KR20210083948A - 이산화탄소 흡착제를 포함하는 양극 활물질 조성물, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

이산화탄소 흡착제를 포함하는 양극 활물질 조성물, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡착제를 포함하는 양극 활물질 조성물, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 나타내는 알킬 아민을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 조성물 및 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하며, 본 발명의 리튬 이차전지용 양극 활물질은 리튬-공기 이차 전지에 사용되는 경우에는 이산화탄소 및 수분 농도를 선택적으로 제거하여 리튬-공기 이차전지의 안정성을 확보하고 나아가 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.

Description

이산화탄소 흡착제를 포함하는 양극 활물질 조성물, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL COMPRISING CARBON DIOXIDE ADSORBENT AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 이산화탄소 흡착제를 포함하는 양극 활물질 조성물, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 나타내는 알킬 아민을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 조성물 및 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
최근 전 세계적으로 지속 가능한 친환경 에너지 저장/변환 장치에 대한 수요가 크게 증가함에 따라 화석 연료부터 이차전지로의 에너지 공급원 다각화가 진행되고 있으며 이에 이차전지 시장은 기존 소형 디바이스 시장에서 전기자동차 및 에너지 저장 시스템 등으로의 중대형 디바이스 시장으로 크게 확대되고 있다.
기존 전지 소재를 활용하여 에너지 밀도를 획기적으로 증가시키는 것이 현실적으로 어렵기 때문에 신규 소재에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 2000년대 중반 이후 리튬의 높은 이론 용량을 기반으로 리튬-공기, 리튬-유황 등의 신규 전지 시스템 및 소듐, 마그네슘 및 다가 이온 기반의 알루미늄 기반의 이차전지를 포함하는 다양한 신규 전지 시스템들이 개발되고 있다.
리튬-공기 이차전지의 높은 에너지 밀도의 장점에도 불구하고 시스템이 지니는 여러 문제로 인하여 실제 적용에는 많은 한계를 지니고 있다.
리튬-공기 이차전지는 충/방전시 리튬과 산소가 양극(공기극)에서 만나 Li2O2를 가역적으로 형성되는 반응으로 에너지를 만들어 내는 시스템이지만 형성되는 Li2O2의 OER(oxygen evolution reaction) 반응이 용이하지 않아 양극에서 분해되지 않고 기공을 받아 과전압을 크게 증가시키는 문제가 있다. 이는 곧 충/방전 효율의 감소를 야기하여 리튬-공기 이차전지의 에너지 효율 저하의 원인이 되며, 이를 극복하고자 OER 반응을 활성화시킬 수 있는 촉매의 사용을 필요로 한다. 그러나 OER 촉매를 활용하는 경우 리튬-공기 이차전지의 무게 증가로 인하여 에너지 밀도가 감소되는 문제가 발생한다.
또한 최근 연구에 따르면, 방전 생성물인 Li2O2의 친핵성 성질로 인하여 전해액의 분해 반응을 야기하여 선택 가능한 전해액의 폭이 줄어듦과 동시에 주요 양극(공기극)으로 사용되는 탄소와 반응하여 Li2CO3를 형성함으로서 리튬-공기 이차전지의 수명 특성을 저하시키는 문제를 나타낸다. 형성된 Li2CO3는 양극에서의 과전압을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 비가역 분해를 통하여 전지의 내압을 증가시킬 수 있기 때문에 리튬-공기 이차전지의 안정성 및 안전성을 저해 가능하다는 측면에서 반드시 제어되어야 한다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0133828호
이에 본 발명자는 리튬-공기 이차전지의 가역 반응을 원활하게 진행하기 위하여 전지 내부 양극(공기극)에서 이산화탄소 및 수분 농도를 선택적으로 제거 가능한 기능성 분자를 설계하고 이에 대한 ex-situ 분석을 진행하여 소재를 도출하고자 하였다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 나타내는 알킬 아민을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 조성물을 제공한다;
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
(여기서 m 및 n은 1 내지 20의 정수이다.).
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극;음극 활물질을 포함하는 음극;및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
상기 리튬 이차 전지는 리튬-공기 이차전지인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬 이차전지용 양극 활물질은 리튬-공기 이차 전지에 사용되는 경우에는 이산화탄소 및 수분 농도를 선택적으로 제거하여 리튬-공기 이차전지의 안정성을 확보하고 나아가 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 옥타데실아민과 이산화탄소가 반응하여 생성되는 화합물을 나타내는 도면이다.
