KR102463412B1

KR102463412B1 - 리튬공기전지용 집전체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102463412B1
Application number: KR1020160158360A
Authority: KR
Inventors: 김원근; 류경한
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2022-11-03
Also published as: KR20180059144A

Abstract

본 발명은 가볍고 내화학성이 우수한 리튬공기전지용 집전체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

리튬공기전지용 집전체 및 이의 제조방법{A COLLECTOR FOR LITHIUM AIR BATTERY AND PREPARING METHOD THEREOF}

현재 우리는 고속 성장에 따른 화석연료의 고갈, 환경오염, 지구온난화 등의 여러 문제에 당면해 있다. 이에 대한 대책으로 신재생 에너지를 개발하고 있으나, 눈에 띄는 성과를 올리고 있지 못하고 있다. 이에 따라 에너지 저장기술 특히, 전지 분야에 대한 관심이 급증하고 있다.

그 결과 리튬 이온 전지(Lithium ion battery)에서 눈부신 발전을 이루었으나, 현재까지 개발된 리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 낮아 화석 연료를 대체하기에는 부족하다고 평가받고 있다.

이에 최근에는 미국, 일본 등의 선진국을 중심으로 하여 금속-공기 전지 특히, 리튬-공기 전지(Lithium-air battery)의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

리튬-공기 전지는 공기로부터 무제한으로 공급받을 수 있는 산소를 활물질로 사용한다. 따라서 이론적으로 매우 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 리튬-공기 전지의 이론 에너지 밀도를 계산하면 약 3,200 Wh/kg으로, 리튬 이온 전지보다 약 10 배 이상 높다. 또한 산소를 활물질로 사용하므로 환경 친화적이라는 장점도 있다.

그러나 상용화를 위해서는 충방전 수명, 실제 에너지 밀도의 향상, 효율 향상 등 여전히 해결해야 할 문제점이 많다.

한국등록특허 제10-1632793호

본 발명자는 다음과 같은 목적을 달성하고자 연구에 매진한 끝에 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 집전체의 경량화를 통해 리튬공기전지의 중량당 에너지 밀도를 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 집전체를 경량화하면서 내화학성도 함께 향상시키는 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 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체는 고분자 소재로 구성된 박판(sheet) 형상의 기재부 및 상기 기재부 상에 특정 패턴으로 형성된 집전부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체에 있어서, 상기 집전부는 서로 일정거리 이격되어 배치되는 복수 개의 라인(line) 패턴으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체에 있어서, 상기 고분자 소재는 불소화 고무(FKM rubber) 및 EPDM 고무(ethylene propylene diene monomer rubber) 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물일 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체에 있어서, 상기 고분자 소재는 EPDM 고무와 FKM 고무가 공가교된 것일 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체에 있어서, 상기 집전부는 스테인레스 스틸(stainless steel) 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체는 두께가 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체의 제조방법은 고분자 소재로 구성된 박판 형상의 기재부 상에, 서로 일정거리 이격되어 배치되는 복수 개의 라인 패턴으로 집전부를 형성하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체의 제조방법에 있어서, 상기 집전부는 진공증착, 스퍼터링증착 및 잉크 제트 프린팅 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 리튬공기전지는 양극, 상기 양극에 대향하여 배치되고, 리튬 이온을 수용 및 방출하는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 구비되는 전해질, 상기 양극의 외측에 구비되는 양극 집전체 및 상기 음극의 외측에 구비되는 음극 집전체를 포함하고, 상기 양극 집전체 및 음극 집전체 중 적어도 어느 하나가 상기 리튬공기전지용 집전체인 것일 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하므로 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따르면 집전체의 중량 감소에 의해 리튬공기전지의 중량당 에너지 밀도가 향상될 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 집전체의 내화학성이 향상되므로 리튬공기전지를 더욱 안전하게 작동시킬 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 발명에 따른 리튬공기전지를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 집전체의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 집전체의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 상기 집전체를 적용한 리튬공기전지의 사진이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 요지가 변경되지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되면 공지 구성 및 기능에 대한 설명은 생략한다. 본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

리튬공기전지는 음극으로 리튬을 사용하고, 양극(공기극)에서 활물질로 공기 중의 산소를 이용하는 전지 시스템이다. 음극에서는 리튬의 산화 및 환원 반응이, 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어난다.

이하 화학식 1 및 화학식 2는 리튬-공기 전지의 방전시 음극과 양극에서 일어나는 반응을 나타낸 것이다.

[화학식 1]

(음극) : Li → Li⁺ + e^-

[화학식 2]

(양극) : 2Li⁺ + O₂ + 2e^- → Li₂O₂

음극의 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온과 전자가 생성된다. 리튬 이온은 전해질을 통해, 전자는 집전체 및 외부 도선을 통해 양극으로 이동한다. 양극은 다공성이므로 외부 공기가 유입될 수 있다. 외부 공기에 포함된 산소는 양극에서 상기 전자에 의해 환원되고, Li₂O₂가 형성된다.

