KR102618545B1 - Metal-air battery - Google Patents

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Abstract

금속-공기 전지에 관해 개시되어 있다. 개시된 금속-공기 전지는 금속을 포함하는 음극부, 전자 전도 및 이온 전도를 모두 수행하는 복합전도성 물질을 포함하는 양극부 및 상기 음극부와 양극부 사이에 구비된 분리막을 포함할 수 있다. 상기 음극부로부터 제공된 금속 이온과 상기 양극부를 통해 제공된 가스의 전기화학 반응을 위해, 상기 복합전도성 물질은 금속 이온 및 전자의 이동 통로를 제공할 수 있다. A metal-air battery is disclosed. The disclosed metal-air battery may include a cathode part containing a metal, an anode part containing a composite conductive material that performs both electronic conduction and ion conduction, and a separator provided between the cathode part and the anode part. For an electrochemical reaction between metal ions provided from the cathode portion and gas provided through the anode portion, the composite conductive material may provide a passage for metal ions and electrons to move.

Description

금속-공기 전지{Metal-air battery}Metal-air battery {Metal-air battery}

개시된 실시예들은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속-공기 전지에 관한 것이다. The disclosed embodiments relate to secondary batteries, and more specifically to metal-air batteries.

금속-공기 전지는 이온의 흡장 및 방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함한다. 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고, 음극에서는 금속의 산화 및 환원 반응이 일어나며, 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 추출한다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 방전시에는 산소를 흡수하고 충전시에는 산소를 방출한다. 이와 같이, 금속-공기 전지는 공기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 기존의 리튬 이온 전지보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다. A metal-air battery includes a cathode capable of storing and releasing ions and a positive electrode using oxygen in the air as an active material. At the anode, reduction and oxidation reactions of oxygen introduced from the outside occur, and at the cathode, oxidation and reduction reactions of metal occur, and the chemical energy generated at this time is converted into electrical energy and extracted. For example, a metal-air battery absorbs oxygen when discharging and releases oxygen when charging. In this way, because metal-air batteries use oxygen present in the air, the energy density of the battery can be greatly improved. For example, metal-air batteries can have energy densities that are several times higher than conventional lithium ion batteries.

금속-공기 전지의 용량이나 성능은, 예컨대, 양극(공기극)의 소재 및 구성에 의해 상당한 영향을 받을 수 있다. 또한, 금속-공기 전지의 반응 생성물에 의한 전지의 화학적인 열화(deterioration) 및 변형(deformation)은 성능 저하 및 수명 단축의 요인으로 작용할 수 있다. The capacity or performance of a metal-air battery can be significantly affected, for example, by the material and composition of the anode (air electrode). In addition, chemical deterioration and deformation of the battery caused by reaction products in a metal-air battery can act as a factor in reducing performance and shortening its lifespan.

우수한 성능을 갖는 금속-공기 전지를 제공한다. A metal-air battery with excellent performance is provided.

충방전에 따른 화학적 열화 및 변형에 의한 문제를 억제할 수 있는 금속-공기 전지를 제공한다. 우수한 충방전 특성을 갖는 금속-공기 전지를 제공한다. A metal-air battery capable of suppressing problems caused by chemical deterioration and deformation due to charging and discharging is provided. A metal-air battery with excellent charge and discharge characteristics is provided.

유기계 전해질에 의한 문제를 방지할 수 있는 금속-공기 전지를 제공한다. A metal-air battery capable of preventing problems caused by organic electrolytes is provided.

공정의 용이성 및 제조 비용 측면에서 유리한 금속-공기 전지를 제공한다. A metal-air battery that is advantageous in terms of ease of processing and manufacturing cost is provided.

일 측면(aspect)에 따르면, 금속을 포함하는 음극부; 상기 음극부와 이격된 것으로, 전자 전도 및 이온 전도를 모두 수행하는 복합전도성 물질을 포함하는 양극부; 및 상기 음극부와 양극부 사이에 구비된 분리막;을 포함하고, 상기 음극부로부터 제공된 금속 이온과 상기 양극부를 통해 제공된 가스의 전기화학 반응을 위해, 상기 복합전도성 물질은 금속 이온 및 전자의 이동 통로를 제공하는 금속-공기 전지(metal-air battery)가 제공된다. According to one aspect, a cathode portion containing a metal; an anode part spaced apart from the cathode part and including a composite conductive material that performs both electronic conduction and ion conduction; and a separator provided between the cathode portion and the anode portion, wherein for an electrochemical reaction between the metal ions provided from the cathode portion and the gas provided through the anode portion, the composite conductive material is a movement path for metal ions and electrons. A metal-air battery that provides is provided.

