WO2022191340A1 - 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지 - Google Patents

리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지 Download PDF

Info

Publication number
WO2022191340A1
WO2022191340A1 PCT/KR2021/002847 KR2021002847W WO2022191340A1 WO 2022191340 A1 WO2022191340 A1 WO 2022191340A1 KR 2021002847 W KR2021002847 W KR 2021002847W WO 2022191340 A1 WO2022191340 A1 WO 2022191340A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
titanium carbide
lithium
air battery
fabric
containing catalyst
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/002847
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
정훈기
오시형
김형석
김상옥
류승호
임희대
이민아
정민기
신현지
김준태
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to PCT/KR2021/002847 priority Critical patent/WO2022191340A1/ko
Publication of WO2022191340A1 publication Critical patent/WO2022191340A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a cathode for a lithium-air battery, a manufacturing method thereof, and a lithium-air battery comprising the same.
  • Lithium-air batteries are attracting attention as next-generation batteries comparable to gasoline (13,000 Wh/kg) due to their very high energy density (11,680 Wh/kg) based on Li 2 O 2 formation and decomposition reactions.
  • Lithium-air batteries can reduce fuel efficiency by allowing electric vehicles to travel more than 500 km on a single charge.
  • Various carbon materials are mainly used as electrodes for lithium-air batteries due to their high surface area, high conductivity, lightness, easy manufacturing procedure and low cost.
  • the carbon material has a problem in that carbon is decomposed by reaction with Li 2 O 2 to form irreversible Li 2 CO 3 and shorten the life of the battery.
  • TiC has been attempted to be applied to a wide range of applications such as electrode materials for supercapacitors, fuel cells, and lithium-air batteries.
  • electrode materials for supercapacitors, fuel cells, and lithium-air batteries According to the previous research results, when TiC electrode material was introduced into a lithium-air battery, the side reaction of the carbon electrode was alleviated, and the high capacity of 98% was maintained even after 100 cycles.
  • the TiC electrode has a disadvantage in that it has low conductivity and is heavy compared to carbon materials and thus has low energy density.
  • TiC was used as a bifunctional catalyst together with carbon materials to reduce the overpotential of the battery and to improve the specific capacity, which is the battery capacity per weight.
  • TiC deposited on carbon protected the carbon surface and did not reduce side reactions.
  • Non-Patent Document 1 Ottakam Thotiyl, MM; Freunberger, SA; Peng, Z.; Chen, Y.; Liu, Z.; Bruce, PG, A stable cathode for the aprotic Li-O 2 battery. Nat. Mater. 2013, 12 , 1050-1056.
  • the present invention provides a method for manufacturing a cathode for a lithium-air battery comprising a titanium carbide-fabric composite in which titanium carbide in the form of nanorods or nanowires is grown in a direction perpendicular to the surface of the carbonized fabric. for that purpose
  • Another object of the present invention is to provide a cathode for a lithium-air battery that prevents a side reaction with an electrolyte, has a high energy density, and can recycle resources.
  • Another object of the present invention is to provide a lithium-air battery including an air electrode having an improved battery life while reducing manufacturing cost.
  • the present invention comprises the steps of preparing a mixed solution by mixing a nickel-containing catalyst, a fluorine-containing catalyst and a titanium precursor in an organic solvent; impregnating the fabric material in the mixed solution; drying the fabric material impregnated with the mixed solution; and producing a titanium carbide-fabric composite in which titanium carbide is formed on the surface of the carbonized fabric by subjecting the dried fabric material to a carbon-thermal reduction reaction.
  • the nickel-containing catalyst is Ni(OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 ⁇ 2Ni(OH) 2 ⁇ 4H 2 O, NiC 2 O 4 ⁇ 2H 2 O, Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O, NiSO 4 And NiSO 4 ⁇ 6H 2 O may be at least one selected from the group consisting of.
  • the titanium precursor is TiO 2 , TiOCl 2 , TiCl 3 , TiCl 4 , TiO(OH) 2 , Ti(OH) 4 , Ti(OC 2 H 5 ) 4 and Ti[OCH(CH 3 ) 2 ] 4
  • the group consisting of It may be one or more selected from.
  • a nickel-containing catalyst, a fluorine-containing catalyst, and a titanium precursor may be mixed in an organic solvent in a weight ratio of 7 to 15: 18 to 30: 55 to 75 by weight.
  • the textile material may be a natural fiber, an artificial fiber, or a mixture thereof.
  • the natural fiber may be at least one selected from the group consisting of cotton, hemp, silk, wool, or animal hair.
  • the artificial fiber may be at least one selected from the group consisting of rayon, cupra, acetate, triacetate, nylon, acrylic, polyester, polypropylene, polyurethane, and aramid.
  • the fabric material is made in the form of a fiber bundle, and one fiber strand may have a porous structure having an average diameter of 0.1 to 100 ⁇ m and a pore size of 0.05 to 1 mm.
  • the carbon-thermal reduction reaction may be performed for 30 minutes to 3 hours at a temperature of 1000 to 1500 °C under an inert atmosphere.
  • the inert atmosphere may be performed in at least one inert gas selected from the group consisting of argon, hydrogen, nitrogen, helium, neon, xenon, and krypton.
  • the titanium carbide may have an average thickness of 10 to 100 nm, and an average length of 0.1 to 80 ⁇ m.
  • the titanium carbide-fabric composite may include 45 to 60% by weight of titanium carbide based on the total weight of the titanium carbide-fabric composite.
  • the titanium carbide-fabric composite may have a structure in which titanium carbide is grown in the form of nanorods or nanowires in a direction perpendicular to all or at least part of the surface of the carbonized fabric.
  • the titanium carbide-fabric composite may have a first XPS effective peak and a second XPS effective peak in the binding energy ranges of 533 to 535 eV and 529 to 533 eV, respectively.
  • the nickel-containing catalyst is at least one selected from the group consisting of NiCO 3 ⁇ 2Ni(OH) 2 ⁇ 4H 2 O, NiC 2 O 4 ⁇ 2H 2 O, and Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O, and the fluorine-containing catalyst
  • the catalyst is NaF, NaHF 2 or a mixture thereof
  • the titanium precursor is at least one selected from the group consisting of TiO 2 , TiO(OH) 2 and Ti(OH) 4
  • the mixed solution is a nickel-containing catalyst in an organic solvent
  • fluorine-containing catalyst and titanium precursor are mixed in a weight ratio of 10-14: 20-28: 58-70
  • the textile material is a natural fiber
  • the textile material is in the form of a fiber bundle
  • one fiber strand is average It has a diameter of 1 to 20 ⁇ m and a porous structure having a pore size of 0.05 to 0.8 mm
  • the carbon-thermal reduction reaction is performed under an inert atmosphere at a temperature of 1200 to
  • the inert atmosphere is argon, carried out in at least one inert gas selected from the group consisting of helium and neon, the titanium carbide has an average thickness of 20 to 70 nm, and an average length is 1 to 10 ⁇ m, and the titanium carbide-fabric composite is titanium carbide-fabric 50 to 58 wt% of titanium carbide may be included with respect to the total weight of the composite.
  • the nickel-containing catalyst is Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O
  • the fluorine-containing catalyst is NaF
  • the titanium precursor is TiO 2
  • the mixed solution is a nickel-containing catalyst, a fluorine-containing catalyst and a titanium precursor in an organic solvent 12.5: 25: 62.5 weight ratio is mixed
  • the fabric material is cotton fiber
  • the fabric material is in the form of a fiber bundle
  • one fiber strand has an average diameter of 5 to 10 ⁇ m, and a pore size of 0.1 to 0.3 mm
  • the carbon-thermal reduction reaction is performed at a temperature of 1300 ° C under an inert atmosphere for 2 hours
  • the inert atmosphere is carried out in argon gas
  • the titanium carbide has an average thickness of 50 nm, and an average length is 5 ⁇ m
  • the titanium carbide-fabric composite may include 53 to 55 wt% of titanium carbide based on the total weight of the titanium carbide-fabric composite.
  • the present invention is a carbonized fabric; and titanium carbide in the form of nanorods or nanowires grown in a vertical direction on all or at least part of the surface of the carbonized fabric;
  • the titanium carbide-fabric composite may include 53 to 55% by weight of titanium carbide based on the total weight of the titanium carbide-fabric composite.
  • the present invention also provides a lithium-air battery including the cathode.
  • the cathode for a lithium-air battery according to the present invention has a simpler manufacturing process by impregnating a fabric material in a mixed solution containing a titanium precursor, drying it, and then performing a carbon-thermal reduction reaction to produce a titanium carbide-fabric composite, and is superior to a commercial carbon-based electrode. Although it is much lighter in weight, it has a sufficiently porous interior space to facilitate the flow of oxygen, thus promoting the formation and decomposition of discharge products.
  • the cathode for a lithium-air battery according to the present invention suppresses the occurrence of side reactions with the electrolyte due to its porous structure, and the titanium carbide formed on the surface of the carbonized fabric increases the surface area that can accommodate the discharge product while protecting the carbon surface. It has a high energy density and can improve the lifespan of the battery.
  • the cathode for a lithium-air battery according to the present invention can be expected to reduce the manufacturing cost by using a fabric material such as discarded waste clothing as a raw material, and at the same time, resource recycling and resource saving effect.
  • Example 1 is a method for manufacturing an air electrode for a lithium-air battery according to Example 2 of the present invention (a), and a scanning electron microscope (FE-SEM) of C-cloth and TiC-cloth electrodes prepared in Examples 1 and 2 according to the present invention.
  • a a method for manufacturing an air electrode for a lithium-air battery according to Example 2 of the present invention
  • FE-SEM scanning electron microscope
  • XRD X-ray diffraction
  • e Raman spectrum analysis
  • f N 2 gas adsorption-desorption isothermal experiment
  • g BJH pore distribution curve
  • FIG. 2 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the C-cloth and TiC-cloth electrodes prepared in Examples 1 and 2 according to the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of XPS analysis to confirm the presence of oxygen and carbon in the C-cloth and TiC-cloth electrodes prepared in Examples 1 and 2 according to the present invention.
  • Example 4 is a result of transmission electron microscope (TEM) analysis of the TiC-cloth electrode prepared in Example 2 according to the present invention.
  • FIG 5 shows the element mapping result of the TiC-cloth electrode prepared in Example 2 according to the present invention.
  • FIG. 6 is a graph (a, b) showing the evaluation results of 100 times of charging and discharging of the lithium-air battery manufactured using the electrodes prepared in Example 2 and Comparative Example 1 according to the present invention, the number of cycles in the controlled area capacity;
  • the energy efficiency graph according to (c) and 0.5 mA/cm 2 are graphs (d, e) showing charging and discharging performance at various current densities (0.05 to 1 mA/cm 2 ) according to the capacity of 0.5 mA/cm 2 .
  • Example 7 is a lithium-air battery having a TiC nanoparticle electrode of Comparative Example 1 (a, c) and a lithium-air battery having a TiC-cloth electrode of Example 2 (b), which were charged and discharged in Experimental Example 2 according to the present invention; , d) are voltage profile graphs and SEM pictures.
  • FIG. 10 is a Ti2P XPS spectrum of a TiC-cloth electrode and a lithium-air battery after discharging (a), charging (b), and cycling (c) for a lithium-air battery having a TiC-cloth electrode of Example 2 according to the present invention; It is a schematic diagram showing discharging/recharging schematically.
  • the present invention relates to a cathode for a lithium-air battery, a manufacturing method thereof, and a lithium-air battery comprising the same.
  • lithium-air batteries based on electrochemical formation and decomposition of lithium peroxide (Li 2 O 2 ) have received much attention.
  • cathode-related problems such as carbon decomposition, irreversible accumulation of Li 2 O 2 and subsequent passivation of the cathode severely limit the performance of lithium-air batteries.
  • an easily obtainable fabric material was used as a substrate and titanium carbide was grown on the outer surface of the fabric material by a carbon thermal reduction method-fabric composite was prepared.
  • the present invention comprises the steps of preparing a mixed solution by mixing a nickel-containing catalyst, a fluorine-containing catalyst and a titanium precursor in an organic solvent; impregnating the fabric material in the mixed solution; drying the fabric material impregnated with the mixed solution; and producing a titanium carbide-fabric composite in which titanium carbide is formed on the surface of the carbonized fabric by subjecting the dried fabric material to a carbon-thermal reduction reaction.
  • a mixed solution may be prepared by mixing a titanium precursor, a nickel-containing catalyst, and a fluorine-containing catalyst in an organic solvent.
  • the nickel-containing catalyst and the fluorine-containing catalyst may be used as a catalyst in the middle of the reaction so that the titanium precursor becomes titanium carbide.
  • the nickel-containing catalyst is Ni(OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 ⁇ 2Ni(OH) 2 ⁇ 4H 2 O, NiC 2 O 4 ⁇ 2H 2 O, Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O, NiSO 4 And NiSO 4 ⁇ 6H 2 O may be at least one selected from the group consisting of.
  • NiCO 3 ⁇ 2Ni(OH) 2 ⁇ 4H 2 O NiC 2 O 4 ⁇ 2H 2 O and Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O
