합체, 블록공중합체 및 랜덤공중합체 중에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유 구조물(111)은 각각 독립적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리 2-비닐피리딘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시 공중합체, 불소화된 싸이클릭 에테르, 폴리에틸렌옥사이드 디아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리프로필렌옥사이드 디아크릴레이트, 폴리프로필렌옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리메틸렌옥사이드 디아크릴레이트, 폴리메틸렌옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리알킬디올디아크릴레이트, 폴리알킬디올디메타크릴레이트, 폴리디비닐벤젠, 폴리에테르, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드, 폴리이미드, 폴리카르복실산, 폴리술폰산, 폴리비닐알코올, 폴리설폰, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(p-페닐렌), 폴리아세틸렌, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(2,5-에틸렌 비닐렌), 폴리아센, 및 폴리(나프탈렌-2,6-디일), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 폴리(비닐아세테이트), 폴리(비닐 부티랄-코-비닐 알콜-코-비닐 아세테이트), 폴리(메틸메타크릴레이트-코-에틸 아크릴레이트), 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 클로라이드 코-비닐 아세테이트, 폴리(1-비닐피롤리돈-코-비닐 아세테이트), 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리비닐에테르, 아크릴로니트릴-부타디엔 러버, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 러버, 설포네이티드 스티렌/에틸렌-부틸렌 트리블럭 코폴리머, 에톡실레이티드 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트, 에톡실레이티드 비스페놀 A 디아크릴레이트, 에톡실레이티드 지방족 우레탄 아크릴레이트, 에톡실레이티드 알킬페놀 아크릴레이트 및 알킬아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 아크릴레이트 모노머로부터 얻어진 고분자, 폴리비닐알콜, 폴리이미드, 에폭시 수지, 아크릴계 수지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 예로서, 다공층(110)에 구비된 부직포는, 예를 들어, 물에 분산된 주재료 섬유와 바인더 섬유를 제지기를 사용하여 원형 망이나 긴 망 등의 형태로 여과하고, 상기 여과된 결과물을 건조기로 건조함으로써 제조될 수 있다. 또한, 상기 부직포로부터 보풀(fluff)을 제거하거나 상기 부직포의 기계적 특성을 향상시키기 위하여, 상기 부직포는 2개의 롤 사이에 끼워져 고압 열처리될 수 있다.
일 예시에 따른 전도성 탄소층(120)은 전도성을 구비하는 임의의 탄소 소재를 포함할 수 있다. 일 예로서, 전도성 탄소층(120)은 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀 나노 플레이트(graphene nano plate, GNP), 탄소-고분자 복합체로부터 선택된 1종 이상의 탄소 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소-고분자 복합체는 상술한 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀 나노 플레이트(graphene nano plate, GNP)에 바인더가 포함된 복합체일 수 있다. 일 예로서, 바인더는 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌(VDF/HFP) 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아크릴로니트릴-아크릴산(PAN/PAA) 공중합체, 폴리비닐알콜(PVA), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 히드록시프로필셀룰로우즈 중 하나 이상일 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 전도성 탄소층(120)에는 전도성을 구비하는 임의의 탄소 소재가 포함될 수 있다.
또한, 일 예시에 따른 전도성 탄소층(120)에 포함된 탄소 소재는 다공층(110)에 구비된 섬유 구조물(111)의 표면을 따라 배치될 수 있다. 이에 따라 전도성 탄소층(120)은 섬유 구조물(111)의 표면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 일 예로서, 전도성 탄소층(120)에 포함된 탄소 소재는 분산제를 첨가하거나, 초음파분산 공정(sonication process)을 수행하여 균일하게 분산될 수 있으며, 이에 따라 전도성 탄소층(120)에 포함된 탄소 소재가 섬유 구조물(111)의 표면을 따라 균일하게 배치될 수 있다.