상기 복합전도성 물질의 양이온 전도도(cation conductivity)(A)와 전자 전도도(electron conductivity)(B) 사이의 비율(A/B)은 0.01 이상 100 이하일 수 있다. The ratio (A/B) between cation conductivity (A) and electron conductivity (B) of the composite conductive material may be 0.01 or more and 100 or less.

상기 복합전도성 물질의 양이온 전도도(A)와 전자 전도도(B) 사이의 비율(A/B)은 1 이상 10 이하일 수 있다. The ratio (A/B) between cation conductivity (A) and electronic conductivity (B) of the composite conductive material may be 1 or more and 10 or less.

상기 복합전도성 물질은 리튬계 산화물 및 나트륨계 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The composite conductive material may include at least one of lithium-based oxide and sodium-based oxide.

상기 복합전도성 물질은 LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate) 및 LFMP(lithium iron manganese phosphate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The composite conductive material includes lithium manganese oxide (LMO), lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese nickel oxide (LMNO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), lithium nickel oxide (LNO), lithium iron phosphate (LFP), and It may contain at least one of lithium iron manganese phosphate (LFMP).

상기 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 갖는 무기물을 포함할 수 있다. The composite conductive material may include an inorganic material having any one of perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel, and NASICON type structures.

상기 복합전도성 물질은 무기물 기반의 고체 화합물일 수 있다. The composite conductive material may be an inorganic-based solid compound.

상기 양극부는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free) 전극일 수 있다. The anode part may be an organic electrolyte-free electrode that does not contain an organic electrolyte.

상기 양극부는 상기 전기화학 반응에 의해 생성되는 반응생성물이 위치할 수 있는 빈공간을 포함할 수 있고, 상기 빈공간은 전해질 미함유 영역일 수 있다. The anode part may include an empty space where a reaction product generated by the electrochemical reaction can be located, and the empty space may be an electrolyte-free area.

상기 양극부는 공극을 포함하는 공극함유층을 구비할 수 있고, 상기 공극함유층은 상기 복합전도성 물질을 포함할 수 있다. The anode part may include a void-containing layer containing pores, and the pore-containing layer may include the composite conductive material.

상기 공극함유층의 공극률은 약 90 vol% 이하일 수 있다. The porosity of the void-containing layer may be about 90 vol% or less.

상기 공극함유층의 비표면적은 약 100 ㎡/g 이상일 수 있다. The specific surface area of the void-containing layer may be about 100 m2/g or more.

상기 공극함유층은 라멜라(lamella) 구조를 포함할 수 있다. The void-containing layer may include a lamella structure.

상기 양극부는 상기 복합전도성 물질을 구비하는 양극층을 포함할 수 있고, 상기 양극층은 비탄소계 물질층일 수 있다. The anode part may include an anode layer including the composite conductive material, and the anode layer may be a non-carbon-based material layer.

상기 양극부는 상기 복합전도성 물질을 구비하는 양극층을 포함할 수 있고, 상기 양극층의 적어도 일면에 구비된 가스확산층(gas diffusion layer)을 더 포함할 수 있다. The anode part may include an anode layer including the composite conductive material, and may further include a gas diffusion layer provided on at least one side of the anode layer.

상기 분리막은 고체 전해질을 포함할 수 있다. The separator may include a solid electrolyte.

상기 금속-공기 전지는 액체 전해질을 포함하지 않는 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free)한 전지일 수 있다. The metal-air battery may be a liquid electrolyte-free battery that does not contain a liquid electrolyte.

상기 금속-공기 전지는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전지일 수 있다. The metal-air battery may be an organic electrolyte-free battery that does not contain an organic electrolyte.

다른 측면에 따르면, 공기 중의 산소를 활물질로 사용하는 것으로, 이온 전도성 및 전자 전도성을 모두 갖는 복합전도성 물질을 포함하는 양극부; 금속을 포함하는 음극부; 및 상기 양극부와 음극부 사이에 고체 전해질을 포함하는 분리막;을 구비하는 금속-공기 전지가 제공된다. According to another aspect, oxygen in the air is used as an active material, and the anode part includes a composite conductive material having both ionic conductivity and electronic conductivity; A cathode portion containing metal; and a separator containing a solid electrolyte between the anode and the cathode. A metal-air battery is provided.

상기 복합전도성 물질은 금속 원소를 포함하는 무기물 기반의 고체 화합물일 수 있고, 상기 양극부는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전극부일 수 있다. The composite conductive material may be an inorganic-based solid compound containing a metal element, and the anode portion may be an organic electrolyte-free electrode portion that does not contain an organic electrolyte.