충전 반응은 이와 반대로 진행된다. 즉, 이하의 화학식 3과 같이 양극에서 Li₂O₂가 분해되어 리튬 이온과 전자가 생성된다.

[화학식 3]

(양극) Li₂O₂ → 2Li⁺ + O₂ + 2e^-

도 1은 본 발명에 따른 리튬공기전지를 간략히 도시한 것이다. 이에 따르면 상기 리튬공기전지(10)는 외부로부터 유입되는 산소(공기)를 활물질로 하는 양극(11), 상기 양극(11)에 대향하여 배치되고 리튬 이온을 수용 및 방출하는 음극(13), 상기 양극(11)과 음극(13) 사이에 구비되는 전해질(15), 상기 양극(11)과 음극(13)을 서로 분리 또는 절연시키는 분리막(17), 상기 양극(11)의 외측에 구비되는 양극 집전체(19') 및 상기 음극(13)의 외측에 구비되는 음극 집전체(19'')를 포함할 수 있다.

본 발명에서 리튬공기전지용 집전체(19)라 함은 상기 양극 집전체(19') 및/또는 음극 집전체(19'')를 의미한다. 또한 본 발명에서 외측이라 함은 상기 양극(11) 또는 음극(13)이 전해질(15)과 접촉하는 일면의 반대면을 의미한다.

상기 전해질은 고체인 경우 상기 양극과 음극 사이에 개재될 수 있다. 다만 상기 전해질이 수계 전해질 또는 비수계 전해질로 액체 상태인 경우에는 상기 전해질의 일부 또는 전부가 양극 및/또는 음극에 함침된 형태로 존재할 수 있다. 또한 상기 전해질은 분리막에 함침된 형태로도 존재할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 리튬공기전지용 집전체(이하, '집전체'라 함)에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 상기 집전체를 간략하게 도시한 것이다. 이에 따르면 상기 집전체(19)는 고분자 소재로 구성된 박판(sheet) 형상의 기재부(191) 및 상기 기재부(191) 상에 특정 패턴으로 형성된 집전부(193)를 포함할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 집전부(193)는 서로 일정거리 이격되어 배치되는 복수 개의 라인(line) 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 집전부(193)의 형태가 도 2에 도시된 바와 같은 패턴으로 한정되는 것은 아니고, 가로 및/또는 세로 방향의 라인 패턴으로도 형성될 수 있는바 그 일예로 도 3과 같은 패턴일 수도 있다.

종래에 리튬공기전지에 적용되던 집전체는 내화학성, 산소 유로의 확보를 위해 스틸(steel) 등의 금속 소재의 집전체를 사용하였다. 이에 리튬공기전지의 중량이 늘어나고 그에 따라 실제 중량당 에너지 밀도가 저하된다는 문제가 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 경량의 고분자 소재로 기재부를 만들고, 상기 기재부 상에 집전이 가능한 소재로 집전부를 패터닝함으로써 종래와 비교하여 현저히 적은 중량의 집전체를 구현한 것을 일 기술적 특징으로 한다.

상기 고분자 소재는 상기 고분자 소재는 불소화 고무(FKM rubber) 및 EPDM 고무(ethylene propylene diene monomer rubber) 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물일 수 있다.

상기 불소화 고무(FKM rubber)는 불소화도가 높은 탄화수소 고분자로서, 단량체인 비닐리덴 플루오리드(VDF: Vinylidene Fluoride), 헥사플루오로프로필렌(HFP: Hexafluoropropylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE: Tetrafluoroethylene), 퍼플루오로메틸비닐에테르(PMVE: Perfluoromethyl Vinyl Ether), 또는 퍼플루오로알킬 비닐 에테르(PAVE: Perfluoroalkyl Vinyl Ether) 등이 이원계(Binary) 또는 삼원계(Ternary) 공중합체를 형성한 것일 수 있다.

상기 EPDM 고무(ethylene propylene diene monomer rubber)는 에틸렌(Ethylene), 프로필렌(Propylene) 및 이중결합을 갖고 있는 디엔(Diene) 단량체(Monomer)로 이루어진 삼원계(Ternary) 공중합체일 수 있다.