  • NiCO 3 ⁇ 2Ni(OH) 2 ⁇ 4H 2 O NiCO 3 ⁇ 2Ni(OH) 2 ⁇ 4H 2 O can be used.
  • it may be NaF, NaHF 2 or a mixture thereof, and most preferably NaF may be used.
  • the titanium precursor is TiO 2 , TiOCl 2 , TiCl 3 , TiCl 4 , TiO(OH) 2 , Ti(OH) 4 , Ti(OC 2 H 5 ) 4 and Ti[OCH(CH 3 ) 2 ] 4
  • the group consisting of It may be one or more selected from. Preferably, it may be at least one selected from the group consisting of TiO 2 , TiO(OH) 2 and Ti(OH) 4 , and most preferably TiO 2 may be used.
  • the titanium precursor may have an average particle diameter of 1 to 50 nm, preferably 10 to 30 nm, more preferably 20 to 28 nm, and most preferably 25 nm. When the average particle diameter of the titanium precursor is less than 1 nm or more than 50 nm, titanium carbide may not be grown in the form of nanorods or nanowires of uniform size on the surface of the carbonized fabric.
  • the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of ethanol, propanol, methanol, butanol, pentanol, hexanol, acetonitrile, ethyl acetate, diethyl ether, trichloroethylene and dichloromethane.
  • it may be at least one selected from the group consisting of ethanol, propanol, methanol and butanol, and most preferably ethanol may be used.
  • the mixed solution contains a nickel-containing catalyst, a fluorine-containing catalyst and a titanium precursor in an organic solvent in a weight ratio of 7 to 15: 18 to 30: 55 to 75, preferably 10 to 14: 20 to 28: 58 to 70 by weight, more preferably may be mixed in a weight ratio of 10-14: 20-28: 58-70, most preferably 12.5: 25: 62.5 by weight.
  • the mixing ratio of the mixed solution is not satisfied, the reaction rate of growth of titanium carbide on the carbonized fabric surface during the carbon thermal reduction reaction may be slowed, and the capacity and lifespan of the battery may be reduced due to the low content of the generated titanium carbide.
  • the textile material may be a material made of natural fibers, artificial fibers, or a mixture thereof.
  • waste clothing made of natural fiber may be used as the textile material.
  • the present invention can reduce manufacturing cost and improve resource recycling and resource saving effect by using discarded waste clothing as a raw material.
  • the natural fiber may be at least one selected from the group consisting of cotton, hemp, silk, wool, or animal hair.
  • the artificial fiber may be at least one selected from the group consisting of rayon, cupra, acetate, triacetate, nylon, acrylic, polyester, polypropylene, polyurethane, and aramid.
  • cotton fiber, which is a natural fiber may be used as the fabric material.
  • the fabric material is made in the form of a fiber bundle, and one fiber strand may have a porous structure having an average diameter of 0.1 to 100 ⁇ m and a pore size of 0.05 to 1 mm.
  • the textile material may have a porous structure in the form of a fiber bundle, wherein one fiber strand has an average diameter of 0.1 to 100 ⁇ m, preferably 1 to 80 ⁇ m, more preferably 1 to 20 ⁇ m, most preferably It may be 5-10 ⁇ m.
  • the fabric material may have a pore size of 0.05 to 1 mm, preferably 0.05 to 0.8 mm, and most preferably 0.1 to 0.3 mm. At this time, the textile material does not satisfy the diameter size of the fiber strands, or when the pore size is out of the above range, oxygen flow is not smooth, resulting in an overvoltage of the battery, and charging and discharging efficiency may be significantly reduced.
  • the textile material and the titanium precursor are carbonized through a carbon-thermal reduction reaction to prepare a titanium carbide-fabric composite.
  • the carbon-thermal reduction reaction is an eco-friendly process and has an economical advantage because the manufacturing process is simple.
  • the carbon-thermal reduction reaction may be performed for 30 minutes to 3 hours at a temperature of 1000 to 1500 °C under an inert atmosphere. Preferably, it can be carried out at a temperature of 1200 to 1400 °C for 1 to 3 hours, and most preferably at a temperature of 1300 °C for 2 hours. At this time, when the temperature or time of the carbon-thermal reduction reaction is out of the above range, titanium carbide may not be properly formed on all or at least part of the carbonized fabric surface, or may not grow in the form of nanorods or nanowires.
  • the inert atmosphere may be performed in at least one inert gas selected from the group consisting of argon, hydrogen, nitrogen, helium, neon, xenon, and krypton. Preferably, it may be carried out in at least one inert gas selected from the group consisting of argon, helium and neon, most preferably argon gas.
  • the titanium carbide has excellent thermal and electrical conductivity, and has excellent hardness and wear resistance.
  • the titanium carbide may have an average thickness of 10 to 100 nm, and an average length of 0.1 to 80 ⁇ m.
  • the titanium carbide may have an average thickness of 20 to 70 nm, an average length of 1 to 10 ⁇ m, most preferably an average thickness of 50 nm, and an average length of 5 ⁇ m.
  • the discharge product is not formed into a thin and uniform thin film during charging and discharging, so the formation and decomposition reversibility rate of the discharge product may be reduced. and may obstruct the flow of oxygen between the carbonized electrodes.
  • the titanium carbide may be formed by the following reaction formula during the carbon-thermal reduction reaction, and the following reaction formula 1 may be derived by the preparation method of Example 2.
  • the nickel-containing catalyst reacts with the carbon component of the fabric carbonized from the fabric material by the carbon-thermal reduction reaction to produce nickel carbide (NiC), and the fluorine-containing catalyst can be separated into sodium and fluorine molecules.
  • titanium (Ti) reduced from titanium dioxide (TiO 2 ) which is a precursor of titanium, may be sequentially reacted with fluorine (F) and nickel (Ni) at the same time as reduction to produce titanium carbide (TiC) as a result.
  • the nickel-containing catalyst and the fluorine-containing catalyst may act as a catalyst for producing titanium carbide.
  • the titanium carbide-fabric composite is 45-60 wt% of titanium carbide, preferably 50-58 wt%, more preferably 53-55 wt%, most preferably 54.2 wt%, based on the total weight of the titanium carbide-fabric composite may include.
  • the content of the titanium carbide is less than 45% by weight, the content of the titanium carbide has a small surface area, so that the charging and discharging performance of the battery may be deteriorated.
  • it exceeds 60% by weight the energy density of the electrode may be lowered due to a relatively small content of carbonized fabric compared to titanium carbide, and the porous structure of the carbonized fabric may be blocked to inhibit oxygen flow.
  • the titanium carbide-fabric composite may have a structure in which titanium carbide is grown in the form of nanorods or nanowires in a direction perpendicular to all or at least part of the surface of the carbonized fabric. Since the carbonized fabric has a porous structure, the flow of oxygen may be facilitated to promote the formation and decomposition of discharge products such as Li 2 O 2 . In addition, it is possible to improve the energy density and capacity of the electrode due to excellent electrical conductivity. In addition, the carbonized fabric can reduce manufacturing costs by using fabric materials such as discarded clothes as raw materials, and at the same time, resources can be recycled, and the specific surface area of the electrode can be improved with a fabric structure in the form of a fiber bundle. .
  • the titanium carbide may be grown in the form of nanorods or nanowires in a direction perpendicular to all or part of the surface of the carbonized fabric.
  • the nanorods or nanowires of the titanium carbide may include pores inside or on the surface, grow randomly on the surface of the carbonized fabric to maximize the surface area of the electrode, and discharge products such as Li 2 O 2 will be deposited.
  • the number of available sites can be increased.
  • the maximum diameter of the pores formed inside or on the surface of the nanorods or nanowires may be 0.05 to 3 nm.
  • the shape of the nanorods or nanowires can be stably maintained, the effect of increasing the surface area can be expected, and the formation of the nanopores can provide a path for the electrolyte to penetrate through the pores.
  • the discharge product is deposited in the form of a thin and uniform thin film due to the titanium carbide structure grown perpendicular to the surface of the carbonized fabric, thereby increasing the formation and decomposition reversibility of the discharge product.
  • the discharge product layer can easily generate a discharge reaction by reducing the boundary resistance to electron movement, which is advantageous in kinetics. It is also possible to increase the electrode area to improve the reaction between lithium ions and dissolved oxygen in the electrolyte.
  • the method may further include removing unreacted substances and residues by immersing the titanium carbide-fabric composite in an acid solution.
  • the unreacted material may be a nickel-containing catalyst, a fluorine-containing catalyst, or a titanium precursor
  • the residue may be excess carbon carbonized from a textile material.
  • the titanium carbide-fabric composite may have a first XPS effective peak and a second XPS effective peak in the binding energy ranges of 533 to 535 eV and 529 to 533 eV, respectively.
  • the first XPS effective peak may be a peak corresponding to a Ti-OH bond
  • the second XPS effective peak may be a peak corresponding to a TiO bond.
  • SEM scanning electron microscopy
  • the surface of the electrode using the titanium carbide-fabric composite was partially oxidized and an oxide film such as TiO 2 passivated was well formed with a uniform thickness. .
  • the oxide film formed at this time prevented continuous oxidation of the electrode surface during charging and discharging, and partially protected the electrode surface from attack by reduced oxygen species, thereby preventing unwanted side reactions with the electrolyte.
  • the nickel-containing catalyst is at least one selected from the group consisting of NiCO 3 ⁇ 2Ni(OH) 2 ⁇ 4H 2 O, NiC 2 O 4 ⁇ 2H 2 O, and Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O, and the fluorine-containing catalyst
  • the catalyst is NaF, NaCl, or a mixture thereof
  • the titanium precursor is at least one selected from the group consisting of TiO 2 , TiO(OH) 2 and Ti(OH) 4
  • the mixed solution is a nickel-containing catalyst in an organic solvent
  • Fluorine-containing catalyst and titanium precursor are mixed in a weight ratio of 10-14: 20-28: 58-70
  • the textile material is a natural fiber
  • the textile material is in the form of a fiber bundle
  • one fiber strand has an average diameter is 1 to 20 ⁇ m
  • one fiber strand has an average diameter is 1 to 20 ⁇ m
  • the carbon-thermal reduction reaction is carried out at a temperature of 1200 to 1400 ° C.
  • the inert atmosphere is argon, helium And carried out in one or more inert gas selected from the group consisting of neon, the titanium carbide is TiC, the average thickness is 20 ⁇ 70 nm, the average length is 1 ⁇ 10 ⁇ m, the titanium carbide-fabric composite is titanium carbide -Contains 50 to 58% by weight of titanium carbide with respect to the total weight of the fabric composite, and the titanium carbide-fabric composite has an XPS analysis result, and the binding energy is 533 to 535 eV and 529 to 533 eV, respectively, in the range of the first XPS effective peak and It may have a second XPS effective peak.
  • the titanium carbide is TiC
  • the average thickness is 20 ⁇ 70 nm
  • the average length is 1 ⁇ 10 ⁇ m
  • the titanium carbide-fabric composite is titanium carbide -Contains 50 to 58% by weight of titanium carbide with respect to the total weight of the fabric composite
  • the titanium carbide-fabric composite has an XPS
  • the oxide film is not properly formed or excessively formed on the electrode surface using the titanium carbide-fabric composite to block the pore size of the carbonized fabric, preventing the flow of oxygen, and excessive of titanium carbide was converted to TiO 2 , the electrode was lost, and a side reaction with the electrolyte occurred.
  • a titanium carbide-fabric composite satisfying all of the following more preferable conditions is used as a cathode for a lithium-air battery. Even after operation at high temperature for 500 hours after application, the cathode surface was confirmed through scanning electron microscopy (SEM) analysis.
  • the nickel-containing catalyst is Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O
  • the fluorine-containing catalyst is NaF
  • the titanium precursor is TiO 2
  • the mixed solution is a nickel-containing catalyst, a fluorine-containing catalyst and a titanium precursor in an organic solvent 12.5: 25: 62.5 weight ratio is mixed
  • the fabric material is cotton fiber
  • the fabric material is in the form of a fiber bundle
  • one fiber strand has an average diameter of 5 to 10 ⁇ m, and a pore size of 0.1 to 0.3 mm
  • the carbon-thermal reduction reaction is performed at a temperature of 1300 ° C under an inert atmosphere for 2 hours
  • the inert atmosphere is carried out in argon gas
  • the titanium carbide has an average thickness of 50 nm, and an average length is 5 ⁇ m
  • the titanium carbide-fabric composite contains 53 to 55 wt% of titanium carbide with respect to the total weight of the titanium carbide-fabric composite
  • the titanium carbide-fabric composite has an
  • the titanium carbide of the titanium carbide-fabric composite is partially lost after operating at a high temperature for 500 hours, so that the capacity of the battery is rapidly reduced.
  • the present invention is a carbonized fabric; and titanium carbide in the form of nanorods or nanowires grown in a vertical direction on all or at least part of the surface of the carbonized fabric;
  • the titanium carbide-fabric composite has a structure in which a porous carbonized fabric and titanium carbide aligned perpendicular to the surface of the carbonized fabric are formed, and thus has a very porous and open skeleton to provide a high-capacity electrode.