우수한 성능을 갖는 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. 우수한 충방전 특성을 갖는 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. 충방전에 따른 화학적 열화 및 변형에 의한 문제를 억제할 수 있는 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. 유기계 전해질에 의한 문제를 방지할 수 있는 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. 공정의 용이성 및 제조 비용 절감 측면에서 유리한 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. A metal-air battery with excellent performance can be implemented. A metal-air battery with excellent charge and discharge characteristics can be implemented. It is possible to implement a metal-air battery that can suppress problems caused by chemical deterioration and deformation due to charging and discharging. It is possible to implement a metal-air battery that can prevent problems caused by organic electrolytes. A metal-air battery that is advantageous in terms of ease of processing and reduced manufacturing costs can be implemented.

도 1은 일 실시예에 따른 금속-공기 전지(metal-air battery)를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지를 보여주는 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지를 보여주는 단면도이다.
도 4는 비교예에 따른 금속-공기 전지를 보여주는 단면도이다.
도 5는 비교예에 따른 금속-공기 전지의 전해질 고갈(squeeze out) 문제를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 비교예에 따른 금속-공기 전지에서 양극층의 기공 외부로 전해질이 스퀴즈-아웃(squeeze-out)된 상태를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 7은 예시적인 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 8은 도 7의 양극층이 가질 수 있는 라멜라(lamella) 구조의 일례를 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 7의 구조를 갖는 금속-공기 전지의 충방전 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 실시예에 따른 금속-공기 전지에 대하여 충방전 실험을 반복 진행함으로써 순환성(cyclability)을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 13은 실시예에 따른 금속-공기 전지에 대하여 충방전 실험을 반복 진행한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 14는 실시예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 사이클 횟수에 따른 용량의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15는 예시적인 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 16은 도 15의 양극층이 가질 수 있는 파티클 함유 구조의 일례를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 17은 실시예에 따른 금속-공기 전지에 대한 충방전 실험을 반복 진행한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 18은 실시예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 사이클 횟수에 따른 용량 감소(capacity fade) 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 19는 실시예에 따른 전기화학적 모듈에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 방전 그래프이다.
도 20은 비교예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 횟수에 따른 특성 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 21은 실시예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 횟수에 따른 특성 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a metal-air battery according to an embodiment.
Figure 2 is a cross-sectional view showing a metal-air battery according to another embodiment.
Figure 3 is a cross-sectional view showing a metal-air battery according to another embodiment.
Figure 4 is a cross-sectional view showing a metal-air battery according to a comparative example.
Figure 5 is a diagram to explain the electrolyte depletion (squeeze out) problem of a metal-air battery according to a comparative example.
Figure 6 is a scanning electron microscope (SEM) image showing a state in which electrolyte is squeezed out of the pores of the anode layer in a metal-air battery according to a comparative example.
Figure 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a metal-air battery according to an exemplary embodiment.
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a lamella structure that the anode layer of FIG. 7 may have.
FIG. 9 is a graph showing the results of measuring charge and discharge characteristics of a metal-air battery having the structure of FIG. 7.
Figures 10 to 12 are graphs showing the results of evaluating cyclability by repeatedly performing charge and discharge experiments on a metal-air battery according to an example.
Figure 13 is a graph showing the results of repeated charge and discharge experiments for a metal-air battery according to an example.
Figure 14 is a graph showing the change in capacity according to the number of charge and discharge cycles of a metal-air battery according to an embodiment.
Figure 15 is a cross-sectional view showing the configuration of a metal-air battery according to another exemplary embodiment.
FIG. 16 is an SEM image showing an example of a particle-containing structure that the anode layer of FIG. 15 may have.
Figure 17 is a graph showing the results of repeated charging and discharging experiments for a metal-air battery according to an example.
Figure 18 is a graph showing the results of measuring capacity fade characteristics according to the number of charge and discharge cycles of a metal-air battery according to an example.
Figure 19 is a discharge graph showing simulation results for an electrochemical module according to an embodiment.
Figure 20 is a graph showing the results of measuring changes in characteristics according to the number of charging and discharging of a metal-air battery according to a comparative example.
Figure 21 is a graph showing the results of measuring changes in characteristics according to the number of charging and discharging of a metal-air battery according to an example.

이하, 실시예들에 따른 금속-공기 전지를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. Hereinafter, metal-air batteries according to embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. The width and thickness of layers or regions shown in the attached drawings may be somewhat exaggerated for clarity and convenience of description. Like reference numerals refer to like elements throughout the detailed description.