일 예로서, 분산제로는, 고분자 형태의 분산제(polymeric surfactant)가 사용될 수 있다. 예를 들어 고분자 분산제는 폴리스티렌설포네이트(polystyrene sulfonate, PSS), 폴리스티렌술폰산(poly(4-styrenesulfonic acid)), 폴리비닐피로리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌 글리콜 올레일 에텔(Polyethylene glycol oleyl ether, Brij®), 폴리옥시에칠렌스테아릴에텔 (Polyoxyethylene stearyl ether, Brij®), 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르 (Polyoxyethylene nonylphenyl ether, IGEPAL®), 폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(플로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol), Pluronic), 폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜) (Poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Polyethylene-block-poly(ethylene glycol)), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸싸이클로헥실 에테르 (Polyoxyethylene isooctylcyclohexyl ether, Triton®) 중 하나일 수 있다. 또한, 상기 분산제는 유기 단분자 형태의 분산제일 수 있다. 예를 들어 분산제는 세틸피리디늄클로라이드 (cetylpyridinium chloride, CPC), 세틸피리디늄브로마이드 (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) 또는 세틸트리메틸암모늄염화물 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC)중 하나일 수 있다.
또한 초음파분산 공정은, 예컨대, 바(bar) 타입의 초음파발생장치(sonicator)를 이용해서 수 분 내지 수 시간 동안 수행할 수 있다. 또한, 분산제를 사용함과 동시에, 초음파분산 공정을 수행할 수도 있다. 이를 통해, 그래핀 계열의 탄소 소재이 분산된 용액을 제조할 수 있으며, 상술한 분산 용액을 이용하여 탄소 소재가 섬유 구조물(111)의 표면을 따라 균일하게 배치된 가스 확산층(100)을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전도성 탄소층(120)이 섬유 구조물(111)의 표면을 둘러싸도록 배치되는 경우, 섬유 구조물(111)의 두께 대비 전도성 탄소층(120)의 두께는 1% 이상 10% 이하일 수 있다. 예를 들어 섬유 구조물(111)의 단면이 원형인 경우 섬유 구조물(111)의 단면 직경은 7 μm 내지 10 μm 일 수 있으며, 일 예로서, 섬유 구조물(111)의 단면 직경(T1)이 10 μm 인 경우, 전도성 탄소층(120)의 두께(T2)는 100nm 내지 1 μm 일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른, 가스 확산층(100)은 두께가 50㎛이하, 예를 들어 10~50㎛이고, 단위 면적당 무게가 2mg/cm2이하, 예를 들어 0.1~1.5mg/cm2 일 수 있다. 또한, 가스 확산층(100)의 기공률은 약 70 vol% 이상 또는 약 80 vol% 이상이며, 전기 전도도는 200S/m이상일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 가스 확산층(100)은 지지체로서 섬유 구조물(111)의 결합에 의해 형성된 다공성 구조를 구비하는 다공층(110)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 경량화 및 우수한 기계적 강도를 확보할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 가스 확산층(100)은 다공층(110)에 포함된 섬유 구조물(111)의 표면에 전기 전도성을 구비하는 전도성 탄소층(120)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 높은 양극비용량 및 우수한 전기전도도의 요건들을 충족시킬 수 있다.
또한, 일 예시에 따른 금속층(140)은 도 2d 및 도 2e에 도시된 바와 같이, 전도성 탄소층(120)의 표면을 따라 배치될 수 있다. 일 예로서, 금속층(140)에 포함된 금속 소재는 전도성 탄소층(120)에 배치되어 가스 확산층(100)의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어 금속층(140)은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 철(Fe), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 일 예시에 따른 전도성 고분자층(150)은 도 2f 및 도 2g에 도시된 바와 같이, 전도성 탄소층(120)의 표면을 따라 배치될 수 있다. 일 예로서, 전도성 고분자층(150)에 포함된 전도성 고분자 소재는 전도성 탄소층(120)에 배치되어 가스 확산층(100)의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상술한 금속층(140)과 비교하여 상대적으로 무게가 가벼울 수 있으므로, 가스 확산층(100)을 경량화시킬 수 있다. 예를 들어 전도성 고분자층(150)은 폴리피롤(PPy, polypyrrole), 폴리티오펜(PT, Polythiophene), 폴리아닐린(PAN, polyaniline) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용해서 일 실시예에 따른 가스 확산층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 소정의 용기(C1) 내에서 섬유 구조물(111)의 표면에 접착층(130)을 배치시킬 수 있다. 