KR20190050065A - 금속 공기 전지용 음극 및 이를 포함하는 금속 공기 전지 - Google Patents

금속 공기 전지용 음극 및 이를 포함하는 금속 공기 전지 Download PDF

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KR20190050065A
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Abstract

금속 공기 전지용 음극은 기판, 상기 기판 상에 서로 이격되어 제공되고, 상기 리튬층과 접촉하는 복수의 성장판들, 상기 기판 상에 제공되고, 상기 성장판들의 적어도 일부와 접촉하고, 리튬을 포함하는 리튬층, 및 상기 기판 상에 제공되고, 탄소재를 포함하는 전도층을 포함한다. 상기 리튬층은 상기 기판과 접촉한다.

Description

금속 공기 전지용 음극 및 이를 포함하는 금속 공기 전지{THE ANODE FOR A METAL AIR BATTERY AND THE METAL AIR BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 금속 공기 전지용 음극 및 이를 포함하는 금속 공기 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극에 성장판들을 도입하여, 금속 공기 전지의 충방전 용량 및 수명을 향상시킬 수 있는 금속 공기 전지용 음극 및 이를 포함하는 금속 공기 전지에 관한 것이다.
금속 공기 전지는 높은 에너지 밀도로 운송 수단용 차세대 이차 전지로 주목 받고 있다. 그 중 리튬 공기 전지가 각광 받고 있고, 리튬 이온 전지의 에너지 밀도가 200 Wh/kg 정도를 한계로 포화된 상태인 것에 비해 리튬 공기 전지는 높은 에너지 밀도로 차세대 에너지 저장 장치로서의 요구에 부합하는 이차 전지이다. 리튬 금속은 낮은 퍼텐셜 (-3.040 V vs. SHE)과 높은 이론 용량(3860 mAh/g)을 보임으로서 리튬-황, 리튬-공기 등 고에너지 밀도를 보이는 차세대 전지의 음극으로 각광받고 있다. 하지만, 충방전동안에 형성되는 리튬 덴드라이트 (Dendrite) 성장으로 인한 전해질층과의 반응성 향상, 반응성이 떨어진 리튬 등이 생성되어 금속 공기 전지의 효율 저하가 발생하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위한 접근 방법 중 하나로, 전도층을 이용하여 리튬 금속의 덴드라이트 성장을 억제하는 방법이 시도되었다. 전도층의 전도적 특성을 이용하여 면적당 전류 밀도를 낮춤으로써 덴드라이트 성장을 억제하는 방식이다. 다만, 리튬이 전도층 윗면, 즉 전도층과 양극 사이에만 우선적으로 형성되어 전해질층과의 반응 면적이 증가하는 문제가 있고, 전도층의 아랫면, 양극 및 전해질층의 하부에 배치되는 전도층의 하부의 공간을 사용하지 못함으로써 에너지 밀도의 감소를 초래한다는 단점이 존재한다.
또한, 구조가 정렬된 비전도체를 도입하는 접근법은 구조를 이용하여 리틈 이온 플럭스 (Flux)의 흐름을 균일하게 하여 덴드라이트의 성장을 균일하게 제어하는 특성이 있으나, 표면적 향상 효과를 이용하여 단위면적당 전류 밀도를 완화시키지 못할 뿐만 아니라, 과도하게 리튬이 성장할 시 비전도체 구조의 탈리가 발생할 가능성이 크게 존재한다.
또한, 0차원 구조체 내부에 성장점을 도입시키는 방법은 리튬과 전해질의 직접적인 접촉을 막음으로써 효율을 향상시킬 수 있지만, 전기적 패스(electrical path)를 유지하기 위해서는 많은 양의 도전재가 필요하며, 충방전 용량과 율속이 커지면 전극의 탈리가 발생한다는 문제점이 존재한다.
미국공개특허 2016-0020462 국제공개특허 2012-158924
본 발명의 목적은 음극의 단위 면적당 제공되는 유효전류밀도를 줄여 리튬 덴트라이트의 성장을 제어하면서도, 금속 공기 전지용 음극에 성장판들을 도입하여, 전도층의 윗면이 아닌, 전도층과 기판 사이의 공간에 리튬층의 적어도 일부가 중첩하도록 리튬층을 형성하는 것이다. 이에 따라 음극 내부의 공간 활용률을 높이고, 리튬층과 전해질층의 반응 면적을 줄여 금속 공기 전지의 충방전 용량과 수명을 향상시키고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 음극은 기판, 상기 기판 상에 서로 이격되어 제공되고, 상기 리튬층과 접촉하는 복수의 성장판들, 상기 기판 상에 제공되고, 상기 성장판들의 적어도 일부와 접촉하고, 리튬을 포함하는 리튬층, 및 상기 기판 상에 제공되고, 탄소재를 포함하는 전도층을 포함한다. 상기 리튬층은 상기 기판과 접촉한다.