도 1은 일 실시예에 따른 금속-공기 전지(metal-air battery)를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a metal-air battery according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 금속-공기 전지는 금속을 포함하는 음극층(anode layer)(10) 및 음극층(10)과 이격된 양극층(cathode layer)(30)을 포함할 수 있다. 양극층(30)은 전자 전도 및 이온 전도가 모두 가능한 복합전도성 물질을 포함할 수 있다. 복합전도성 물질에 대해서는 추후에 보다 상세히 설명한다. 음극층(10)과 양극층(30) 사이에는 분리막(separator)(20)이 구비될 수 있다. 금속-공기 전지는 양극층(30)의 적어도 일면에 접촉된 가스확산층(gas diffusion layer)(40)을 더 포함할 수 있다. 가스확산층(40)은 양극층(30)으로의 산소(O2)의 공급을 원활하게 하는 역할을 할 수 있다. 양극층(30)은 '양극촉매층(cathode catalyst layer)'일 수 있고, 단순히 '양극'이라고 칭할 수도 있다. 양극층(30)과 가스확산층(40)이 하나의 '양극부(cathode portion)'를 구성한다고 할 수 있다. 다시 말해, 금속-공기 전지의 양극부는 양극층(30)을 포함할 수 있고, 선택적으로, 가스확산층(40)을 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a metal-air battery may include a cathode layer 10 containing a metal and a cathode layer 30 spaced apart from the cathode layer 10. The anode layer 30 may include a composite conductive material capable of both electronic conduction and ion conduction. The composite conductive material will be described in more detail later. A separator 20 may be provided between the cathode layer 10 and the anode layer 30. The metal-air battery may further include a gas diffusion layer 40 in contact with at least one surface of the anode layer 30. The gas diffusion layer 40 may serve to facilitate the supply of oxygen (O 2 ) to the anode layer 30. The anode layer 30 may be a 'cathode catalyst layer' or may simply be referred to as an 'anode'. It can be said that the anode layer 30 and the gas diffusion layer 40 constitute one 'cathode portion'. In other words, the anode part of the metal-air battery may include an anode layer 30 and, optionally, may further include a gas diffusion layer 40.

음극층(10)은 금속 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질은, 예를 들어, 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들 중 두 개 이상으로 이루어진 합금을 포함할 수 있다. 예컨대, 음극층(10)은 리튬(Li)을 포함할 수 있다. 이 경우, 음극층(10)은 리튬, 리튬 기반의 합금, 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 음극층(10)이 리튬을 포함하는 경우, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지는 '리튬-공기 전지'라고 할 수 있다. The cathode layer 10 may include a material capable of absorbing and emitting metal ions. These substances are, for example, lithium (Li), sodium (Na), zinc (Zn), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe), aluminum (Al) or any of these. It may contain an alloy composed of two or more elements. For example, the cathode layer 10 may include lithium (Li). In this case, the cathode layer 10 may include at least one of lithium, a lithium-based alloy, and a lithium intercalating compound. When the negative electrode layer 10 contains lithium, the metal-air battery according to this embodiment may be referred to as a ‘lithium-air battery.’

양극층(30)은 공기 중의 산소(O2)를 활물질로 사용하는 공기극일 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 양극층(30)은 전자 전도 및 이온 전도가 모두 가능한 복합전도성 물질을 포함할 수 있다. 음극층(10)으로부터 제공된 금속 이온과 양극층(30)으로 제공된 가스(즉, 산소)의 전기화학 반응을 위해, 복합전도성 물질은 금속 이온 및 전자의 이동 통로를 제공할 수 있다. 다시 말해, 복합전도성 물질은 전자의 이동 통로를 제공하는 양극의 기능 및 이온의 이동 통로를 제공하는 전해질의 기능을 모두 가질 수 있다. 복합전도성 물질은 무기물 기반의 고체 화합물일 수 있다. 따라서, 양극층(30)은 유기계 전해질을 포함하지 않는 전극, 즉, 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전극일 수 있다. 또한, 양극층(30)은 액체 전해질을 포함하지 않는 전극, 즉, 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free)한 전극일 수 있다. The anode layer 30 may be an air electrode that uses oxygen (O 2 ) in the air as an active material. As mentioned earlier, the anode layer 30 may include a composite conductive material capable of both electronic conduction and ion conduction. For an electrochemical reaction between the metal ions provided from the cathode layer 10 and the gas (i.e., oxygen) provided to the anode layer 30, the composite conductive material can provide a passage for the metal ions and electrons to move. In other words, the composite conductive material can have both the function of an anode that provides a path for electrons to move and an electrolyte that provides a path for ions to move. The composite conductive material may be an inorganic-based solid compound. Therefore, the anode layer 30 may be an electrode that does not contain an organic electrolyte, that is, an organic electrolyte-free electrode. Additionally, the anode layer 30 may be an electrode that does not contain a liquid electrolyte, that is, a liquid electrolyte-free electrode.