  • This structure facilitates oxygen access to the inner space of the electrode, and in particular, the titanium carbide has a large surface area for easy transport of electrolytes and electrons compared to particle-type titanium carbide because the titanium carbide is in the form of vertical nanorods or nanowires. can be provided, thereby preventing the clogging of the discharge product, and can induce the formation and decomposition of the discharge product on the electrode surface.
  • the titanium carbide prevents the formation of irreversible Li 2 CO 3 due to carbon decomposition of the carbonized fabric, thereby improving the lifespan of the battery.
  • the titanium carbide may have an average thickness of 10 to 100 nm, and an average length of 0.1 to 80 ⁇ m.
  • the titanium carbide-fabric composite may include 53 to 55% by weight of titanium carbide based on the total weight of the titanium carbide-fabric composite.
  • the present invention also provides a lithium-air battery including the cathode.
  • the lithium-air battery improves the capacity of the battery due to the porous structure of the cathode and the increased reaction area of the electrode when the cathode including the titanium carbide-fabric composite is applied, and improves stability while lowering the overpotential. can increase the lifespan of
  • the cathode for a lithium-air battery according to the present invention impregnates a fabric material in a mixed solution containing a titanium precursor, dries it, and conducts a carbon-thermal reduction reaction to produce a titanium carbide-fabric composite. Although it is much lighter in weight than carbon-based electrodes, it has an internal space of sufficient porosity to facilitate the flow of oxygen, thus promoting the formation and decomposition of discharge products.
  • the cathode for lithium-air batteries suppresses the occurrence of side reactions with the electrolyte due to the porous structure
  • the titanium carbide formed on the carbonized fabric surface protects the carbon surface and increases the surface area that can accommodate the discharge product, resulting in high energy density and can improve the lifespan of the battery.
  • by using discarded textile materials as raw materials it is possible to reduce the manufacturing cost and at the same time expect resource recycling and resource saving effects.
  • Ni(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O (0.3 g) and NaF (0.6 g) were dissolved in ethanol (50 mL) to prepare a mixed solution.
  • anatase TiO 2 powder (1.5 g) having a particle size of 25 nm was added to the mixed solution under ultrasonic irradiation.
  • a piece of cotton T-shirt (10 x 10 cm 2 ) was immersed in the prepared TiO 2 emulsion and stirred. After 30 minutes, the T-shirt pieces impregnated with the TiO 2 emulsion were dried at 120° C. for 4 hours.
  • a slurry was prepared by mixing TiC nanoparticles and PTFE in a 2-propanol solution in a 9:1 weight ratio. The obtained slurry was cast on C-cloth. Then, the cathode was prepared by vacuum drying at 100° C. overnight for at least 12 hours. At this time, the loading amount of TiC was 2 mg/cm 2 .
  • Experimental Example 1 Scanning electron microscope (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscope (TEM) analysis
  • Example 1 is a method for manufacturing an air electrode for a lithium-air battery according to Example 2 (a), and a scanning electron microscope (FE-SEM) of the C-cloth and TiC-cloth electrodes prepared in Examples 1 and 2 (b, c) ), X-ray diffraction (XRD) (d), Raman spectrum analysis (e), N 2 gas adsorption-desorption isothermal experiment (f), and BJH pore distribution curve (g) are shown.
  • XRD X-ray diffraction
  • e Raman spectrum analysis
  • f N 2 gas adsorption-desorption isothermal experiment
  • g BJH pore distribution curve
  • FIG. 1a shows a TiC-cloth in which TiC is vertically aligned in a nanowire or nanorod shape on the surface of a carbonized T-shirt by carbon-thermal reduction reaction of a piece of T-shirt obtained by immersing a cotton T-shirt in a TiO 2 emulsion. It shows that the electrode is formed.
  • FIG. 1B is an SEM photograph of the surface of the C-cloth electrode of Example 1
  • FIG. 1C is an SEM photograph of the surface of the TiC-cloth electrode of Example 2.
  • FIG. 1c it was confirmed that TiC nanowires or nanorods were grown on the surface of the C-cloth as compared with the smooth surface of the C-cloth (FIG. 1b).
  • the C-cloth consisted of several fibers in the form of a fiber bundle, and one fiber strand had a diameter of 8 ⁇ m.
  • the thickness and length of TiC grown perpendicular to the surface of C-cloth were 50 nm and 5 ⁇ m, respectively.
  • 1D is an X-ray diffraction (XRD) graph of the C-cloth and TiC-cloth electrodes prepared in Examples 1 and 2, in which TiC-cloth composed of nanowire-like TiC and C-cloth was synthesized. confirmed that.
  • the observed diffraction peaks of TiC indexed the (111), (200), (220), (311) and (222) reflections of cubic TiC (JCPDS 32-1383). It was found that a single-phase TiC was formed in the absence of titanium oxide (TiOxCy) and the Ti metal peak. Since the core of TiC-cloth is a perfect carbon skeleton, a broad peak of about 25° corresponding to carbon (002) existed.
  • FIG. 1E shows the N-Raman spectral analysis result, and the porous structure of TiC-cloth is divided into two pieces for disordered carbon (1348 cm-1) and graphitized carbon (1595 cm-1) from C-cloth and TiC-cloth.
  • additional Raman peaks located at 258, 418 and 605 cm ⁇ 1 corresponding to TiC were identified.
  • FIG. 2 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the C-cloth and TiC-cloth electrodes prepared in Examples 1 and 2 above.
  • 2A and 2C are SEM pictures of the C-cloth electrode of Example 1
  • FIGS. 2B and 2D are SEM pictures of the TiC-cloth electrode of Example 2.
  • FIG. 2 it was found that the C-cloth has pores of 0.2 mm between the carbonized fiber bundles, which is advantageous for the mobilization of O 2 and the reaction with Li + ions in the solution.
  • TiC aligned perpendicular to the surface of the C-cloth could act as an additional diffusion pathway, making Li + /e ⁇ diffusion and O 2 absorption/emission easier.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of XPS analysis to confirm the presence of oxygen and carbon in the C-cloth and TiC-cloth electrodes prepared in Examples 1 and 2;
  • FIG. 4 is a result of transmission electron microscope (TEM) analysis of the TiC-cloth electrode prepared in Example 2 above.
  • 4A is a tip portion of a single TiC nanowire
  • FIG. 4B is an enlarged view thereof.
  • the related SAED pattern of the inserted TiC-cloth in Fig. 4b included distinct bright spots indicating high TiC crystallinity.
  • the representative HR-TEM image shows a clear lattice pattern with a d-value of 0.22 nm, which is in good agreement with the (200) plane of TiC, as shown in Fig. 4c.
  • FIG. 5 shows the element mapping result of the TiC-cloth electrode prepared in Example 2 above. Green in FIG. 5B indicates carbon, and red in FIG. 5C indicates titanium. 5, it can be seen that the element mapping of Ti and C in TiC-cloth is well distributed in the cloth.
  • each electrode was used as a cathode to prepare a coin cell in the following manner.
  • the top cover of the coin cell used two electrode-based coin cells containing 21 evenly distributed holes (1.0 mm in diameter) to allow O 2 flow to the cathode.
  • an argon-filled glove box having both water and O 2 content of less than 0.1 ppm was used in the battery assembly and disassembly process.
  • a metal lithium foil anode, a glass filter (GF/C, Whatman) separator, and the electrodes prepared in Example 2 and Comparative Example 1 were used as working electrodes.
  • LiTFSI lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide
  • Tetraglyme tetraethylene glycol dimethyl ether
  • the constant voltage discharge cycling test was performed under conditions of deep discharge and reduced capacity within a voltage window of 2.4-4.5V for Li/Li + using a battery cycler (4000 series, Maccor). The results are shown in FIG. 6 .
  • 6 is a graph (a, b) showing the evaluation results of 100 times of charging and discharging of the lithium-air battery manufactured using the electrodes prepared in Example 2 and Comparative Example 1, and energy according to the number of cycles in the controlled area capacity; Efficiency graph (c) and 0.5 mA/cm 2 It is a graph (d, e) showing the charging and discharging performance at various current densities (0.05 to 1 mA/cm 2 ) according to the capacity.
  • 6A and 6B are charge-discharge graphs of the electrodes prepared in Comparative Examples 1 and 2, respectively, and the discharging and recharging potentials of the two electrodes were similar during the initial several cycles. However, the TiC nanoparticle electrode of Comparative Example 1 showed that the discharge potential rapidly deteriorated, and was terminated at 2.4V before reaching the controlled capacity after 20 cycles.
  • the TiC-cloth electrode of Example 2 produced stable discharge profiles that almost overlapped in 1 to 100 cycles (about 2.7V). Also the charge potentials as cycling stability were substantially different. Specifically, the TiC-cloth electrode showed an end-of-charge potential at 3.9V, which slightly increased to 4.3V by 100 cycles, whereas the potential of the TiC nanoparticle electrode was increased to a specified voltage within the controlled capacity after the 30th cycle ( 4.5V). Through this, it was found that the TiC-cloth electrode of Example 2 showed a stable voltage plot for 100 times at a lower potential than the TiC nanoparticle electrode of Comparative Example 1.
  • the energy efficiency of the TiC nanoparticle electrode of Comparative Example 1 was rapidly reduced. It could be inferred that the incompletely decomposed by-products covered the active surface area of the TiC nanoparticle cathode, resulting in reduced energy efficiency.
  • the TiC-cloth electrode of Example 2 maintained a relatively stable value. It was found that the active site of the TiC-cloth electrode can be maintained without complete passivation. In addition, it was assumed that the total inversion product accumulated on the TiC-cloth surface was reversibly formed and decomposed within 4.3 V, which led to significantly lower overpotential and energy efficiency.
  • the shape and reversibility of the discharge product formed during the charge/discharge cycle of a lithium-air battery is directly related to the performance of the battery.
  • the electrode was disassembled. Specifically, for ex situ analysis, the discharged and charged cathode was disassembled and washed with anhydrous acetonitrile to remove residual salts inside the glove box. After washing and prior to analysis, the cathode was vacuum dried to evaporate the acetonitrile, and a conductive tape was applied to prevent the cathode from being exposed to air during transport from the glove box to the SEM and TEM chambers. The discharge product formed on each decomposed electrode and the area capacity of the battery were checked, and the results are shown in FIGS. 7 to 10 .
  • Example 7 is a lithium-air battery having TiC nanoparticle electrodes of Comparative Example 1 (a, c) and a lithium-air battery having TiC-cloth electrodes of Example 2 (b, d), which were charged and discharged in Experimental Example 2; ) are voltage profile graphs and SEM pictures.
  • 7A and 7B are both completely discharged to a 2V cutoff potential.
  • 7b the lithium-air battery of Example 2 (TiC-cloth) exhibited an area capacity of about 2.3 mAh/cm 2 , confirming that it was superior to other carbide materials used in the lithium-air battery.
  • FIG. 7A the lithium-air battery of Comparative Example 1 (TiC nanoparticles) exhibited an area capacity of 1.25 mAh/cm 2 .
  • the TiC content was about 54.2 wt% based on the total weight of the TiC-cloth electrode of Example 2.
  • Example 8 shows the thermogravimetric analysis results according to the temperature of the electrodes prepared in Example 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 8 it was confirmed that TiC was oxidized to TiO 2 and the carbon skeleton was removed during thermogravimetric analysis (TGA) in an atmospheric atmosphere, so that the total mass loss of carbon was 27.7 wt%. Accordingly, considering the weight of the active material (TiC), it was found that Example 2 had a very high specific capacity of 2200 mAh/g. On the other hand, it was confirmed that the specific capacity of Comparative Example 1 was 1200 mAh/g, which was relatively low compared to that of Example 2.
  • FIG. 9 is a result of analyzing the SEM (a, b) of a single TiC in the TiC-cloth electrode of Example 2 and the XRD pattern (c) for charging and discharging of the TiC-cloth electrode.
  • 9a shows that Li 2 O 2 is uniformly deposited on the TiC surface of the TiC-cloth electrode during discharging
  • FIG. 9b shows that Li 2 O 2 is completely removed on the TiC surface during charging.
  • the TiC nanoparticle electrode of Comparative Example 2 did not reach a fully charged state within the cut-off voltage (4.5V).
  • (iii) of FIG. 7C some discharged products were still present.
  • FIG. 10 is a Ti2P XPS spectrum of the TiC-cloth electrode after discharging (a), charging (b), and cycling (c) for the lithium-air battery having the TiC-cloth electrode of Example 2 and discharging/recharging the lithium-air battery. is a schematic diagram schematically shown.
  • FIG. 10A the peak intensities of Ti-O at 465.25 eV and 459.125 eV after discharging were significantly lower than those of Ti-C at 455.87 eV and 455.12 eV.
  • the peak ratio of Ti-O was much higher than that of Ti-C, indicating that the surface of the TiC-cloth electrode was oxidized.
  • Fig. 10A the peak intensities of Ti-O at 465.25 eV and 459.125 eV after discharging were significantly lower than those of Ti-C at 455.87 eV and 455.12 eV.
  • Fig. 10b after charging, the peak ratio of Ti-O was much higher than that of Ti-C,
  • the ratio of the Ti-O peak did not further increase with continuous cycling, and was not different from the XPS result after the initial charge.
  • the TiC-cloth electrode can be protected from further oxidation and unwanted side reactions of the cathode by creating an oxide barrier in the initial stage of cycling. Therefore, the lithium-air battery of Example 2 was able to secure more stable performance and longer cycle life compared to the TiC nanoparticles of Comparative 1 by the TiC-cloth electrode.