상기 성장판들 각각은 카본 페이퍼를 포함하는 제1 층, 및 상기 제1 층 상에 제공되고, Au, Al, Mg, Zn, Ag, 및 Pt로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 제2 층을 포함한다.
상기 성장판들 각각은 평면상에서 원형인 것일 수 있다.
상기 전도층의 두께는 상기 리튬층의 두께보다 두꺼운 것일 수 있다.
단면상에서, 상기 리튬층은 상기 전도층의 일부와 중첩하는 것일 수 있다.
상기 탄소재는 탄소 나노 튜브, 그래파이트, 카본 블랙, 탄소 섬유, 그래핀, 및 활성 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지는 금속 공기 전지는 음극, 상기 음극 상에 제공되는 전해질층, 및 상기 전해질층 상에 제공되는 양극을 포함한다. 상기 음극은 기판, 상기 기판 상에 서로 이격되어 제공되고, 상기 리튬층과 접촉하는 복수의 성장판들, 상기 기판 상에 제공되고, 상기 성장판들의 적어도 일부와 접촉하고, 리튬을 포함하는 리튬층, 및 상기 기판 상에 제공되고, 탄소재를 포함하는 전도층을 포함한다. 상기 리튬층은 상기 기판과 접촉한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 음극은 음극의 단위 면적당 제공되는 유효전류밀도를 줄여 리튬 덴트라이트의 성장을 제어하면서도, 성장판들을 도입하여, 전도층의 윗면이 아닌, 전도층과 기판 사이의 공간에 리튬층의 적어도 일부가 중첩하도록 리튬층을 형성할 수 있다. 이에 따라 음극 내부의 공간 활용률을 높이고, 리튬층과 전해질층의 반응 면적을 줄여 금속 공기 전지의 충방전 용량과 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지에 포함되는 음극 및 전해질층의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지에 포함되는 성장판의 개략적인 사시도이다.
도 4는 종래의 금속 공기 전지에 포함되는 음극 및 전해질층의 개략적인 단면도이다.
도 5는 실시예 1, 및 실시예 2에서 사용한 성장판, 및 비교예 1에서 사용한 카본 페이퍼의 평면도이다.
도 6은 실시예 1, 및 실시예 2에서 사용한 성장판, 및 비교예 1에서 사용한 카본 페이퍼 각각의 아랫면 및 윗면의 사진, 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진이다.
도 7a는 실시예 1에서 사용한 성장판, 및 비교예 1에서 사용한 카본 페이퍼 각각의 아랫면 및 윗면의 사진, 실시예 1 및 비교예 1의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진이다.
도 7b는 실시예 2의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진이다.
도 8은 실시예 1에서 사용한 성장판, 및 비교예 1에서 사용한 카본 페이퍼 각각의 아랫면 및 윗면의 사진, 실시예 1 및 비교예 1의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진이다.
도 9는 비교예 1 및 실시예 1의 커패시티와 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교예 1 및 실시예 1의 시간에 따른 전압을 측정한 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 금속 공기 전지(MAB)는 음극(10), 전해질층(20), 및 양극(30)을 포함한다. 전해질층(20)은 음극(10) 상에 제공된다. 양극(30)은 전해질층(20) 상에 제공된다. 음극(10)에 대해서는 보다 구체적으로 후술한다.
금속 공기 전지(MAB)는 예를 들어, 운송 수단의 에너지원으로 사용할 수 있다. 운송 수단이란 물건, 사람 등의 운송을 위해 사용되는 수단을 의미하는 것일 수 있다. 운송 수단은 예를 들어 육상 운송 수단, 해상 운송 수단, 천상 운송 수단을 포함한다. 육상 운송 수단은 예를 들어, 승용차, 승합차, 트럭, 트레일러 트럭, 및 스포츠카 등을 포함하는 자동차, 자전거, 오토바이, 기차 등을 포함할 수 있다. 해상 운송 수단은 예를 들어, 배, 잠수함 등을 포함할 수 있다. 천상 운송 수단은 예를 들어 비행기, 헹글라이더, 열기구, 헬리콥터, 드론 등의 소형 비형체를 포함하는 것일 수 있다.