본 실시예에 따른 금속-공기 전지가 리튬-공기 전지인 경우, 방전시 양극부에서 다음과 같은 전기화학 반응이 일어날 수 있다. When the metal-air battery according to this embodiment is a lithium-air battery, the following electrochemical reaction may occur at the anode portion during discharge.

2Li+ ( dis.) + O2 ( dis.) + 2e- → Li2O2 (solid) 2Li + ( dis.) + O 2 ( dis.) + 2e- → Li 2 O 2 (solid)

음극층(10)으로부터 제공된 리튬 이온(Li+)과 대기(공기)로부터 제공된 산소(O2)가 양극층(30)의 표면에서 전자(e-)와 함께 결합(반응)하여 고체인 Li2O2를 생성할 수 있다. 이때, 양극층(30)의 복합전도성 물질은 리튬 이온(Li+)의 이동 통로 및 전자(e-)의 이동 통로를 모두 제공할 수 있다. 여기서 생성된 Li2O2는 반응생성물(35)의 일례라고 할 수 있다. 충전시에는 방전 반응이 반대로 진행될 수 있다. Lithium ions (Li + ) provided from the cathode layer 10 and oxygen (O 2 ) provided from the atmosphere (air) combine (react) with electrons (e-) on the surface of the anode layer 30 to form solid Li 2 O 2 can be generated. At this time, the composite conductive material of the anode layer 30 can provide both a passage for lithium ions (Li + ) and a passage for electrons (e-). Li 2 O 2 produced here can be said to be an example of the reaction product 35. When charging, the discharge reaction may proceed in the opposite direction.

양극층(30)의 복합전도성 물질의 양이온 전도도(cation conductivity)(A)와 전자 전도도(electron conductivity)(B) 사이의 비율(A/B)은 0.01 이상 100 이하 또는 1 이상 10 이하일 수 있다. 양극층(30)의 복합전도성 물질의 양이온 전도도(cation conductivity)는 그의 전자 전도도(electron conductivity)보다 크거나 대체로 같을 수 있다. 양이온 전도도(양이온 확산도)와 전자 전도도는 동일한 단위로 상호 비교될 수 있다. 양이온 전도도가 전자 전도도보다 크거나 이들 사이의 비율(A/B)이 0.01 이상 100 이하, 특히, 1 이상 10 이하라는 조건을 만족할 때, 복합전도성 물질은 금속-공기 전지의 양극(공기극) 물질로서의 기능을 효과적으로 수행할 수 있다. 복합전도성 물질의 양이온 전도도를 전자 전도도보다 크게 만들거나 이들의 비율(A/B)이 0.01 이상 100 이하 또는 1 이상 10 이하가 되도록 하기 위해서, 복합전도성 물질의 조성비나 도펀트를 제어할 수 있다. 동일한 조성의 물질이라도, 조성비나 도펀트에 따라 양이온 전도도와 전자 전도도가 달라질 수 있다. The ratio (A/B) between the cation conductivity (A) and the electron conductivity (B) of the composite conductive material of the anode layer 30 may be 0.01 or more and 100 or less, or 1 or more and 10 or less. The cation conductivity of the composite conductive material of the anode layer 30 may be greater than or substantially equal to its electron conductivity. Cationic conductivity (cation diffusivity) and electronic conductivity can be compared with each other in the same units. When the cation conductivity is greater than the electronic conductivity or the ratio (A/B) between them satisfies the conditions of 0.01 to 100, especially 1 to 10, the composite conductive material can be used as an anode (air electrode) material for a metal-air battery. Can perform its function effectively. In order to make the cation conductivity of the composite conductive material greater than the electronic conductivity or to make their ratio (A/B) between 0.01 and 100 or between 1 and 10, the composition ratio or dopant of the composite conductive material can be controlled. Even for materials of the same composition, cation conductivity and electronic conductivity may vary depending on the composition ratio or dopant.

복합전도성 물질은, 예를 들어, 리튬계 산화물 및 나트륨계 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 복합전도성 물질은 LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate) 및 LFMP(lithium iron manganese phosphate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 필요에 따라서, 상기한 물질들의 조성비나 도펀트를 조절함으로써, 이온 전도 및 전자 전도 특성을 적절히 제어할 수 있다. 그러나 여기서 제시한 구체적인 물질들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 물질이 복합전도성 물질로 적용될 수 있다. 또한, 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 복합전도성 물질은 금속 원소를 포함하는 무기물 기반의 고체 화합물일 수 있다. 또한, 복합전도성 물질은 비탄소계(non-carbon-based) 물질일 수 있다. The composite conductive material may include, for example, at least one of lithium-based oxide and sodium-based oxide. As specific examples, composite conductive materials include lithium manganese oxide (LMO), lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese nickel oxide (LMNO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), lithium nickel oxide (LNO), and lithium iron phosphate (LFP). ) and lithium iron manganese phosphate (LFMP). If necessary, the ionic conduction and electronic conduction characteristics can be appropriately controlled by adjusting the composition ratio or dopant of the above materials. However, the specific materials presented here are examples, and various other materials can be applied as composite conductive materials. Additionally, the composite conductive material may have any one of perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel, and NASICON type structures. The composite conductive material may be an inorganic-based solid compound containing a metal element. Additionally, the composite conductive material may be a non-carbon-based material.