Abstract

본 발명은 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 티타늄 전구체를 함유한 혼합용액에 직물소재를 함침시키고, 이를 건조한 후 탄소열 환원반응시켜 탄화된 직물 표면에 수직방향으로 나노로드 또는 나노와이어 형태의 탄화티타늄이 성장된 탄화티타늄-직물 복합체를 제조함으로써 전해질과의 부반응을 방지하고, 에너지밀도 및 전지의 수명을 향상시킨 동시에 폐의류와 같은 직물소재의 사용으로 제조비용의 절감과 자원재활용이 가능한 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지에 관한 것이다.

Description

리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지
본 발명은 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지에 관한 것이다.
전기자동차는 자원 고갈 및 환경오염 문제를 해결하기 위한 시장 경제 및 기술 개발을 측정하는 중요한 수단이 되었다. LiNi1-x-yCoxMnyO2 양극을 사용하는 리튬이온배터리(LIB)의 개발로 전기자동차가 크게 개선되었지만 에너지 밀도가 높은 양극의 경우, 단일 충전에 대한 전기자동차의 주행 거리는 여전히 LIB의 이론적 에너지 밀도에 의해 제한되는 문제가 있다. 따라서 기존의 LIB의 한계를 극복하기 위해서는 차세대 배터리가 필요하다.
리튬공기전지는 Li2O2 형성 및 분해 반응에 기초한 매우 높은 에너지 밀도(11,680 Wh/kg)로 인해 가솔린(13,000 Wh/kg)과 맞먹는 차세대 배터리로 주목받고 있다. 리튬공기전지는 전기자동차가 한 번의 충전으로 500km 이상을 이동할 수 있어 연비를 낮출 수 있다. 다양한 탄소 재료는 높은 표면적, 높은 전도성, 가벼움, 손쉬운 제조 절차 및 저렴한 비용으로 인해 리튬공기전지의 전극으로 주로 사용된다. 그러나 탄소재료는 Li2O2와의 반응에 의해 탄소가 분해되어 비가역적인 Li2CO3를 형성하면서 전지의 수명을 단축시키는 문제가 있다.
한편, TiC는 높은 경도, 우수한 전기 및 열 전도성과 높은 안정성 특성으로 인해 슈퍼 커패시터, 연료전지, 리튬공기전지용 전극 재료와 같이 광범위한 응용 분야에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다. 기존 연구결과에 의하면 리튬공기전지에 TiC 전극 재료를 도입하였을 때 탄소 전극의 부반응을 완화시켜 100 사이클 후에도 98%의 높은 용량을 유지하였다. 그러나 TiC 전극은 탄소재료에 비해 전도성이 낮고 무거워 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
또한 다른 연구결과에 의하면 전지의 과전위를 줄이고 무게당 전지용량인 비용량(specific capacity)을 향상시키기 위해 탄소재료와 함께 이작용성 촉매(bifunctional catalyst)로 TiC를 사용하였다. 그러나 탄소 상에 증착된 TiC는 탄소 표면을 보호하고 부반응을 저하시키지 못하였다.
[선행기술문헌]
[비특허문헌]
(비특허문헌 1) Ottakam Thotiyl, M. M.; Freunberger, S. A.; Peng, Z.; Chen, Y.; Liu, Z.; Bruce, P. G., A stable cathode for the aprotic Li-O2 battery. Nat. Mater. 2013, 12, 1050-1056.
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 탄화된 직물의 표면에 수직방향으로 나노로드 또는 나노와이어 형태의 탄화티타늄이 성장된 탄화티타늄-직물 복합체를 포함하는 리튬공기전지용 공기극의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전해질과의 부반응을 방지하고 높은 에너지밀도를 가지며 자원재활용이 가능한 리튬공기전지용 공기극을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 제조비용을 절감하는 동시에 전지의 수명이 향상된 공기극을 포함하는 리튬공기전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액에 직물소재를 함침시키는 단계; 상기 혼합용액이 함침된 직물소재를 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 직물소재를 탄소열 환원반응시켜 탄화된 직물의 표면에 탄화티타늄이 형성된 탄화티타늄-직물 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 리튬공기전지용 공기극의 제조방법을 제공한다.
상기 니켈 함유 촉매는 Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O4ㆍ2H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O, NiSO4 및 NiSO4ㆍ6H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 플루오르 함유 촉매는 NaF, NaHF2, PF3, PF5, AlF3, MgF2, MF3 (M=희토류 금속), KF, KHF2, LiF, 및 LiHF2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 티타늄 전구체는 TiO2, TiOCl2, TiCl3, TiCl4, TiO(OH)2, Ti(OH)4, Ti(OC2H5)4 및 Ti[OCH(CH3)2]4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 7~15: 18~30: 55~75 중량비로 혼합될 수 있다.
상기 직물소재는 천연섬유, 인조섬유 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 천연섬유는 면, 마, 견, 양모 또는 동물의 털로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 인조섬유는 레이온, 큐프라, 아세테이트, 트리아세테이트, 나일론, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 아라미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 0.1~100 ㎛이며, 기공 크기가 0.05~1 mm인 다공성 구조일 수 있다.
상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1000~1500 ℃의 온도에서 30분 내지 3 시간 동안 수행할 수 있다.
상기 불활성 분위기는 아르곤, 수소, 질소, 헬륨, 네온, 제논 및 크립톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행할 수 있다.
상기 탄화티타늄은 평균 두께가 10~100 nm이고, 평균 길이가 0.1~80 ㎛일 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 45~60 중량%를 포함할 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화된 직물의 표면 전부 또는 적어도 일부에 수직방향으로 탄화티타늄이 나노로드 또는 나노와이어 형태로 성장된 구조로 이루어진 것일 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 XPS 분석 결과, 결합에너지가 533 내지 535 eV 및 529 내지 533 eV 범위에서 각각 제1 XPS 유효 피크 및 제2 XPS 유효 피크를 가질 수 있다.
상기 니켈 함유 촉매는 NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O4ㆍ2H2O 및 Ni(NO3)2ㆍ6H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, 상기 플루오르 함유 촉매는 NaF, NaHF2 또는 이들의 혼합물이고, 상기 티타늄 전구체는 TiO2, TiO(OH)2 및 Ti(OH)4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, 상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 10~14: 20~28: 58~70 중량비로 혼합된 것이고, 상기 직물소재는 천연섬유이고, 상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 1~20 ㎛이며, 기공 크기가 0.05~0.8 mm인 다공성 구조이고, 상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1200~1400 ℃의 온도에서 1~3 시간 동안 수행하고, 상기 불활성 분위기는 아르곤, 헬륨 및 네온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행되고, 상기 탄화티타늄은 평균 두께가 20~70 nm이고, 평균 길이가 1~10 ㎛이고, 상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 50~58 중량%를 포함할 수 있다.
상기 니켈 함유 촉매는 Ni(NO3)2ㆍ6H2O이고, 상기 플루오르 함유 촉매는 NaF이고, 상기 티타늄 전구체는 TiO2이고, 상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 12.5: 25: 62.5 중량비로 혼합된 것이고, 상기 직물소재는 면섬유이고, 상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 5~10 ㎛이며, 기공 크기가 0.1~0.3 mm인 다공성 구조이고, 상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 수행하고, 상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행되고, 상기 탄화티타늄은 평균 두께가 50 nm이고, 평균 길이가 5 ㎛이고, 상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 53~55 중량%를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 탄화된 직물; 및 상기 탄화된 직물의 표면 전부 또는 적어도 일부에 수직방향으로 성장된 나노로드 또는 나노와이어 형태의 탄화티타늄;을 포함하는 탄화티타늄-직물 복합체를 포함하는 리튬공기전지용 공기극을 제공한다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 53~55 중량%를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 공기극을 포함하는 리튬공기전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬공기전지용 공기극은 티타늄 전구체를 함유한 혼합용액에 직물소재를 함침시키고, 이를 건조한 후 탄소열 환원반응시켜 탄화티타늄-직물 복합체를 제조함으로써 제조공정이 간단하며, 상용 탄소기반 전극 보다 무게가 훨씬 가벼우면서도 산소의 흐름을 원활하게 하는 충분한 다공성의 내부 공간을 가져 방전 생성물의 형성 및 분해를 촉진할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 리튬공기전지용 공기극은 다공성 구조로 인해 전해질과의 부반응이 발생하는 것을 억제하고, 탄화된 직물 표면에 형성된 탄화티타늄이 탄소 표면을 보호하면서 방전 생성물을 수용할 수 있는 표면적을 증가시켜 높은 에너지 밀도를 가지며, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 리튬공기전지용 공기극은 버려지는 폐의류와 같은 직물소재를 원료물질로 이용함으로써 제조비용을 절감하는 동시에 자원재활용 및 자원절약 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 2에 따른 리튬공기전지용 공기극의 제조방법(a), 본 발명에 따른 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth 전극의 주사전자현미경(FE-SEM)(b, c), X선 회절(XRD)(d), 라만 스펙트럼 분석(e), N2 가스 흡착-탈착 등온실험(f) 및 BJH 기공 분포 곡선(g) 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth 전극의 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth 전극의 산소 및 탄소의 존재를 확인하기 위해 XPS 분석을 실시한 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조된 TiC-cloth 전극의 투과전자현미경(TEM) 분석을 실시한 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조된 TiC-cloth 전극의 원소 매핑 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전극을 이용하여 제조된 리튬공기전지의 100회 충방전 평가 결과를 나타낸 그래프(a, b), 제어된 면적 용량에서의 사이클 수에 따른 에너지 효율 그래프(c) 및 0.5 mA/cm2의 용량에 따른 다양한 전류밀도(0.05 내지 1 mA/cm2)에서의 충전 및 방전 성능을 나타낸 그래프(d, e)이다.
도 7은 본 발명에 따른 실험예 2에서 충방전을 실시하였던 비교예 1의 TiC 나노입자 전극을 갖는 리튬공기전지(a, c) 및 실시예 2의 TiC-cloth 전극을 갖는 리튬공기전지(b, d)의 전압 프로파일 그래프와 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전극의 온도에 따른 열중량 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 2의 TiC-cloth 전극에서 단일 TiC의 SEM(a, b)과 TiC-cloth 전극의 충전 및 방전에 대한 XRD 패턴(c)을 분석한 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예 2의 TiC-cloth 전극을 갖는 리튬공기전지에 대하여 방전(a), 충전(b), 싸이클링(c) 후 TiC-cloth 전극의 Ti2P XPS 스펙트럼과 리튬공기전지의 방전/재충전을 도식으로 나타낸 개략도이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지에 관한 것이다.