금속 공기 전지(MAB)는 예를 들어, 리튬 공기 전지인 것일 수 있다. 이하에서는 금속 공기 전지(MAB)가 리튬 공기 전지인 것을 예를 들어 설명한다. 리튬 공기 전지는 양극(30)에서 활물질로 공기 중의 산소를 이용하고, 음극(10)으로 리튬을 사용하는 전지 시스템이다. 양극(30)에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고, 음극(10)에서는 리튬의 산화 및 환원 반응이 일어 난다.
하기 화학식 1 및 화학식 2는 금속 공기 전지(MAB)의 방전시 음극(10)과 양극(30)에서 일어나는 반응을 나타낸 것이다.
[화학식 1]
(음극): Li → Li+ + e-
[화학식 2]
(양극): 2Li+ + O2 + 2e- → Li2O2
양극(30)은 다공성이므로 외부 공기가 유입될 수 있다. 외부 공기에 포함된 산소는 양극(30)에서 상기 전자에 의해 환원되고, 방전생성물로 Li2O2가 형성된다. 음극(10)의 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온과 전자가 생성된다. 리튬 이온은 전해질층(20)을 통해, 전자는 집전체 및 외부 도선을 통해 양극(30)으로 이동한다.
충전 반응은 이와 반대로 진행된다. 하기 화학식 3와 같이 양극(30)에서 Li2O2가 분해되어 리튬 이온과 전자가 생성된다.
[화학식 3]
(양극) Li2O2 → 2Li+ + O2 + 2e-
전해질층(20)은 음극(10) 및 양극(30) 사이에 제공된다. 전해질층(20)은 고체 전해질 또는 액체 전해질을 포함한다. 전해질층(20)은 리튬 전해질인 것일 수 있다. 전해질층(20)은 예를 들어, 황화물계 전해질, 산화물계 전해질, 고분자 전해질인 것일 수 있다. "~계 전해질"이란 "~" 화합물을 포함하는 전해질을 의미하는 것일 수 있다. 전해질층(20)은 금속 공기 전지(MAB) 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 전해질층(20), 및 음극(10) 사이에 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 한다.
도시하지는 않았으나, 음극(10) 및 양극(30) 사이에 분리막이 더 제공될 수 있다. 분리막은 음극(10)과 양극(30)이 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 분리막은 전해질층(20)과 중첩할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지에 포함되는 음극 및 전해질층의 개략적인 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지에 포함되는 성장판의 개략적인 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 음극(10)은 기판(11), 성장판들(12), 리튬층(13), 및 전도층(14)을 포함한다.
기판(11)은 음극(10)의 지지판 역할을 할 수 있다. 기판(11)은 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO(zinc oxide), 및 ITZO(indium tin zinc oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
복수의 성장판들(12)은 기판(11) 상에 제공된다. 성장판들(12) 각각은 리튬의 우선 증착을 유도하여, 리튬층(13)과 기판(11)을 접촉하도록 할 수 있다.
성장판들(12) 각각은 서로 이격된다. 성장판들(12) 각각은 예를 들어, 제1 방향(DR1) 및 제3 방향(DR3) 각각과 교차하는 제2 방향(DR2)으로 이격될 수 있다. 성장판들(12)은 기판(11) 상에 일정한 간격으로 이격되어 제공될 수도 있고, 랜덤한 간격으로 이격되어 제공될 수도 있다.
성장판들(12) 각각은 평면상에서 원형일 수 있다. 다만 이에 한정하는 것은 아니고, 성장판들(12) 각각은 삼각형, 사각형 등의 n각형(n은 자연수), 타원형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 성장판들(12)은 서로 상이한 형상을 가질 수도 있고, 서로 동일한 형상을 가질 수도 있다.
평면상에서 성장판들(12) 각각의 크기는 서로 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다.