분리막(20)은 음극층(10)과 양극층(30) 사이에 이온의 전도가 가능하도록 이온 전도성 물질을 포함할 수 있다. 분리막(20)은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 분리막(20)의 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있다. 예를 들어, 분리막(20)으로는 폴리프로필렌(polypropylene) 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide) 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌(polyethylene)이나 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 올레핀계(olefin-based) 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다. 그러나 고체 전해질의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다. The separator 20 may include an ion conductive material to enable conduction of ions between the cathode layer 10 and the anode layer 30. The separator 20 may include a solid electrolyte. The electrolyte of the separator 20 may be a solid electrolyte containing a polymer electrolyte, an inorganic electrolyte, or a composite electrolyte combining these. For example, the separator 20 may be made of a polymer nonwoven fabric such as a nonwoven fabric made of polypropylene or a nonwoven fabric made of polyphenylene sulfide, or an olefin-based fabric such as polyethylene or polypropylene. Porous films of olefin-based) resin can be used. However, the specific material of the solid electrolyte is illustrative and may vary.

가스확산층(40)은 대기 중의 산소를 흡수하여 양극층(30)에 제공하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 가스확산층(40)은 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유(carbon fiber)를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 또는 스펀지상의 발포 금속이나 금속 섬유 매트를 사용하여 가스확산층(40)을 형성할 수 있다. 또한, 가스확산층(40)은 부직포 등과 같은 비도전성을 갖는 유연한 다공성 재료로 이루어질 수도 있다. 그러나, 양극층(30)이 가스확산층의 역할을 함께 수행할 수 있도록 다공성 구조 또는 그와 유사한 구조로 제작될 수도 있다. 이 경우, 가스확산층(40)은 생략될 수 있다. The gas diffusion layer 40 may serve to absorb oxygen in the atmosphere and provide it to the anode layer 30. To this end, the gas diffusion layer 40 may have a porous structure to smoothly diffuse oxygen. For example, the gas diffusion layer 40 is formed using carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or sponge-like foamed metal or metal fiber mat. can be formed. Additionally, the gas diffusion layer 40 may be made of a non-conductive flexible porous material such as non-woven fabric. However, the anode layer 30 may be manufactured with a porous structure or a similar structure so that it can also serve as a gas diffusion layer. In this case, the gas diffusion layer 40 may be omitted.

도 1에 도시하지는 않았지만, 음극층(10)에 접촉된 음극집전체(anode current collector)가 더 구비될 수 있다. 음극집전체는 음극층(10)의 하면에 구비될 수 있다. 따라서, 음극층(10)은 음극집전체와 분리막(20) 사이에 배치될 수 있다. 음극집전체는, 예컨대, 스테인레스 스틸(stainless steel)(SUS)을 포함하거나, 그 밖에 다른 도전체를 포함할 수 있다. 또한, 가스확산층(40)에 접촉된 양극집전체(cathode current collector)가 더 구비될 수 있다. 양극집전체는 가스확산층(40)의 상면에 구비될 수 있다. 따라서, 가스확산층(40)은 양극집전체와 양극층(30) 사이에 배치될 수 있다. 양극집전체는, 예컨대, 스테인레스 스틸(stainless steel)(SUS)을 포함할 수 있다. 이 경우, 양극집전체의 SUS는 공기(가스)의 투과를 위한 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있다. 양극집전체의 물질은 스테인레스 스틸(SUS)로 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 가스확산층(40)을 사용하지 않는 경우, 양극집전체는 양극층(30)에 접촉될 수 있다. 음극집전체는 음극부의 일부로 여길 수 있고, 이와 유사하게, 양극집전체는 양극부의 일부로 여길 수 있다. Although not shown in FIG. 1, an anode current collector in contact with the cathode layer 10 may be further provided. The negative electrode current collector may be provided on the lower surface of the negative electrode layer 10. Accordingly, the negative electrode layer 10 may be disposed between the negative electrode current collector and the separator 20. The negative electrode current collector may include, for example, stainless steel (SUS) or other conductors. Additionally, a cathode current collector in contact with the gas diffusion layer 40 may be further provided. The positive electrode current collector may be provided on the upper surface of the gas diffusion layer 40. Accordingly, the gas diffusion layer 40 may be disposed between the positive electrode current collector and the positive electrode layer 30. The positive electrode current collector may include, for example, stainless steel (SUS). In this case, the SUS of the positive electrode current collector may have a mesh structure for permeation of air (gas). The material of the positive electrode current collector is not limited to stainless steel (SUS) and can vary in various ways. When the gas diffusion layer 40 is not used, the positive electrode current collector may be in contact with the positive electrode layer 30. The negative electrode current collector can be considered part of the negative electrode part, and similarly, the positive electrode current collector can be considered part of the positive electrode part.