최근 리튬이온배터리(LIB)의 이론적 에너지밀도 한계를 극복하기 위해, 전기화학적 형성과 과산화리튬(Li2O2)의 분해에 기초한 리튬공기전지가 많은 주목을 받고 있다. 그러나 탄소 분해, Li2O2의 비가역적 축적과 후속 캐소드의 부동태화와 같은 중요한 캐소드 관련 문제들은 리튬공기전지의 성능을 심각하게 제한하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 쉽게 얻을 수 있는 직물소재를 기판으로 사용하고 상기 직물소재의 외표면 상에 탄소열 환원방법에 의해 탄화티타늄을 성장시킨 탄화티타늄-직물 복합체를 제조하였다.
구체적으로 본 발명은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액에 직물소재를 함침시키는 단계; 상기 혼합용액이 함침된 직물소재를 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 직물소재를 탄소열 환원반응시켜 탄화된 직물의 표면에 탄화티타늄이 형성된 탄화티타늄-직물 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 리튬공기전지용 공기극의 제조방법을 제공한다.
상기 혼합용액을 제조하는 단계는 유기용매에 티타늄 전구체와 니켈 함유 촉매 및 플루오르 함유 촉매를 혼합하여 혼합용액을 제조할 수 있다. 이때, 상기 니켈 함유 촉매 및 플루오르 함유 촉매는 티타늄 전구체가 탄화티타늄이 되도록 반응 중간에 촉매로서 사용될 수 있다. 상기 니켈 함유 촉매는 Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O4ㆍ2H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O, NiSO4 및 NiSO4ㆍ6H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O4ㆍ2H2O 및 Ni(NO3)2ㆍ6H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O를 사용할 수 있다.
상기 플루오르 함유 촉매는 NaF, NaHF2, PF3, PF5, AlF3, MgF2, MF3 (M=희토류 금속), KF, KHF2, LiF 및 LiHF2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 NaF, NaHF2 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 NaF를 사용할 수 있다.
상기 티타늄 전구체는 TiO2, TiOCl2, TiCl3, TiCl4, TiO(OH)2, Ti(OH)4, Ti(OC2H5)4 및 Ti[OCH(CH3)2]4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 TiO2, TiO(OH)2 및 Ti(OH)4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 TiO2을 사용할 수 있다. 또한 상기 티타늄 전구체는 평균입경이 1~50 nm, 바람직하게는 10~30 nm, 보다 바람직하게는 20~28 nm, 가장 바람직하게는 25 nm일 수 있다. 상기 티타늄 전구체의 평균 입경이 1 nm 미만이거나, 50 nm 초과인 경우 탄화된 직물 표면에 탄화티타늄이 균일한 크기의 나노로드 또는 나노와이어 형태로 성장되지 않을 수 있다.
상기 유기용매는 에탄올, 프로판올, 메탄올, 부탄올, 펜탄올, 헥사놀, 아세토니트릴, 에틸 아세테이트, 디에틸에테르, 트리클로로에틸렌 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 에탄올, 프로판올, 메탄올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 에탄올을 사용할 수 있다.
상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 7~15: 18~30: 55~75 중량비, 바람직하게는 10~14: 20~28: 58~70 중량비, 보다 바람직하게는 10~14: 20~28: 58~70 중량비, 가장 바람직하게는 12.5: 25: 62.5 중량비로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 혼합용액의 혼합비를 만족하지 않을 경우 탄소열 환원반응 시 탄화된 직물 표면에 탄화티타늄이 성장하는 반응속도가 느려질 수 있고, 생성된 탄화티타늄의 함량이 적어 전지의 용량 및 수명이 저하될 수 있다.
상기 직물소재는 천연섬유, 인조섬유 또는 이들의 혼합물로 이루어진 소재일 수 있다. 바람직하게는 상기 직물소재로 천연섬유 소재의 폐의류를 사용할 수 있다. 본 발명은 버려지는 폐의류를 원료물질로 이용함에 따라 제조비용을 절감할 수 있으며 자원재활용 및 자원절약 효과를 향상시킬 수 있다. 구체적으로 상기 천연섬유는 면, 마, 견, 양모 또는 동물의 털로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 인조섬유는 레이온, 큐프라, 아세테이트, 트리아세테이트, 나일론, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 아라미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 직물소재로 천연섬유인 면섬유를 사용할 수 있다.
상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 0.1~100 ㎛이며, 기공 크기가 0.05~1 mm인 다공성 구조일 수 있다. 상기 직물소재는 섬유다발 형태로 다공성 구조를 가질 수 있는데, 이때 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 0.1~100 ㎛, 바람직하게는 1~80 ㎛, 보다 바람직하게는 1~20 ㎛, 가장 바람직하게는 5~10 ㎛일 수 있다. 또한 상기 직물소재는 기공 크기가 0.05~1 mm, 바람직하게는 0.05~0.8 mm, 가장 바람직하게는 0.1~0.3 mm일 수 있다. 이때, 상기 직물소재는 섬유 가닥의 직경크기를 만족하지 않거나, 기공 크기가 상기 범위를 벗어날 때 산소 흐름이 원활하지 않아 전지의 과전압이 발생하고, 충방전 효율이 현저하게 저하될 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체를 제조하는 단계는 탄소열 환원반응을 통해 직물소재 및 티타늄 전구체를 탄화시켜 탄화티타늄-직물 복합체를 제조할 수 있다. 상기 탄소열 환원반응은 친환경적인 공정이면서 제조공정이 단순하여 경제적인 측면에서 유리한 이점이 있다.
상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1000~1500 ℃의 온도에서 30분 내지 3 시간 동안 수행할 수 있다. 바람직하게는 1200~1400 ℃의 온도에서 1~3 시간, 가장 바람직하게는 1300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 상기 탄소열 환원반응의 온도 또는 시간이 상기 범위를 벗어날 때 탄화된 직물 표면 전부 또는 적어도 일부에 탄화티타늄이 제대로 형성되지 않거나, 나노막대 또는 나노와이어 형태로 성장하지 않을 수 있다.
상기 불활성 분위기는 아르곤, 수소, 질소, 헬륨, 네온, 제논 및 크립톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행할 수 있다. 바람직하게는 아르곤, 헬륨 및 네온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스, 가장 바람직하게는 아르곤 가스에서 수행할 수 있다.
상기 탄화티타늄(Titanium Carbide, TiC)은 우수한 열 및 전기전도성을 가지며 경도 및 내마모성이 우수한 특성이 있다. 상기 탄화티타늄은 평균 두께가 10~100 nm이고, 평균 길이가 0.1~80 ㎛일 수 있다. 바람직하게는 상기 탄화티타늄은 평균 두께가 20~70 nm이고, 평균 길이가 1~10 ㎛, 가장 바람직하게는 평균 두께가 50 nm이고, 평균 길이가 5 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 탄화티타늄은 나노로드 또는 나노와이어 형태로서 두께 및 길이가 상기 범위를 모두 충족하지 않으면 충방전 시 방전 생성물이 얇고 균일한 박막으로 형성되지 않아 방전 생성물의 형성 및 분해 가역성 속도가 저하될 수 있고, 탄화된 전극 사이로 산소의 흐름을 방해할 수 있다.
상기 탄화티타늄은 탄소열 환원반응 시 다음과 같은 반응식에 의해 형성될 수 있으며, 하기 반응식 1은 실시예 2의 제조방법에 의해 도출될 수 있다.
[반응식 1]
NaF(l) → Na(g) + F2(g)
Ni@C(s) → Ni(C)(l)
2TiO2(s) + xF(g) + 4C(s) → 2TiFx(g) + 4CO
2TiFx(g) + 2Ni(C)(l) → 2Ni(Ti,C)(l) + xF2(g)
Ni(Ti,C)(l) → TiC(s) + Ni(l)
상기 반응식 1을 참조하면, 니켈 함유 촉매는 탄소열 환원반응에 의해 직물소재로부터 탄화된 직물의 탄소 성분과 반응하여 탄화니켈(NiC)을 생성하고, 플루오르 함유 촉매는 나트륨과 플루오르 분자로 분리될 수 있다. 또한 티타늄 전구체인 이산화티탄(TiO2)으로부터 환원된 티타늄(Ti)은 환원과 동시에 플루오르(F) 및 니켈(Ni)과 순차적으로 반응하여 결과적으로 탄화티타늄(TiC)이 생성될 수 있다. 여기서, 상기 니켈 함유 촉매 및 플루오르 함유 촉매는 탄화티타늄을 생성하기 위한 촉매로써 작용할 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 45~60 중량%, 바람직하게는 50~58 중량%, 보다 바람직하게는 53~55 중량%, 가장 바람직하게는 54.2 중량%를 포함할 수 있다. 상기 탄화티타늄의 함량이 45 중량% 미만이면 상기 탄화티타늄의 함량이 표면적이 적어 전지의 충방전 성능이 저하될 수 있다. 반대로 60 중량% 초과이면 탄화티타늄 대비 상대적으로 탄화된 직물의 함량이 적어 전극의 에너지밀도가 저하될 수 있고, 탄화된 직물의 다공성 구조를 막아 산소 흐름을 저해할 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화된 직물의 표면 전부 또는 적어도 일부에 수직방향으로 탄화티타늄이 나노로드 또는 나노와이어 형태로 성장된 구조로 이루어진 것일 수 있다. 상기 탄화된 직물은 다공성 구조로 이루어져 있어 산소의 흐름을 원활하게 하여 Li2O2와 같은 방전 생성물의 형성 및 분해를 촉진할 수 있다. 또한 전기 전도성이 우수하여 전극의 에너지밀도 및 용량을 향상시킬 수 있다. 이 밖에도 상기 탄화된 직물은 버려지는 폐의류와 같은 직물소재를 원료물질로 사용함으로써 제조비용을 절감하는 동시에 자원을 재활용할 수 있으며, 섬유다발 형태의 직물구조로 전극의 비표면적을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 탄화티타늄은 상기 탄화된 직물의 표면 전부 또는 일부에 수직방향으로 나노로드 또는 나노와이어 형태로 성장된 것일 수 있다. 상기 탄화티타늄의 나노로드 또는 나노와이어는 내부 또는 표면에 기공을 포함할 수 있으며, 탄화된 직물의 표면 상에 무작위로 성장하여 전극의 표면적을 최대화하고, Li2O2와 같은 방전 생성물이 증착될 수 있는 사이트(site)를 증대시킬 수 있다. 상기 나노로드 또는 나노와이어의 내부 또는 표면에 형성된 기공의 최대 직경은 0.05~3 nm일 수 있다. 상기 직경 범위에서, 나노로드 또는 나노와이어의 형상을 안정적으로 유지할 수 있고, 표면적의 증대효과를 기대할 수 있으며, 나노기공의 형성으로 전해질이 기공을 통해 침투할 수 있는 경로를 제공할 수 있다. 또한 전극의 습윤성 및 내부 산소의 접근성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화된 직물 표면에 수직방향으로 성장된 탄화티타늄 구조로 인해 상기 방전 생성물이 얇고 균일한 박막 형태로 증착되어 방전 생성물의 형성 및 분해 가역성을 증가시킬 수 있다. 이는 상기 방전 생성물층이 전자 이동에 대한 경계저항을 감소시킴으로써 방전 반응을 쉽게 발생하게 하여 반응 속도론적으로 유리하기 때문이다. 또한 전극 면적을 증가시켜 전해질에서 리튬 이온과 용존 산소 사이의 반응을 향상시킬 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체를 산 용액에 침지시켜 미반응물 및 잔여물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 미반응물은 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 또는 티타늄 전구체일 수 있고, 상기 잔여물은 직물소재로부터 탄화된 여분의 탄소일 수 있다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 XPS 분석 결과, 결합에너지가 533 내지 535 eV 및 529 내지 533 eV 범위에서 각각 제1 XPS 유효 피크 및 제2 XPS 유효 피크를 가질 수 있다. 상기 제1 XPS 유효 피크는 Ti-OH 결합에 해당하는 피크일 수 있고, 상기 제2 XPS 유효 피크는 TiO 결합에 해당하는 피크일 수 있다.