일 예로서, 소정의 용기(C1) 내에는 접착 물질을 용매에 용해시켜 생성된 접착 용액(C2)이 배치될 수 있으며, 접착 용액(C2)에 섬유 구조물(111)을 투입하여 접착층(130)을 섬유 구조물(111)의 표면에 부착시킬 수 있다. 예를 들어 접착 물질은 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone), PVP), 폴리아닐린(polyaniline ,PANI), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(poly(diallyldimethylammonium chloride), PDDA), 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO), 폴리에틸렌 이민(poly(ethylene imine), PEI), 폴리알릴아민염소산(poly(allylamine hydrochloride), PAH), 폴리아크릴 산(poly(acrylic acid)), 내피온(Nafion®, tetrafluoroethylene-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic acid copolymer) 중 하나 일 수 있으며, 일 예로서, 폴리비닐알콜(PVA)이 용해된 접착 용액(C2)에 섬유 구조물(111)을 투입하는 경우, 섬유 구조물(111)과 접착 물질인 폴리비닐알콜(PVA)의 비공유 결합을 통해 섬유 구조물(111)의 표면에 접착층(130)이 형성될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 소정의 용기(C3) 내에서 섬유 구조물(111)의 표면에 부착된 접착층(130)의 표면에 전도성 탄소층(120)을 배치시킬 수 있다. 일 예로서, 소정의 용기(C3) 내에서 소정의 용매 내에 탄소 소재를 분산시킨 분산 용액(C4)을 마련할 수 있다. 일 예로서, 탄소 소재가 용매에 분산된 분산 용액(C4)은 상술한 바와 같은 분산제 또는 초음파 분산 공정을 통해 제조될 수 있다. 일 예로서, 분산제로서 폴리스티렌설폰산(poly(4-styrenesulfonic acid, PSS)가 사용되는 경우, 폴리스티렌설포네이트(PSS)의 슬폰기(sulfonic group, -SO3H)와 폴리비닐알콜(PVA)의 히드록시기(hydroxyl group, -OH) 사이의 수소 결합에 의해 접착층(130)의 표면에 전도성 탄소층(120)이 부착될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b에서 섬유 구조물(111)의 표면에 두 개의 초박막층, 즉, 접착층(130)과 전도성 탄소층(120)을 차례대로 결합하기 위해, 섬유 구조물(111)과 접착층(130) 및, 접착층(130)과 전도성 탄소층(120) 사이에 비공유 결합 또는 수소 결합 등의 결합 방식을 사용하으며, 이는 층상자기조립법(layer-by-layer method)이라 할 수 있다. 이러한 방법으로 가스 확산층(100)은 섬유 구조물(111)과 접착층(130) 및, 접착층(130)과 전도성 탄소층(120) 사이의 결합이 구조적으로 매우 안정하여, 접착되는 표면적에 관계없이 안정적인 다층 초막박을 구현할 수 있다. 따라서, 이러한 방법을 이용하는 경우, 섬유 구조물(111)의 표면에 전도성 탄소층(120)이 코팅된 가스 확산층(100)을 용이하게 형성할 수 있다. 다만, 본 개시가 상술한 제조 방법에 제한되는 것은 아니며, 다른 제조 방법을 이용하여 섬유 구조물(111)의 표면에 전도성 탄소층(120)이 코팅된 가스 확산층(100)을 형성할 수도 있다.
도 4a는 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용하여 제조한 가스 확산층의 개략적인 사시도이다. 도 4b는 도 4a에 도시된 가스 확산층의 개략적인 확대도이다. 도 5a는 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 따른 방법으로 형성한 가스 확산층의 미세구조를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 도 5b는 도 5a에 도시된 가스 확산층의 확대 사진이다. 도 6은 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 반복적으로 수행하여 제조된 가스 확산층의 표면 저항과 반복 횟수 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 7은 방전 과정에서 얻어진 방전 용량(mAh) 값과 셀 전압(V)의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4a 내지 도 5b를 참조하면, 일 실시예에 따른 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용하여 형성된 가스 확산층(100)은 공기가 확산될 수 있는 기공을 구비하는 다공층(110)과 다공층(110)에 구비된 섬유 구조물(111)의 표면에 부착된 탄소 소재, 예를 들어 탄소 나노 튜브(CNT)를 포함하는 전도성 탄소층(120) 및 다공층(110)과 전도성 탄소층(120)에 배치되어 섬유 구조물(111)의 표면과 전도성 탄소층(120)을 접착시키는 접착층(130)을 포함할 수 있다. 다공층(110), 전도성 탄소층(120) 및 접착층(130)의 구성과 섬유 구조물(111)과 접착층(130) 및, 접착층(130)과 전도성 탄소층(120) 사이의 결합 관계는 상술한 실시예에서 기재한 사항과 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 서술을 생략한다.