본 실시예에 따른 금속-공기 전지는 액체 전해질을 포함하지 않는 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free)한 전지일 수 있다. 또한, 실시예에 따른 금속-공기 전지는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전지일 수 있다. 이와 같이, 금속-공기 전지는 유기 전해질-프리 또는 액체 전해질-프리한 전지일 수 있고, 이와 관련해서, 다양한 특징 및 이점을 가질 수 있다. 이에 대해서는 추후에 상세히 설명한다. The metal-air battery according to this embodiment may be a liquid electrolyte-free battery that does not contain a liquid electrolyte. Additionally, the metal-air battery according to the embodiment may be an organic electrolyte-free battery that does not contain an organic electrolyte. As such, metal-air batteries may be organic electrolyte-free or liquid electrolyte-free batteries, and in this regard, may have various features and advantages. This will be explained in detail later.

도 2는 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지를 보여주는 단면도이다. Figure 2 is a cross-sectional view showing a metal-air battery according to another embodiment.

도 2를 참조하면, 양극층(300)은 전기화학 반응에 의해 생성되는 반응생성물이 위치할 수 있는 빈공간(즉, 공극)을 포함하도록 구성될 수 있다. 따라서, 양극층(300)은 공극(air gap)(pore or void)을 포함하는 '공극함유층'이라 불릴 수 있으며, 복수의 공극은 대체로 규칙적으로 또는 랜덤하게(randomly) 배치될 수 있다. 공극들은 전해질을 전혀 함유하지 않는 전해질 미함유 영역일 수도 있으며 일부만 전해질을 함유할 수도 있다. 본 실시예에서는 양극층(300)이 전자 전도 및 이온 전도를 모두 수행할 수 있는 복합전도성 물질을 포함하기 때문에, 양극층(300) 주변 및 양극층(300)의 공극 내에 이온 전도를 위한 전해질이 전무할 수도 있으며, 필요에 따라서는, 일부에만 전해질이 구비될 수도 있다. 양극층(300)의 공극은 반응생성물이 형성되는 공간이면서 동시에 가스(산소)가 이동하는 경로를 제공할 수 있다. 공극 내에 전해질이 전혀 채워지지 않고 빈공간으로 남아 있거나 일부만 채워져 있는 경우, 가스(산소)의 공급이 훨씬 원활하게 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2, the anode layer 300 may be configured to include an empty space (i.e., a void) where a reaction product generated by an electrochemical reaction can be located. Accordingly, the anode layer 300 may be called a 'pore-containing layer' that includes air gaps (pores or voids), and the plurality of air gaps may be arranged generally regularly or randomly. The pores may be electrolyte-free regions containing no electrolyte or may only partially contain electrolyte. In this embodiment, since the anode layer 300 includes a composite conductive material capable of both electronic conduction and ion conduction, an electrolyte for ion conduction is present around the anode layer 300 and in the pores of the anode layer 300. There may be no electrolyte, and if necessary, only a portion of the electrolyte may be provided. The pores of the anode layer 300 are spaces where reaction products are formed and can also provide a path for gas (oxygen) to move. If the pores are not filled with any electrolyte and remain empty or are only partially filled, the supply of gas (oxygen) can be performed much more smoothly.

양극층(300)의 공극률(porosity or percentage of void)이 높을수록 전지의 반응 면적이 증가하기 때문에, 용량 증대 및 에너지 밀도 향상에 유리할 수 있다. 양극층(300)의 공극률은, 예컨대, 약 90 vol% 이하일 수 있다. 공극률은 약 0 vol% 내지 약 90 vol% 정도 또는 약 30 vol% 내지 약 90 vol% 정도일 수 있다. 또한, 양극층(300)의 비표면적(specific surface area)이 높을수록 전지의 반응 면적이 증가하기 때문에, 용량 증대 및 에너지 밀도 향상에 유리할 수 있다. 양극층(300)의 비표면적은, 예컨대, 약 100 ㎡/g 이상일 수 있다. As the porosity or percentage of void of the anode layer 300 increases, the reaction area of the battery increases, which may be advantageous for increasing capacity and improving energy density. The porosity of the anode layer 300 may be, for example, about 90 vol% or less. Porosity may be about 0 vol% to about 90 vol% or about 30 vol% to about 90 vol%. In addition, the higher the specific surface area of the anode layer 300, the greater the reaction area of the battery, which may be advantageous for increasing capacity and improving energy density. The specific surface area of the anode layer 300 may be, for example, about 100 m2/g or more.