특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 리튬공기전지용 공기극의 제조방법에 있어서, 상기 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체의 종류, 혼합용액의 혼합비율, 직물소재의 종류 및 형태, 탄소열 환원반응 조건, 불활성 분위기 조건, 탄화티타늄의 두께 및 길이, 상기 탄화티타늄-직물 복합체 내 탄화티타늄의 함량범위를 달리하여 제조된 리튬공기전지용 캐소드를 리튬공기전지에 적용한 후 200회 충방전을 실시하여 캐소드 표면을 주사전자현미경(SEM) 분석을 통해 확인하였다.
그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 상기 탄화티타늄-직물 복합체를 이용한 전극의 표면이 일부 산화되어 부동태화된 TiO2와 같은 산화막이 균일한 두께로 잘 형성되었다. 이때 형성된 산화막은 충방전 동안 전극 표면의 계속적인 산화를 방지하였고, 부분적으로 감소된 산소종에 의한 공격으로부터 전극 표면을 보호하여 전해질과의 원치 않는 부반응을 방지할 수 있었다.
상기 니켈 함유 촉매는 NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O4ㆍ2H2O 및 Ni(NO3)2ㆍ6H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, 상기 플루오르 함유 촉매는 NaF, NaCl 또는 이들의 혼합물이고, 상기 티타늄 전구체는 TiO2, TiO(OH)2 및 Ti(OH)4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, 상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 10~14: 20~28: 58~70 중량비로 혼합된 것이고, 상기 직물소재는 천연섬유이고, 상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 1~20 ㎛이며, 기공 크기가 0.05~0.8 mm인 다공성 구조이고, 상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1200~1400 ℃의 온도에서 1~3 시간 동안 수행하고, 상기 불활성 분위기는 아르곤, 헬륨 및 네온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행되고, 상기 탄화티타늄은 TiC이고, 평균 두께가 20~70 nm이고, 평균 길이가 1~10 ㎛이고, 상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 50~58 중량%를 포함하고, 상기 탄화티타늄-직물 복합체는 XPS 분석 결과, 결합에너지가 533 내지 535 eV 및 529 내지 533 eV 범위에서 각각 제1 XPS 유효 피크 및 제2 XPS 유효 피크를 가질 수 있다.
다만, 상기 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 상기 탄화티타늄-직물 복합체를 이용한 전극 표면에 산화막이 제대로 형성되지 않거나 과도하게 형성되어 탄화된 직물의 기공크기를 막아 산소의 흐름을 방해하였고, 과량의 탄화티타늄이 TiO2로 전환되어 전극이 유실되었고, 전해질과의 부반응이 발생하였다.
또한, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 리튬공기전지용 공기극의 제조방법에 있어서, 보다 바람직한 아래 조건을 모두 만족하는 탄화티타늄-직물 복합체를 리튬공기전지용 캐소드로 적용한 후 500 시간 동안 고온에서 작동한 후에도 캐소드 표면을 주사전자현미경(SEM) 분석을 통해 확인하였다.
그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 500 시간 동안 고온에서 작동한 후에도 상기 탄화티타늄-직물 복합체의 형태가 그대로 유지되었고 탄화티타늄이 유실되지 않아 열적 안정성이 매우 우수한 것을 확인하였다.
상기 니켈 함유 촉매는 Ni(NO3)2ㆍ6H2O이고, 상기 플루오르 함유 촉매는 NaF이고, 상기 티타늄 전구체는 TiO2이고, 상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 12.5: 25: 62.5 중량비로 혼합된 것이고, 상기 직물소재는 면섬유이고, 상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 5~10 ㎛이며, 기공 크기가 0.1~0.3 mm인 다공성 구조이고, 상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 수행하고, 상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행되고, 상기 탄화티타늄은 평균 두께가 50 nm이고, 평균 길이가 5 ㎛이고, 상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 53~55 중량%를 포함하고, 상기 탄화티타늄-직물 복합체는 XPS 분석 결과, 결합에너지가 533 내지 535 eV 및 529 내지 533 eV 범위에서 각각 제1 XPS 유효 피크 및 제2 XPS 유효 피크를 가질 수 있다.
다만, 상기 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 500 시간 동안 고온에서 작동한 후에 상기 탄화티타늄-직물 복합체의 탄화티타늄이 일부 유실되어 전지의 용량이 급격하게 저하되었다.
한편, 본 발명은 탄화된 직물; 및 상기 탄화된 직물의 표면 전부 또는 적어도 일부에 수직방향으로 성장된 나노로드 또는 나노와이어 형태의 탄화티타늄;을 포함하는 탄화티타늄-직물 복합체를 포함하는 리튬공기전지용 공기극을 제공한다.
상기 탄화티타늄-직물 복합체는 다공성의 탄화된 직물과 상기 탄화된 직물의 표면에 수직으로 정렬된 탄화티타늄이 형성된 구조로 이루어져 있어 매우 다공성이고 개방된 골격으로 가져 고용량의 전극을 제공할 수 있다. 이러한 구조는 전극의 내부 공간으로의 산소 접근을 용이하게 하며, 특히 상기 탄화티타늄은 수직형 나노로드 또는 나노와이어 형태로 이루어져 있어 입자형의 탄화티타늄에 비해 전해질과 전자를 쉽게 운송할 수 있도록 넓은 표면적을 제공할 수 있고, 이로 인해 방전 생성물의 막힘을 방지하고, 전극 표면 상에서 방전 생성물의 형성 및 분해를 유도할 수 있다. 또한 산소의 환원 및 발생 활성을 향상시킬 수 있다. 아울러 상기 탄화티타늄은 탄화된 직물의 탄소 분해로 인해 비가역적인 Li2CO3가 형성되는 것을 방지하여 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
상기 탄화티타늄은 평균 두께가 10~100 nm이고, 평균 길이가 0.1~80 ㎛일 수 있다. 또한 상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 53~55 중량%를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 공기극을 포함하는 리튬공기전지를 제공한다.
상기 리튬공기전지는 상기 탄화티타늄-직물 복합체를 포함하는 공기극을 적용하였을 때 상기 공기극의 다공성 구조와 증가된 전극의 반응면적으로 인해 전지의 용량을 향상시키고, 과전위는 낮추면서 안정성을 향상시켜 전지의 수명을 증대시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 리튬공기전지용 공기극은 티타늄 전구체를 함유한 혼합용액에 직물소재를 함침시키고, 이를 건조한 후 탄소열 환원반응시켜 탄화티타늄-직물 복합체를 제조함으로써 제조공정이 간단하며, 상용 탄소기반 전극 보다 무게가 훨씬 가벼우면서도 산소의 흐름을 원활하게 하는 충분한 다공성의 내부 공간을 가져 방전 생성물의 형성 및 분해를 촉진할 수 있다.
또한 상기 리튬공기전지용 공기극은 다공성 구조로 인해 전해질과의 부반응이 발생하는 것을 억제하고, 탄화된 직물 표면에 형성된 탄화티타늄이 탄소 표면을 보호하면서 방전 생성물을 수용할 수 있는 표면적을 증가시켜 높은 에너지 밀도를 가지며, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 폐기되는 직물소재를 원료물질로 이용함으로써 제조비용을 절감하는 동시에 자원재활용 및 자원절약 효과를 기대할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 탄화된 직물(C-cloth) 전극의 제조
면 티셔츠(10 x 10 cm2) 조각을 준비한 후 아르곤 분위기 하에서 5 ℃/min 램핑으로 2 시간 동안 1300 ℃의 온도에서 탄소열 환원 반응시켜 탄화된 직물을 수득하였다.
실시예 2: 탄화티타늄-직물(TiC-cloth) 복합체 전극의 제조
에탄올(50 mL)에 Ni(NO3)2·6H2O(0.3 g)와 NaF(0.6 g)를 용해시켜 혼합 용액을 제조하였다. 에멀젼을 형성하기 위해, 초음파 조사 하에 상기 혼합용액에 입자크기가 25 nm인 아나타제 TiO2 분말(1.5 g)을 첨가하였다. 제조된 TiO2 에멀젼에 면 티셔츠(10 x 10 cm2) 조각을 침지시키고 교반하였다. 30 분 후, TiO2 에멀젼이 함침된 티셔츠 조각을 120 ℃에서 4 시간 동안 건조시켰다. 그 다음 건조된 샘플을 아르곤 분위기 하에서 5 ℃/min 램핑으로 2 시간 동안 1300 ℃의 온도에서 탄소열 환원반응시켰다. TiC-cloth의 형성 반응은 다음과 같이 반응식 1로 나타내었다. 최종 단계에서, 얻어진 생성물을 0.2M HCl에 1 시간 동안 침지시켜 잔류 탄소 및 니켈 촉매를 제거하여 TiC-cloth을 수득하였다.
[반응식 1]
NaF(l) → Na(g) + F2(g)
Ni@C(s) → Ni(C)(l)
2TiO2(s) + xF(g) + 4C(s) → 2TiFx(g) + 4CO
2TiFx(g) + 2Ni(C)(l) → 2Ni(Ti,C)(l) + xF2(g)
Ni(Ti,C)(l) → TiC(s) + Ni(l)
비교예 1: TiC 나노입자가 캐스팅된 C-cloth 전극의 제조
2-프로판올 용액에 TiC 나노입자와 PTFE를 9:1 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 수득된 슬러리를 C-cloth 상에 캐스팅하였다. 그 다음 100 ℃에서 밤새 12 시간 이상 동안 진공 건조시켜 캐소드를 제조하였다. 이때, TiC의 로딩량은 2 mg/cm2이었다.
실험예 1: 주사전자현미경(FE-SEM), X선 회절(XRD) 및 투과전자현미경(TEM) 분석
상기 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth의 형상 및 내부 미세구조를 확인하기 위하여 FE-SEM, XPS 및 TEM 분석을 실시하였으며, 그 결과는 도 1 내지 5에 나타내었다.
도 1은 상기 실시예 2에 따른 리튬공기전지용 공기극의 제조방법(a), 상기 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth 전극의 주사전자현미경(FE-SEM)(b, c), X선 회절(XRD)(d), 라만 스펙트럼 분석(e), N2 가스 흡착-탈착 등온실험(f) 및 BJH 기공 분포 곡선(g) 결과를 나타낸 것이다.
상기 도 1a는 면티셔츠를 TiO2 에멀젼에 침지하였다가 수득한 티셔츠 조각을 탄소열 환원반응시켜 탄화된 티셔츠 표면에 TiC가 나노와이어(nanowire) 또는 나노로드(nanorod) 형상으로 수직 정렬된 TiC-cloth 전극이 형성된 것을 보여준다.
상기 도 1b는 상기 실시예 1의 C-cloth 전극 표면의 SEM 사진이고, 상기 도 1c는 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극 표면의 SEM 사진이다. 상기 도 1c의 경우 매끄러운 표면의 C-cloth(도 1b)와 비교하여 C-cloth 표면에 TiC 나노와이어 또는 나노로드가 성장된 것을 확인하였다. 상기 C-cloth는 여러 섬유들이 섬유다발 형태로 이루어져 있으며, 하나의 섬유가닥은 직경이 8 ㎛였다. 또한 C-cloth의 표면에 수직으로 성장된 TiC의 두께와 길이는 각각 50 nm 및 5 ㎛였다.
상기 도 1d는 상기 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth 전극의 X선 회절(XRD) 그래프를 나타낸 것으로, 나노와이어-유사 TiC와 C-cloth로 구성된 TiC-cloth가 합성된 것을 확인하였다. TiC의 관찰된 회절 피크는 입방 TiC (JCPDS 32-1383)의 (111), (200), (220), (311) 및 (222) 반사를 지표화하였다. 티타늄 산화물(TiOxCy)과 Ti 금속 피크의 부재로 단일상의 TiC가 형성된 것을 알 수 있었다. TiC-cloth의 코어가 완벽한 탄소 골격이기 때문에 탄소(002)에 해당하는 약 25ㅀ의 넓은 피크가 존재하였다. 이는 상기 도 1e의 라만 스펙트럼을 통해 TiC-cloth 전극이 성공적으로 합성된 것을 알 수 있었다. 상기 도 1e는 N라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 것으로 TiC-cloth의 다공성 구조는 C-cloth 및 TiC-cloth로부터 무질서한 탄소(1348 cm-1) 및 흑연화된 탄소(1595 cm-1)에 대한 2개의 피크 외에 TiC에 상응하는 258, 418 및 605 cm-1에 위치한 추가 라만 피크를 통해 확인하였다.
상기 도 1f는 N2 가스 흡착-탈착 등온실험 결과를 나타낸 것으로 C-cloth의 등온선은 유형 I로 분류되었고, TiC-cloth은 유형 IV로 분류되었다. 낮은 범위와 중간 범위의 상대 압력(P/P0)에서 등온선의 긴 확장 꼬리 및 H4 유형 히스테리시스 루프는 각각 TiC-cloth에서 증가된 마이크로 및 메조 기공을 나타낸다. 상기 도 1g에 도시된 대응하는 BJH 기공분포곡선이 이러한 결론을 뒷받침하였다. BJH 기공 분포 곡선에서 마이크로, 메조 및 매크로 영역에서의 기공 분포는 TiC-cloth의 다공 구조를 나타낸다.