일 실시예에 따라, 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용하여 접착층(130) 및 전도성 탄소층(120)을 형성하는 단계는 반복적으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 복수의 접착층(130) 및 복수의 전도성 탄소층(120)이 교번하여 배치될 수 있다. 도 6을 참조하면, 전도성 탄소층(120)에 포함된 탄소 소재로서 1mg/ml의 함량의 그래핀 나노 플레이트(GNP)와 1mg/ml의 함량과 3mg/ml의 함량의 탄소 나노 튜브(CNT)가 사용되고, 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 5회에서 20회 진행하는 경우 측정되는 가스 확산층(100)의 표면 저항의 변화를 확인할 수 있다. 탄소 소재의 종류 및 함량에 관계없이 반복적으로 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 의해 전도성 탄소층(120)이 생성되는 경우, 전기적 특성 즉, 표면 저항이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 층상자기조립법(layer-by-layer method)에 의한 전도성 탄소층(120)의 제조 횟수는, 가스 확산층(100)의 기계적 특성 및 전기적 특성에 따라 결정될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
(가스확산층의 제작)
실시예 및 비교예 : 리튬 공기 전지의 제작
(실시예 1)
탄소 코팅을 위해 3mg/ml 의 탄소나노튜브(CNT, CM-250, Hanwha chemical) 수분산액을 제조하였다. 원활한 분산을 위해 분산제로 폴리스티렌술폰산(poly(4-styrenesulfonic acid), Aldrich, Mw=75,000)을 탄소 및 분산제의 중량비가 1:5가 되도록 첨가하였다. 접착층 고분자로 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, Aldrich, Mw=89,000) 0.25wt% 수용액을 사용하였다.
층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용해 탄소 코팅된 가스확산층을 제작하였다. PET 부직포(05TH-08, HIROSE)를 PVA 수용액에 담근 뒤 증류수에 세척 및 건조, 이어서 탄소 분산액에 담근 뒤 증류수에 세척 및 건조하여 한 층의 탄소 코팅층을 형성하였다. 이를 수 회 반복하여 일정 수준의 전도도를 갖는 가스확산층을 제작하였다.
(비교예)
가스확산층으로 상업용 탄소지(Sigracet 25BA, SGL Group)를 사용하였다.
(양극의 제작)
양극 촉매로 탄소나노튜브(NC2100, Nanocyl), 양극 전해질로 0.5 M의 Lithium bis(trifluoromethylsulphonyl)imide가 첨가된 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Aldrich), 바인더로 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE, DAIKIN)을 1:2:0.2의 중량비로 혼합하여 양극을 제작하였다.
(전해질막의 제작)
N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (KANTO), Poly(diallyldimethylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), Lithium bis(trifluoromethylsulphonyl)imide를 75:17.6:7.4의 중량비로 혼합하여 acetonitrile로 희석한 용액을 폴리에틸렌(PE) 분리막(Entek EPX)에 함침, 건조하여 전해질막을 제작하였다.
(리튬-공기 전지의 제작)
리튬 foil 음극 위에 상기 제작된 전해질막, 양극, 가스확산층을 차례로 적층하여 리튬-공기 전지를 제작하였다.
평가예: 방전 특성 및 에너지 밀도 평가
80도, 산소 분위기에서 0.24 mA/cm2의 전류밀도로 방전(full discharge) 및 충전하였다. 상기 방전 과정에서 얻어진 방전 용량(mAh) 값과 셀전압(V)을 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다. 상기 방전 특성 평가 결과를 기초로 실시예와 비교예의 에너지 밀도를 평가할 수 있다.
| 비교예(SGL 25BA) | 실시예(LbL-GDL) | |
| 음극(mg/cm2, 방전 용량의 3배 가정) | 1.78 | 2.05 |
| 전해질막(mg/cm2) | 3.6 | 3.6 |
| 양극(mg/cm2) | 2.5 | 2.5 |
| 가스확산층(mg/cm2) | 3.7 | 1.0 |
| 셀 용량(mAh/cm2) | 2.29 | 2.64 |
| 평균 방전전압(V) | 2.64 | 2.63 |
| 셀 에너지밀도(Wh/kg) | 522 | 757 |
상기 표 1을 참조하면, 실시예에서 제조된 리튬 공기 전지는 비교예에서 제조된 리튬 공기 전지에 비해 에너지 밀도가 높은 것으로 나타났다.