상기 고분자 소재는 상기 불소화 고무 및 EPDM 고무가 공가교(co-crosslink)된 것일 수도 있다. 상기 불소화 고무와 EPDM 고무의 공가교는 Dicumyl Peroxide, 2,5-Dimethyl-2,5-Di(t-butylperoxy) Hexane, Di-(2-t-butylperoxyisopropyl) Benzene, Di-(2,4-dichlorobenzoyl) Peroxide, Di(4-Methylbenzoyl) Peroxide, t-Butyl Peroxybenzoate, Dibenzoyl Peroxide, 1,1-Di-(t-butylperoxy)-3,3,5-Trimethylcyclohexane, t-Butyl Cumyl Peroxide, 또는 Di-t-Butyl Peroxide 등의 가교제를 통해 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면 고분자 소재로 기재부를 형성함으로써 집전체를 경량화할 수 있고, 고분자 소재 중에서도 불소화 고무, EPDM 고무 및/또는 이들의 가교체를 사용함으로써 내화학성까지 향상시킬 수 있다.

상기 집전부는 집전이 가능한 소재라면 어떠한 것도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 스테인레스 스틸(stainless steel) 소재를 사용할 수 있다. 리튬공기전지 내 전해질 등의 다른 구성과의 반응성이 낮아 안정적으로 전지를 구동할 수 있기 때문이다.

상기 집전부는 상기 기재부 상에 진공증착, 스퍼터링(sputtering)증착, 잉크 제트(ink jet) 프린팅 등의 방법으로 형성할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고 전술한 바와 같은 라인 패턴으로 형성할 수 있다면 어떠한 방법도 사용할 수 있다.

상기 집전체의 두께는 10㎛ 이상일 수 있고, 더욱 구체적으로 15㎛ 이상일 수 있으며, 50㎛ 이하일 수 있고, 더욱 구체적으로 30㎛ 이하일 수 있다. 두께가 10㎛ 이상일 때 기계적 강도 측면에서 우수하고, 50㎛ 이하일 때 집전체의 저항이 너무 커지는 것을 방지할 수 있고 집전체의 경량화의 효과를 더욱 극대화할 수 있다.

도 4와 같이 셀 에너지가 85,000 Wh이고 총 부피가 300ℓ인 리튬공기전지(270×100mm²)에 본 발명의 상기 집전체를 적용하였을 때(실시예)와 종래의 스테인레스 스틸 소재로 형성된 집전체를 적용하였을 때(비교예)의 사양을 비교하면 다음의 표 1과 같다.

사양	비교예	실시예
총 중량	200.0kg	184.7kg
집전체 밀도	8.91g/cc	1.00g/cc
집전체 중량	19.1kg	3.82kg

표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 상기 집전체는 종래와 비교하여 약 80% 경량화될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 상기 집전체를 셀 에너지가 85,000 Wh인 리튬공기전지에 적용시 에너지 밀도를 약 35 Wh/kg 높일 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10:리튬공기전지
11:양극
13:음극
15:전해질
17:분리막
19, 19', 19'':집전체
191:기재부
193:집전부

Claims

고분자 소재로 구성된 박판(sheet) 형상의 기재부; 및
상기 기재부 상에 특정 패턴으로 형성된 집전부를 포함하며,
상기 고분자 소재는 불소화 고무(FKM rubber) 및 EPDM 고무(ethylene propylene diene monomer rubber) 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물이며,
상기 집전부는 스테인레스 스틸(stainless steel) 소재로 이루어진 것인 리튬공기전지용 집전체.
제1항에 있어서,
상기 집전부는 서로 일정거리 이격되어 배치되는 복수 개의 라인(line) 패턴으로 형성되는 리튬공기전지용 집전체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 고분자 소재는 EPDM 고무와 FKM 고무가 공가교된 것인 리튬공기전지용 집전체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 집전체는 두께가 10㎛ 내지 50㎛인 리튬공기전지용 집전체.
고분자 소재로 구성된 박판 형상의 기재부 상에,
서로 일정거리 이격되어 배치되는 복수 개의 라인 패턴으로 집전부를 형성하고,
상기 고분자 소재는 불소화 고무(FKM rubber) 및 EPDM 고무(ethylene propylene diene monomer rubber) 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물이며,
상기 집전부는 스테인레스 스틸(stainless steel) 소재로 이루어진 것인 리튬공기전지용 집전체의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 집전부는 진공증착, 스퍼터링증착 및 잉크 제트 프린팅 중 어느 하나의 방법으로 형성하는 리튬공기전지용 집전체의 제조방법.
삭제
제7항에 있어서,
상기 고분자 소재는 EPDM 고무와 FKM 고무가 공가교된 것인 리튬공기전지용 집전체의 제조방법.
삭제
양극;
상기 양극에 대향하여 배치되고, 리튬 이온을 수용 및 방출하는 음극;
상기 양극과 음극 사이에 구비되는 전해질;
상기 양극의 외측에 구비되는 양극 집전체; 및
상기 음극의 외측에 구비되는 음극 집전체를 포함하고,
상기 양극 집전체 및 음극 집전체 중 적어도 어느 하나가 제1항, 제2항, 제4항 및 제6항 중 어느 하나의 집전체인 리튬공기전지.