도 2는 상기 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth 전극의 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다. 상기 도 2a 및 도 2c는 상기 실시예 1의 C-cloth 전극의 SEM 사진이고, 상기 도 2b 및 도 2d는 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극의 SEM 사진이다. 상기 도 2를 참조하면 C-cloth는 탄화된 섬유다발 사이에 0.2 mm의 기공이 있어 O2의 이동(mobilization)과 용액 상에서 Li+ 이온과의 반응에 유리한 것을 알 수 있었다. 또한 C-cloth의 표면에 수직 정렬된 TiC는 추가적인 확산 경로로서 작용할 수 있어 Li+/e- 확산과 O2 흡수/방출을 더욱 용이하게 할 수 있음을 확인하였다.
도 3은 상기 실시예 1 및 2에서 제조된 C-cloth 및 TiC-cloth 전극의 산소 및 탄소의 존재를 확인하기 위해 XPS 분석을 실시한 결과 그래프이다. 상기 도 3a에서 C-cloth의 경우 284.58, 285.74, 286.86 및 288.7 eV에서 분리되지 않은 C1s 피크는 각각 C=C, C-C, C-O 및 OC=O 결합에 해당하였다. 이에 반해, TiC-cloth의 경우 C-cloth 표면에 TiC가 성장되면서 C-O 및 OC=O 결합에 해당하는 피크가 거의 사라졌고, Ti-C 결합에 해당하는 282.11 eV의 새로운 피크가 나타났다. TiC-cloth의 C-O 및 OC=O에 해당하는 피크의 소멸은 TiC의 형성으로 인한 탄소 결함의 감소된 양을 나타내었다. 이는 캐소드의 안정성 및 전체 전기 화학적 성능에 유리한 것임을 짐작할 수 있었다. 상기 도 3b에서 C-cloth의 경우 533.06 eV 및 532.3 eV에서 분리된 O1s 피크는 각각 C-OH 및 C=O 결합에 해당하였으나, TiC-cloth에서는 Ti-OH 및 TiO 결합에 해당하는 531.3 eV 및 530.2 eV의 피크로 대체된 것을 확인하였다. 이를 통해 C-cloth의 표면에 TiC가 성공적으로 형성되었음을 알 수 있었다.
도 4는 상기 실시예 2에서 제조된 TiC-cloth 전극의 투과전자현미경(TEM) 분석을 실시한 결과이다. 상기 도 4a는 단일 TiC 나노와이어의 끝(tip) 부분이고, 상기 도 4b는 이를 더욱 확대한 것이다. 상기 도 4b에서 삽입된 TiC-cloth의 관련된 SAED 패턴은 높은 TiC 결정도를 나타내는 뚜렷한 밝은 점을 포함하였다. 또한 대표적인 HR-TEM 이미지는 d-값이 0.22 nm인 명확한 격자 무늬를 보이는데, 이는 도 4c에 나타낸 바와 같이 TiC의 (200) 평면과 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
도 5는 상기 실시예 2에서 제조된 TiC-cloth 전극의 원소 매핑 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 5b의 녹색은 탄소를 나타내고, 도 5c의 빨간색은 티타늄을 나타낸다. 상기 도 5를 통해 TiC-cloth에서 Ti와 C의 원소 매핑은 직물(cloth) 내에 잘 분포되어 있음을 알 수 있었다.
실험예 2: 충/방전 평가
상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전극의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 각 전극을 캐소드로 하여 다음과 같은 방법으로 코인셀을 제조하였다. 코인셀의 상부 커버는 캐소드로의 O2 유동을 허용하기 위해 21 개의 균일하게 분포된 홀(직경 1.0 mm)을 포함하는 두 개의 전극 기반 코인셀을 사용하였다. 또한 물 및 O2 함량이 모두 0.1 ppm 미만인 아르곤 충전 글로브 박스를 전지 조립 및 분해 공정에 사용하였다. 각 전지는 금속리튬포일 애노드, 유리필터(GF/C, Whatman) 분리기 및 상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전극을 작업 전극으로 하였다. 전해질은 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(테트라글라임, 시그마 알드리치) 중의 1M 리튬비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI, 99.7%, 시그마 알드리치)염을 사용하였다. 코인셀을 0.1 mA/cm2의 전류 밀도에서 0.5 mAh/cm2의 일정한 용량을 갖는 기준으로 제조하였다.
정전압 방전 사이클링 시험은 배터리 사이클러(4000 시리즈, Maccor)를 사용하여 Li/Li+에 대해 2.4-4.5V의 전압 윈도우 내에서 과방전(deep discharge) 및 용량 축소 조건에서 수행하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다.
도 6은 상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전극을 이용하여 제조된 리튬공기전지의 100회 충방전 평가 결과를 나타낸 그래프(a, b), 제어된 면적 용량에서의 사이클 수에 따른 에너지 효율 그래프(c) 및 0.5 mA/cm2의 용량에 따른 다양한 전류밀도(0.05 내지 1 mA/cm2)에서의 충전 및 방전 성능을 나타낸 그래프(d, e)이다. 상기 도 6a 및 6b는 각각 상기 비교예 1 및 실시예 2에서 제조된 전극의 충방전 그래프로 두 전극의 방전 및 재충전 전위는 초기 몇 사이클 동안 유사하였다. 그러나 상기 비교예 1의 TiC 나노입자 전극은 방전 전위가 빠르게 열화됨을 나타내었으며, 20회 싸이클 후 제어된 용량에 도달하기 전에 2.4V에서 종료되었다.
이에 반해, 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극은 1 내지 100 사이클 (약 2.7V)에서 거의 겹치는 안정적인 방전 프로파일을 생성하였다. 또한 사이클링 안정성으로서의 전하 전위는 실질적으로 상이하였다. 구체적으로 상기 TiC-cloth 전극은 3.9V에서 충전종료 전위를 나타내었고, 이는 100회 사이클에 의해 4.3V로 약간 증가한 반면, TiC 나노입자 전극의 전위는 30 번째 사이클 후 제어된 용량 내에서 지정된 전압(4.5V)으로 증가하였다. 이를 통해, 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극은 상기 비교예 1의 TiC 나노입자 전극에 비해 보다 낮은 전위로 100회 동안 안정한 전압 플롯을 나타냄을 알 수 있었다.
상기 도 6c에서 상기 비교예 1의 TiC 나노입자 전극은 에너지 효율이 급격하게 감소하였다. 이는 불완전하게 분해된 부산물이 TiC 나노입자 캐소드의 활성 표면적을 덮음으로써 에너지 효율이 저하된 것임을 짐작할 수 있었다. 반면에 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극은 비교적 안정적인 값을 유지하였다. 이는 TiC-cloth 전극의 활성 부위가 완전한 패시베이션이 없는 상태로 유지될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, TiC-cloth 표면 상에 축적된 전체 반전 생성물은 4.3V 내에서 가역적으로 형성 및 분해되는 것으로 짐작되었고, 이는 상당히 낮은 과전위 및 에너지 효율로 이어짐을 알 수 있었다.
상기 도 6d는 상기 비교예 1의 TiC 나노입자 전극은 0.2 mA/cm2 보다 높은 전류밀도에서 제어된 용량에 도달하지 못하는 것을 확인하였다. 이를 통해 상기 TiC 나노입자 전극의 충전 프로파일은 0.2 mA/cm2의 전류 밀도에서도 재충전 공정을 완료할 수 없음을 확인하였다. 반면에 상기 도 6e는 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극은 모든 전류밀도에서 충전 및 방전이 안정적인 터미널 전위(terminal potential)를 보이는 것을 확인하였다.
실험예 3: 충전 및 방전 후 전극 분석
리튬공기전지의 충방전 사이클 동안 형성된 방전 생성물의 형태 및 가역성은 전지의 성능에 직접적인 관련이 있는데, 이를 확인하기 위해 상기 실험예 2를 통해 충방전을 실시하였던 상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전극을 분해하였다. 구체적으로 ex situ 분석을 위해, 방전 및 충전된 캐소드를 분해하고 무수아세토니트릴로 세척하여 글로브 박스 내부의 잔류 염을 제거하였다. 세척 후 분석 전에 캐소드를 진공 건조하여 아세토니트릴을 증발시키고, 캐소드가 글로브 박스에서 SEM 및 TEM 챔버로의 이동 중 공기에 노출되는 것을 방지하기 위해 전도성 테이프를 적용하였다. 각각의 분해된 전극에 형성된 방전 생성물과 전지의 면적용량을 확인하였으며, 그 결과는 도 7 내지 10에 나타내었다.
도 7은 상기 실험예 2에서 충방전을 실시하였던 상기 비교예 1의 TiC 나노입자 전극을 갖는 리튬공기전지(a, c) 및 실시예 2의 TiC-cloth 전극을 갖는 리튬공기전지(b, d)의 전압 프로파일 그래프와 SEM 사진이다. 상기 도 7a 및 7b는 모두 2V 컷오프 전위로 완전히 방전되었다. 상기 도 7b에서 실시예 2(TiC-cloth)의 리튬공기전지는 약 2.3 mAh/cm2의 면적 용량을 나타내어 리튬공기전지에 사용되는 다른 카바이드 재료보다 우수함을 확인하였다. 이에 반해 상기 도 7a에서 비교예 1(TiC 나노입자)의 리튬공기전지는 1.25 mAh/cm2의 면적 용량을 나타내었다. 또한 C-cloth의 무게를 제외하고, TiC의 함량을 계산하였을 때, 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극의 전체 중량에 대하여 TiC의 함량은 약 54.2 중량%였다.
또한 상기 도 7c 및 7d를 참조하면 두 전극의 표면에 모두 방전 생성물(Li2O2)이 초기에 형성되었다가 충전 및 방전 동안에 분해된 것을 확인하였다. 상기 도 7c의 (ii)를 참조하면, TiC 나노입자 전극은 방전 후 무작위로 분포된 평균 직경이 10 ㎛인 큰 토로이드형 입자(toroidal-shaped particles)가 형성된 것을 확인하였다. 특히 Li2O2 입자의 크기가 임계점에 도달하면 TiC 나노입자 전극을 통한 전자 이동은 Li2O2의 절연 특성에 의해 제한되어 방전 공정을 종료시킨다.
반면에 상기 도 7d의 (ii)를 참조하면, 방전 생성물이 TiC를 따라 무작위로 성장한 것을 확인하였다. 구체적으로 나노 크기의 Li2O2 입자는 TiC-cloth 전극의 표면에 축적되어 얇은 층을 형성하였다. 두 전극은 주로 TiC로 구성되어 있지만 TiC 나노입자(도 7c의 (ii))와 TiC-cloth(도 7d의 (ii)) 전극 사이의 Li2O2의 형태와 크기는 완전히 다른 것을 확인하였다.
도 8은 상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전극의 온도에 따른 열중량 분석 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 8을 참조하면, 대기 분위기에서 열중량분석(TGA) 동안 TiC를 TiO2로 산화시키고, 탄소 골격을 제거하여 탄소의 총질량 손실이 27.7 중량%였음을 확인하였다. 이에 따라 활물질(TiC)의 중량을 고려하면, 상기 실시예 2는 2200 mAh/g로 매우 높은 비용량을 갖는 것을 알 수 있었다. 반면에 상기 비교예 1의 비용량은 1200 mAh/g로 상기 실시예 2와 비교하여 상대적으로 낮은 것을 확인하였다.
도 9는 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극에서 단일 TiC의 SEM(a, b)과 TiC-cloth 전극의 충전 및 방전에 대한 XRD 패턴(c)을 분석한 결과이다. 상기 도 9a는 방전 시 TiC-cloth 전극의 TiC 표면에 Li2O2이 균일하게 증착된 것을 보여주며, 도 9b는 충전 시 TiC 표면에 Li2O2가 완전히 제거된 것을 보여준다. 상기 도 9를 통해 방전 및 충전 시 두 전극의 가역성을 확인한 결과, 상기 비교예 2의 TiC 나노입자 전극은 차단 전압(4.5V) 내에서 완전히 충전된 상태에 도달하지 못하였다. 또한 상기 도 7c의 (iii)에 도시된 바와 같이, 일부 배출 생성물이 여전히 존재하였다. 이에 반해 상기 도 7b 및 7d의 (iii)에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극은 표면 상에 형성된 방전 생성물(Li2O)이 후속 재충전 과정 동안 완전히 분해되어 사라진 것을 확인하였다.
도 10은 상기 실시예 2의 TiC-cloth 전극을 갖는 리튬공기전지에 대하여 방전(a), 충전(b), 싸이클링(c) 후 TiC-cloth 전극의 Ti2P XPS 스펙트럼과 리튬공기전지의 방전/재충전을 도식으로 나타낸 개략도이다. 상기 도 10a를 참조하면, 방전 후 465.25eV 및 459.125eV에서 Ti-O의 피크 강도가 455.87eV 및 455.12eV에서 Ti-C의 피크 강도보다 현저히 낮았다. 그러나 충전 후 도 10b에 도시된 바와 같이, Ti-O의 피크 비율은 Ti-C의 피크 비율보다 훨씬 높았으며, 이는 TiC-cloth 전극의 표면이 산화되었음을 나타낸다. 또한 상기 도 10c에 도시된 바와 같이, Ti-O 피크의 비율은 계속적인 사이클링에 의해 더 증가하지 않았고, 최초 충전 후 XPS 결과와 비교하여 다르지 않았다. 이를 통해 TiC-cloth 전극은 사이클링의 초기 단계에서 산화물 장벽이 생성되어 캐소드의 추가 산화 및 원치않는 부반응으로부터 보호할 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 상기 실시예 2의 리튬공기전지는 TiC-cloth 전극에 의해 상기 비교에 1의 TiC 나노입자와 비교하여 보다 안정적인 성능 및 긴 사이클 수명을 확보할 수 있었다.