(실시예 2)
실시예 1에 따라 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용해 제작된 탄소 코팅층에 폴리피롤(PPy, polypyrrole)을 추가 코팅하여 가스확산층을 제작하였다. 층상 자기 조립법에 의해 제작된 전도성 탄소층이 코팅된 부직포를 폴리피롤 5wt% 수용액(Aldrich, 482552)에 담근 뒤 10분 디핑(dipping)하여 건조함으로써 전도성 고분자층을 구비하는 가스 확산층을 제작하였다.
(실시예 3)
실시예 1에 따라 층상자기조립법(layer-by-layer method)을 이용해 제작된 탄소 코팅층에 금을 추가 코팅하여 가스확산층을 제작하였다. 층상 자기 조립법에 의해 제작된 전도성 탄소층이 코팅된 부직포에 스퍼터링 방식을 이용하여 금을 코팅함으로써 금속층을 구비하는 가스 확산층을 제작하였다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | |
| 무게(mg/cm2) | 1 | 1 | 1.3 |
| 면저항(ohm/sq) | 270 | 190 | 170 |
상기 표 2을 참조하면, 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 리튬 공기 전지는 실시예 1에서 제조된 리튬 공기 전지에 비해 면저항이 낮은 것으로 나타났다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 금속-공기 전지
11: 음극 금속층
12: 음극 전해질막
13: 양극층
100: 가스 확산층
110: 다공층
111: 섬유 구조물
120: 전도성 탄소층
130: 접착층
11: 음극 금속층
12: 음극 전해질막
13: 양극층
100: 가스 확산층
110: 다공층
111: 섬유 구조물
120: 전도성 탄소층
130: 접착층
Claims (23)
- 복수의 비전도성 섬유 구조물을 구비하는 다공층; 및
탄소 소재를 포함하며, 상기 탄소 소재가 상기 섬유 구조물의 표면을 따라 배치되는 전도성 탄소층;를 포함하는
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 섬유 구조물은 웨이비(wavy) 형상 또는 직선 형상을 구비하며, 상기 섬유 구조물들 사이에 중간물질 없이 공기 간극이 형성된
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 섬유 구조물은 고분자 수지섬유, 셀룰로오스 및 유리섬유로부터 선택된 1종 이상을 포함하며, 상기 다공층은 상기 복수의 섬유 구조물이 서로 결합한 직포, 부직포, 망 또는 이들의 조합 형상을 구비하는,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄소 소재는 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀 나노 플레이트(graphene nano plate, GNP), 탄소-고분자 복합체로부터 선택된 1종 이상을 포함하는,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 섬유 구조물의 평균 두께 대비 상기 전도성 탄소층의 두께는 1% 이상 10% 이하인,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 탄소층에 포함된 상기 탄소 소재는 상기 섬유 구조물의 표면을 따라 균일하게 배치되는,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 6 항에 있어서,
상기 전도성 탄소층은 상기 탄소 소재를 분산시키는 분산제를 더 포함하는,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 7 항에 있어서,
상기 분산제는 폴리스티렌설포네이트(polystyrene sulfonate, PSS), 폴리스티렌술폰산(poly(4-styrenesulfonic acid)), 폴리비닐피로리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌 글리콜 올레일 에텔(Polyethylene glycol oleyl ether), 폴리옥시에칠렌스테아릴에텔 (Polyoxyethylene stearyl ether), 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르 (Polyoxyethylene nonylphenyl ether), 폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(플로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol), Pluronic), 폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜) (Poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Polyethylene-block-poly(ethylene glycol)), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸싸이클로헥실 에테르 (Polyoxyethylene isooctylcyclohexyl ether) 세틸피리디늄클로라이드 (cetylpyridinium chloride, CPC), 세틸피리디늄브로마이드 (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) 또는 세틸트리메틸암모늄염화물 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC)중 하나 또는 이들의 복합체인,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 섬유 구조물과 상기 전도성 탄소층 사이에 배치되어 상기 섬유 구조물의 표면에 상기 전도성 탄소층을 접착시키는 접착층;을 더 포함하는
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 탄소층의 표면을 따라 배치되는 금속층;을 더 포함하는
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 탄소층의 표면을 따라 배치되는 전도성 고분자층;을 더 포함하는
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 9 항에 있어서,