성장판들(12) 각각은 제1 층(12L) 및 제2 층(12U)을 포함한다. 제1 층(12L)은 카본 페이퍼를 포함한다. 제1 층(12L)은 기판(11)과 접촉한다. 제2 층(12U)은 제1 층(12L) 상에 제공된다. 제2 층(12U)은 예를 들어, Au, Al, Mg, Zn, Ag, 및 Pt로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
리튬층(13)은 성장판들(12)의 적어도 일부와 접촉한다. 성장판들(12)은 리튬의 우선 증착을 유도한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 음극(10)에 제공되는 단위 면적당 유효전류밀도를 감소시켜, 리튬 덴트라이트의 형성을 억제하면서도, 리튬층(13)을 전도층(14)의 윗면이 아닌, 성장점들(11)부터 형성할 수 있다. 전도층(14)의 윗면은 제1 방향(DR1)으로 노출되는 표면을 의미하는 것일 수 있다. 전도층(14)의 아랫면은 제3 방향(DR3)으로 노출되는 표면을 의미하는 것일 수 있다.
리튬층(13)은 기판(11)과 접촉한다. 리튬층(13)의 적어도 일부는 기판(11)과 접촉한다. 단면상에서, 리튬층(13)은 전도층(14)의 일부와 중첩하는 것일 수 있다.
전도층(14)은 기판(11) 상에 제공된다. 전도층(14)은 내부에 홀들을 포함하지 않는 층일 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 가느다란 실 모양의 탄소재가 일정한 방향성 없이 랜덤하게 얽혀 형성되는 것일 수도 있다.
전도층(14)은 탄소재를 포함한다. 탄소재는 예를 들어, 탄소 나노 튜브, 그래파이트, 카본 블랙, 탄소 섬유, 그래핀, 및 활성 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
전도층(14)은 예를 들어, 기판(11)과 이격되어 제공될 수 있다. 전도층(14)의 두께(t2)는 리튬층(13)의 두께(t1)보다 두꺼운 것일 수 있다. 전도층(14)의 윗면이 리튬층(13)의 윗면보다 단면상에서 위에 배치되어, 전도층(14)이 리튬층(13)보다 먼저 전해질층(20)과 접촉하도록 할 수 있고, 이에 따라, 리튬층(13)이 전해질층(20)과 접촉하는 면적을 줄일 수 있다.
도 4는 종래의 금속 공기 전지에 포함되는 음극 및 전해질층의 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 종래의 금속 공기 전지의 음극(10a)은 기판(11a), 기판(11a) 상에 제공되는 전도층(14a), 기판(11a) 상에 제공되는 리튬층(13a)을 포함한다. 종래의 금속 공기 전지는 음극(10a)에 제공되는 단위 면적당 유효전류밀도를 감소시킴으로써 리튬 덴드라이트의 성장을 억제시켰다. 다만, 전도층(14a)의 전도 특성으로, 리튬이 전도층(14a)의 윗면부터 우선적으로 형성되는 문제가 존재하고, 리튬 덴드라이트가 전도층(14a) 위로 길게 성장하여 전해질층(20a)과의 접촉면적이 증가함으로써 전해질층(20a)의 분해 초래 및 쿨롱 효율을 감소시킨다는 문제점이 있다. 또한, 전도층(14a)의 아랫면, 즉 전도층(14a)과 기판(11a) 사이의 공간을 활용하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 음극은 음극의 단위 면적당 제공되는 유효전류밀도를 줄여 리튬 덴트라이트의 성장을 제어하면서도, 성장판들을 도입하여, 전도층의 윗면이 아닌, 전도층과 기판 사이의 공간에 리튬층의 적어도 일부가 중첩하도록 리튬층을 형성할 수 있다. 이에 따라 음극 내부의 공간 활용률을 높이고, 리튬층과 전해질층의 반응 면적을 줄여 금속 공기 전지의 충방전 용량과 수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
ITO 기판을 준비하고, 기판 상에 평면상에서 원형인 성장점들을 제공하였다. 성장점들 각각은 120 ㎛ 두께의 카본 페이퍼 (GDBL, JNTG사) 상에 Au를 30초 동안 스퍼터링하여 카본 페이퍼 대비 0.02 중량%의 Au층을 제공하여 형성하였다. 120 ㎛ 두께의 전도층을 형성하였고, 200 ㎛의 리튬층을 형성하여 음극을 형성하였다.
200㎕의 1M LiTFSI in Diethylene glycol diethyl ether (DEGDEE)로 전해질층을 형성하였고, 25㎛ 두께의 폴리에틸렌(Polyethylene) 분리막을 형성하였다. 이후 양극을 형성하여 코인셀을 형성하였다.