Claims (20)

  1. 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;
    상기 혼합용액에 직물소재를 함침시키는 단계;
    상기 혼합용액이 함침된 직물소재를 건조시키는 단계; 및
    상기 건조된 직물소재를 탄소열 환원반응시켜 탄화된 직물의 표면에 탄화티타늄이 형성된 탄화티타늄-직물 복합체를 제조하는 단계;
    를 포함하는 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 함유 촉매는 Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O4ㆍ2H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O, NiSO4 및 NiSO4ㆍ6H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플루오르 함유 촉매는 NaF, NaHF2, PF3, PF5, AlF3, MgF2, MF3 (M=희토류 금속), KF, KHF2, LiF, 및 LiHF2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 전구체는 TiO2, TiOCl2, TiCl3, TiCl4, TiO(OH)2, Ti(OH)4, Ti(OC2H5)4 및 Ti[OCH(CH3)2]4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 7~15: 18~30: 55~75 중량비로 혼합된 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 직물소재는 천연섬유, 인조섬유 또는 이들의 혼합물인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 천연섬유는 면, 마, 견, 양모 또는 동물의 털로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 인조섬유는 레이온, 큐프라, 아세테이트, 트리아세테이트, 나일론, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 아라미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 0.1~100 ㎛이며, 기공 크기가 0.05~1 mm인 다공성 구조인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1000~1500 ℃의 온도에서 30분 내지 3 시간 동안 수행하는 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 불활성 분위기는 아르곤, 수소, 질소, 헬륨, 네온, 제논 및 크립톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행하는 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탄화티타늄은 평균 두께가 10~100 nm이고, 평균 길이가 0.1~80 ㎛인 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 45~60 중량%를 포함하는 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화된 직물의 표면 전부 또는 적어도 일부에 수직방향으로 탄화티타늄이 나노로드 또는 나노와이어 형태로 성장된 구조로 이루어진 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 XPS 분석 결과, 결합에너지가 533 내지 535 eV 및 529 내지 533 eV 범위에서 각각 제1 XPS 유효 피크 및 제2 XPS 유효 피크를 가지는 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 함유 촉매는 NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O4ㆍ2H2O 및 Ni(NO3)2ㆍ6H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 플루오르 함유 촉매는 NaF, NaHF2 또는 이들의 혼합물이고,
    상기 티타늄 전구체는 TiO2, TiO(OH)2 및 Ti(OH)4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 10~14: 20~28: 58~70 중량비로 혼합된 것이고,
    상기 직물소재는 천연섬유이고,
    상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 1~20 ㎛이며, 기공 크기가 0.05~0.8 mm인 다공성 구조이고,
    상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1200~1400 ℃의 온도에서 1~3 시간 동안 수행하고,
    상기 불활성 분위기는 아르곤, 헬륨 및 네온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행되고,
    상기 탄화티타늄은 평균 두께가 20~70 nm이고, 평균 길이가 1~10 ㎛이고,
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 50~58 중량%를 포함하고,
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 XPS 분석 결과, 결합에너지가 533 내지 535 eV 및 529 내지 533 eV 범위에서 각각 제1 XPS 유효 피크 및 제2 XPS 유효 피크를 가지는 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 함유 촉매는 Ni(NO3)2ㆍ6H2O이고,
    상기 플루오르 함유 촉매는 NaF이고,
    상기 티타늄 전구체는 TiO2이고,
    상기 혼합용액은 유기용매에 니켈 함유 촉매, 플루오르 함유 촉매 및 티타늄 전구체가 12.5: 25: 62.5 중량비로 혼합된 것이고,
    상기 직물소재는 면섬유이고,
    상기 직물소재는 섬유다발 형태로 이루어지고, 하나의 섬유 가닥은 평균직경이 5~10 ㎛이며, 기공 크기가 0.1~0.3 mm인 다공성 구조이고,
    상기 탄소열 환원반응은 불활성 분위기 하에서 1300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 수행하고,
    상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행되고,
    상기 탄화티타늄은 평균 두께가 50 nm이고, 평균 길이가 5 ㎛이고,
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 53~55 중량%를 포함하고
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 XPS 분석 결과, 결합에너지가 533 내지 535 eV 및 529 내지 533 eV 범위에서 각각 제1 XPS 유효 피크 및 제2 XPS 유효 피크를 가지는 것인 리튬공기전지용 공기극의 제조방법.
  18. 탄화된 직물; 및 상기 탄화된 직물의 표면 전부 또는 적어도 일부에 수직방향으로 성장된 나노로드 또는 나노와이어 형태의 탄화티타늄;을 포함하는 탄화티타늄-직물 복합체를 포함하는 리튬공기전지용 공기극.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 탄화티타늄-직물 복합체는 탄화티타늄-직물 복합체 전체 중량에 대하여 탄화티타늄 53~55 중량%를 포함하는 리튬공기전지용 공기극.
  20. 제18항의 공기극을 포함하는 리튬공기전지.
PCT/KR2021/002847 2021-03-08 2021-03-08 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지 WO2022191340A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2021/002847 WO2022191340A1 (ko) 2021-03-08 2021-03-08 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2021/002847 WO2022191340A1 (ko) 2021-03-08 2021-03-08 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022191340A1 true WO2022191340A1 (ko) 2022-09-15

Family

ID=83228186

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2021/002847 WO2022191340A1 (ko) 2021-03-08 2021-03-08 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2022191340A1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150093049A (ko) * 2014-02-06 2015-08-17 삼성전자주식회사 리튬 공기 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지
KR20160066993A (ko) * 2014-12-03 2016-06-13 현대자동차주식회사 리튬공기전지용 양극의 제조방법
JP2018032573A (ja) * 2016-08-26 2018-03-01 日本電信電話株式会社 リチウム空気二次電池
KR20210103083A (ko) * 2020-02-13 2021-08-23 한국과학기술연구원 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150093049A (ko) * 2014-02-06 2015-08-17 삼성전자주식회사 리튬 공기 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지
KR20160066993A (ko) * 2014-12-03 2016-06-13 현대자동차주식회사 리튬공기전지용 양극의 제조방법
JP2018032573A (ja) * 2016-08-26 2018-03-01 日本電信電話株式会社 リチウム空気二次電池
KR20210103083A (ko) * 2020-02-13 2021-08-23 한국과학기술연구원 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIU SAINAN, LUO ZHIGAO, TIAN GENGYU, ZHU MENGNAN, CAI ZHENYANG, PAN ANQIANG, LIANG SHUQUAN: "TiO2 nanorods grown on carbon fiber cloth as binder-free electrode for sodium-ion batteries and flexible sodium-ion capacitors", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 363, 1 September 2017 (2017-09-01), AMSTERDAM, NL, pages 284 - 290, XP055966450, ISSN: 0378-7753, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2017.07.098 *
XIA XINHUI, ZHANG YONGQI, CHAO DONGLIANG, XIONG QINQIN, FAN ZHANXI, TONG XILI, TU JIANGPING, ZHANG HUA, FAN HONG JIN: "Tubular TiC fibre nanostructures as supercapacitor electrode materials with stable cycling life and wide-temperature performance", ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, RSC PUBL., CAMBRIDGE, vol. 8, no. 5, 1 January 2015 (2015-01-01), Cambridge , pages 1559 - 1568, XP055966447, ISSN: 1754-5692, DOI: 10.1039/C5EE00339C *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10658669B2 (en) Alkali metal secondary battery containing a carbon matrix- or carbon matrix composite-based dendrite-intercepting layer
US10658642B2 (en) Carbon matrix- and carbon matrix composite-based dendrite-intercepting layer for alkali metal secondary battery
Yin et al. Self-standing Bi 2 O 3 nanoparticles/carbon nanofiber hybrid films as a binder-free anode for flexible sodium-ion batteries
US9755241B2 (en) Alkali metal secondary battery containing a dendrite-intercepting layer
CN106935855B (zh) 一种多孔碳纳米管状材料及其制备方法和应用
WO2014042485A1 (ko) 개선된 전기화학 특성을 갖는 리튬이차전지 및 이의 제조방법
WO2014098419A1 (ko) 리튬 이차 전지용 음극재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
WO2016175426A1 (ko) 리튬 코발트 산화물의 표면처리 방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지
US10714738B2 (en) Manufacturing method for selenium preloaded mesoporous carbon cathode for alkali metal-selenium secondary battery
WO2015199251A1 (ko) 내부에 그래핀 네트워크가 형성된 나노입자-그래핀-탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이의 응용
CN112499617B (zh) 一种n和s共掺杂的空心碳纳米立方体的制备方法及钾离子电池
WO2020145504A1 (ko) 복합 황화물 전극 및 제조 방법
WO2014084636A1 (ko) 다공성 규소 산화물-탄소재 복합체를 포함하는 음극 활물질 및 이의 제조방법
CN110350130A (zh) 金属/硫二次电池用非对称隔膜
KR102302056B1 (ko) 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지
WO2022191340A1 (ko) 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지
CN113699687A (zh) 双针头静电纺丝的Li3VO4/C纤维锂离子电池负极材料的制备方法
JP2002241117A (ja) 黒鉛系炭素材料、その製造方法、リチウム二次電池用負極材料およびリチウム二次電池
US20190326587A1 (en) Selenium Loaded Mesoporous Carbon Cathode for Alkali Metal-Selenium Secondary Battery
CN112397705B (zh) 一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用
KR102300157B1 (ko) 리튬이온 배터리용 CNT-SiOx 복합재의 제조방법 및 그를 이용한 리튬이온 배터리용 음극재
Jiang et al. Ultra-small MnCo2O4 nanocrystals decorated on nitrogen-enriched carbon nanofibers as oxygen cathode for Li-O2 batteries
KR20190124389A (ko) 애노드 활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이온전지
CN111628166B (zh) 一种用于锂-硫电池的立体硫化锂电极及其制备方法
KR102249853B1 (ko) 리튬공기전지용 공기극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬공기전지

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21930440

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21930440

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1