상기 접착층은 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone), PVP), 폴리아닐린(polyaniline ,PANI), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(poly(diallyldimethylammonium chloride), PDDA), 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO), 폴리에틸렌 이민(poly(ethylene imine), PEI), 폴리알릴아민염소산(poly(allylamine hydrochloride), PAH), 폴리아크릴 산(poly(acrylic acid)), 내피온(Nafion, tetrafluoroethylene-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic acid copolymer) 중 하나 또는 이들의 복합체인,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 제 9 항에 있어서,
상기 접착층과 상기 전도성 탄소층은 복수 개로 마련되며, 상기 복수 개의 접착층과 상기 복수개의 전도성 탄소층은 서로 교번하여 배치되는,
금속-공기 전지용 가스 확산층. - 복수의 비전도성 섬유 구조물의 표면에 접착층을 부착시키는 단계; 및
상기 접착층의 상부에 탄소 소재를 포함하는 전도성 탄소층을 부착시키는 단계;를 포함하는,
금속-공기 전지용 가스 확산층의 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
분산제를 이용하여 상기 탄소 소재를 균일하게 분산시키는 단계;를 더 포함하는,
금속-공기 전지용 가스 확산층의 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 접착층은 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone), PVP), 폴리아닐린(polyaniline ,PANI), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(poly(diallyldimethylammonium chloride), PDDA), 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO), 폴리에틸렌 이민(poly(ethylene imine), PEI), 폴리알릴아민염소산(poly(allylamine hydrochloride), PAH), 폴리아크릴 산(poly(acrylic acid)), 내피온(Nafion, tetrafluoroethylene-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic acid copolymer)중 하나 또는 이들의 복합체인,
금속-공기 전지용 가스 확산층의 제조 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 분산제는 폴리스티렌설포네이트(polystyrene sulfonate, PSS), 폴리스티렌술폰산(poly(4-styrenesulfonic acid)), 폴리비닐피로리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌 글리콜 올레일 에텔(Polyethylene glycol oleyl ether), 폴리옥시에칠렌스테아릴에텔 (Polyoxyethylene stearyl ether), 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르 (Polyoxyethylene nonylphenyl ether), 폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(플로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol), Pluronic), 폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜) (Poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Polyethylene-block-poly(ethylene glycol)), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸싸이클로헥실 에테르 (Polyoxyethylene isooctylcyclohexyl ether) 세틸피리디늄클로라이드 (cetylpyridinium chloride, CPC), 세틸피리디늄브로마이드 (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) 또는 세틸트리메틸암모늄염화물 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC)중 하나 또는 이들의 복합체인,
금속-공기 전지용 가스 확산층의 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 접착층을 도포하는 단계 및 상기 전도상 탄소층을 배치시키는 단계를 반복적으로 수행하여, 복수 개의 접착층과 복수개의 전도성 탄소층이 서로 교번하도록 배치되는,
금속-공기 전지용 가스 확산층의 제조 방법. - 금속을 포함하는 음극부;
양극 촉매층 및 이에 접촉하는 금속-공기 전지용 가스 확산층을 포함하는 양극부;
상기 음극부와 양극부 사이에 구비된 전해질;을 포함하는 금속 공기 전지로서,
상기 금속-공기 전지용 가스 확산층은
복수의 비전도성 섬유 구조물을 구비하는 다공층;
탄소 소재를 포함하며, 상기 탄소 소재가 상기 섬유 구조물의 표면을 따라 배치되는 전도성 탄소층;를 포함하는
금속- 공기 전지. - 제 19 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지용 가스 확산층의 기공률이 70 vol% 이상인,
금속-공기 전지. - 제 19 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지용 가스 확산층의 단위 면적당 무게가 2mg/cm2 이하인,
금속-공기 전지. - 제 19 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지용 가스 확산층의 전기 전도도가 200S/m 이상인,
금속-공기 전지. - 제 19 항에 있어서,
상기 전도성 탄소층이 상기 섬유 구조물의 윤곽(contour)에 일치하는 컨포멀층(conformal layer)인,
금속-공기 전지.
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