실시예 2
0.01 중량%의 Au층을 제공한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 코인셀을 형성하였다.
비교예 1
Au층을 형성하지 않고, 카본 페이퍼만을 제공한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 코인셀을 형성하였다.
1. 전류밀도 0.5mA/cm2, 1mAh 용량에서, 물성 평가를 진행하였고, 도 6에 실시예 1, 및 실시예 2에서 사용한 성장판, 및 비교예 1에서 사용한 카본 페이퍼 각각의 아랫면 및 윗면의 사진, 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진을 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 경우 리튬층의 아랫면에서 증착된 리튬층이 확인되고, 이는 성장판에 의해 증착이 먼저 일어났기 때문이다. 다만, 비교예 1에서는 리튬층의 아랫면에서 증착된 리튬층을 확인할 수 없었다.
2. 용량을 1mAh에서 5mAh로 증가시켜 물성 평가를 진행하였고, 도 7a에 실시예 1에서 사용한 성장판, 및 비교예 1에서 사용한 카본 페이퍼 각각의 아랫면 및 윗면의 사진, 실시예 1 및 비교예 1의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진, 도 7b에 실시예 2의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진을 나타내었다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 경우 리튬층의 아랫면에서 증착된 리튬층이 확인되고, 이는 성장판에 의해 증착이 먼저 일어났기 때문이다. 다만, 비교예 1에서는 리튬층의 아랫면에서 증착된 리튬층을 확인할 수 없었다.
3. 전류 밀도를 0.5mA/cm2에서 5mA/cm2로 증가시켜 물성 평가를 진행하였고, 도 8에 실시예 1에서 사용한 성장판, 및 비교예 1에서 사용한 카본 페이퍼 각각의 아랫면 및 윗면의 사진, 실시예 1 및 비교예 1의 리튬층의 아랫면 및 윗면의 사진을 나타내었다. 도 8을 참조하면, 실시예 1은 리튬층의 아랫면에서 증착된 리튬층이 확인되고, 이는 성장판에 의해 증착이 먼저 일어났기 때문이다. 다만, 비교예 1에서는 리튬층의 아랫면에서 증착된 리튬층을 확인할 수 없었다.
4. 도 9는 비교예 1 및 실시예 1의 커패시티와 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, 비교예 1은 카본 페이퍼에 리튬층이 우선적으로 증착되지 않아, 전압 스파크가 발생하지만, 실시예 1은 성장판들에 리튬층이 우선적으로 증착되어, 전압 스파크가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
5. 도 10은 비교예 1 및 실시예 1의 시간에 따른 전압을 측정한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 비교예 1은 전압 피크가 측정되는 시간의 간격이 점점 짧아지는 반면에 실시예 1은 그 시간의 간격이 일정한 것을 알 수 있는바 실시예 1의 수명 특성이 월등히 뛰어나다고 할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
MAB: 금속 공기 전지 10: 음극
11: 기판 12: 성장판들
13: 리튬층 14: 전도층
20: 전해질층 30: 양극

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 서로 이격되어 제공되고, 리튬층과 접촉하는 복수의 성장판들;
    상기 기판 상에 제공되고, 상기 성장판들의 적어도 일부와 접촉하고, 리튬을 포함하는 리튬층; 및
    상기 기판 상에 제공되고, 탄소재를 포함하는 전도층;을 포함하고,
    상기 리튬층은
    상기 기판과 접촉하는 것인 금속 공기 전지용 음극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성장판들 각각은
    카본 페이퍼를 포함하는 제1 층; 및
    상기 제1 층 상에 제공되고, Au, Al, Mg, Zn, Ag, 및 Pt로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 제2 층;을 포함하는 금속 공기 전지용 음극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 성장판들 각각은
    평면상에서 원형인 것인 금속 공기 전지용 음극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도층의 두께는
    상기 리튬층의 두께보다 두꺼운 것인 금속 공기 전지용 음극.
  5. 제1항에 있어서,
    단면상에서,
    상기 리튬층은 상기 전도층의 일부와 중첩하는 것인 금속 공기 전지용 음극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소재는
    탄소 나노 튜브, 그래파이트, 카본 블랙, 탄소 섬유, 그래핀, 및 활성 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 것인 금속 공기 전지용 음극.
  7. 제1항의 음극;
    상기 음극 상에 제공되는 전해질층; 및
    상기 전해질층 상에 제공되는 양극;을 포함하는 금속 공기 전지.
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