도 2는 옥타데실아민의 이산화탄소 흡착 실험을 나타내는 사진이다.
도 3은 옥타데실아민 및 이산화탄소가 흡착 반응한 옥타데실아민의 FT-IR 스펙트럼 그래프이다.
도 4는 이산화탄소가 흡착 반응한 옥타데실아민의 1H NMR 스펙트럼 그래프이다.
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질 조성물은 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 나타내는 알킬 아민을 포함하는 것을 특징으로 한다;
[화학식 1]
Figure pat00003
[화학식 2]
Figure pat00004
(여기서 m 및 n은 1 내지 20의 정수이다.).
본 발명자는 옥타데실아민이 공기중의 이산화탄소를 흡착하는 특징을 확인하였으며, 옥타데실아민은 이산화탄소와 반응하여 카바메이트(carbamate), 카르바민산(carbamic acid) 및 암모늄 이온(ammonium ion) 등의 화합물을 생성하는 것을 확인하였다(도 1 및 도 3)
상기 리튬 이차전지는 리튬-공기 이차전지인 것을 특징으로 하며, 상기 옥타데실아민 화합물은 이산화탄소 및 수분 농도를 선택적으로 제거하여 리튬-공기 이차전지의 안정성을 확보하고 나아가 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서 상기 양극 활물질을 포함하는 양극;음극 활물질을 포함하는 음극;및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
상기 리튬 이차전지는 리튬-공기 이차전지인 것을 특징으로 한다.
이하에서 본 발명에 대한 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하며, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
(1) 옥타데실아민의 이산화탄소 흡착 평가
본 발명자는 바이알에 옥타데실아민(ODA, octadecylamine)을 1g 첨가하고 CO2 존재하에서 옥타데실아민의 이산화탄소 흡착력을 평가하였다(도 2).
반응 전 반응 후 CO2 흡착량 몰수/사용한 reagent 몰수
ODA (습도 40%) 1.000g 1.030g 0.7 mmol / 3.7 mmol (0.19)
ODA 1.000g 1.037g 0.8 mmol / 3.7 mmol (0.21)
상기 표 1을 참고하면, 옥타데실아민은 이산화탄소를 흡착하여 습도가 40%인 조건에서는 반응 전에 비하여 반응 후 0.030g이 증가하였으며, 순수 이산화탄소만 존재하는 조건에서는 0.037g이 증가하였다. 상기 실험 결과를 옥타데실아민은 이산화탄소 흡착력은 가진다고 평가할 수 있다.
(2) 이산화탄소 흡착 후 FT-IR 스펙트럼
도 3을 참고하면, 옥타데실아민은 이산화탄소와 반응하여 카바메이트(carbamate), 카르바민산(carbamic acid) 및 암모늄 이온(ammonium ion) 등을 생성하는 것을 확인할 수 있었다.
도 3의 그래프에서 흡착 전 옥타데실아민의 피크와 비교하여 보면, 1323 cm-1에서 C-O의 결합 피크가 형성되었다.
(3) 이산화탄소 흡착 후 1H NMR 스펙트럼
도 4를 참고하면, 이산화 탄소 흡착후 1.67 ppm에서 새로운 피크가 형성되는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 옥타데실아민이 이산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 흡착할 수 있다는 것을 뒷받침한다.

Claims (4)

  1. 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 나타내는 알킬 아민을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 조성물;
    [화학식 1]
    Figure pat00005

    [화학식 2]
    Figure pat00006

    (여기서 m 및 n은 1 내지 20의 정수이다.).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 이차 전지는 리튬-공기 이차전지인 것을 특징으로 하는 양극 활물질 조성물.
  3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항의 양극 활물질을 포함하는 양극;음극 활물질을 포함하는 음극;및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지.
  4. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항의 양극 활물질을 포함하는 양극;음극 활물질을 포함하는 음극;및 전해질을 포함하는 리튬-공기 이차 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4216335A3 (en) * 2022-01-25 2023-08-02 SK On Co., Ltd. Pouch-type secondary battery, a secondary battery module including the same and a device including the same

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160133828A (ko) 2015-05-13 2016-11-23 주식회사 엘지화학 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

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