도 2에서 양극층(300)의 구조를 제외한 나머지 구성은 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 즉, 금속을 포함하는 음극층(100)이 구비될 수 있고, 음극층(100)과 양극층(300) 사이에 분리막(200)이 구비될 수 있으며, 양극층(300)에 접촉된 가스확산층(400)이 더 구비될 수 있다. 음극층(100), 분리막(200) 및 가스확산층(400)의 물질 및 기능 등은 도 1을 참조하여 설명한 음극층(10), 분리막(20) 및 가스확산층(40)과 각각 동일하거나 유사할 수 있다. In FIG. 2 , the remaining configuration except for the structure of the anode layer 300 may be similar to that described with reference to FIG. 1 . That is, a cathode layer 100 containing a metal may be provided, a separator 200 may be provided between the cathode layer 100 and the anode layer 300, and a gas diffusion layer in contact with the anode layer 300. (400) may be further provided. The materials and functions of the cathode layer 100, separator 200, and gas diffusion layer 400 may be the same or similar to the cathode layer 10, separator 20, and gas diffusion layer 40 described with reference to FIG. 1, respectively. You can.

도 2에 도시한 양극층(300)의 공극 함유 구조는 예시적인 것이고, 이는 매우 다양하게 변형될 수 있다. 일례로, 도 2의 양극층(300)의 공극 함유 구조는 도 3에 도시된 바와 같이 변형될 수 있다. 도 3의 양극층(300a)은 소정 방향으로 구불구불하게 진행되는 단면 구조를 가질 수 있다. 양극층(300a)은 분리막(200)과 가스확산층(400) 사이에서 이들과 평행한 방향으로 구불구불하게(지그재그로) 연장된 단면 구조를 가질 수 있다. 따라서, 양극층(300a)은 도 2의 양극층(300)과 유사한 수준의 공극률 및 비표면적을 가지면서, 연속된 혹은 부분적으로 연속된 층 구조를 가질 수 있다. 도 2 및 도 3의 양극층(300, 300a)의 구조는 라멜라(lamella) 구조의 예시일 수 있다. 도 2 및 도 3에서는 양극층(300, 300a)의 공극 함유 구조를 예시적으로 단순화하여 도시한 것일 수 있다. 실제 양극층은 여기에 도시된 것보다 많은 공극을 포함할 수 있고, 더 복잡한 구조를 가질 수 있다. The void-containing structure of the anode layer 300 shown in FIG. 2 is exemplary and can be modified in many ways. For example, the pore-containing structure of the anode layer 300 of FIG. 2 may be modified as shown in FIG. 3 . The anode layer 300a of FIG. 3 may have a cross-sectional structure that progresses tortuously in a predetermined direction. The anode layer 300a may have a cross-sectional structure extending tortuously (zigzagly) in a direction parallel to the separator 200 and the gas diffusion layer 400. Accordingly, the anode layer 300a may have a porosity and specific surface area similar to those of the anode layer 300 of FIG. 2 and may have a continuous or partially continuous layer structure. The structure of the anode layers 300 and 300a in FIGS. 2 and 3 may be an example of a lamella structure. 2 and 3 may be a simplified illustration of the void-containing structure of the anode layers 300 and 300a. An actual anode layer may contain more pores than shown here and may have a more complex structure.

실시예에 따른 금속-공기 전지에서는 전자 전도 및 이온 전도를 모두 수행하는 복합전도성 물질을 포함하는 양극층(30, 300, 300a)을 사용한다. 이와 관련해서, 실시예의 금속-공기 전지는 유기계 전해질로 인한 화학적 열화 및 전해질 고갈로 인한 문제들을 원천적으로 방지할 수 있다. 따라서, 전지의 성능 향상 및 수명 연장에 유리할 수 있고, 제조 공정 및 비용 측면에서도 유리할 수 있다. The metal-air battery according to the embodiment uses an anode layer (30, 300, 300a) containing a composite conductive material that performs both electronic conduction and ion conduction. In this regard, the metal-air battery of the embodiment can fundamentally prevent problems caused by chemical deterioration and electrolyte depletion due to organic electrolytes. Therefore, it can be advantageous in improving battery performance and extending lifespan, and can also be advantageous in terms of manufacturing process and cost.

도 4는 비교예에 따른 금속-공기 전지를 보여주는 단면도이다. Figure 4 is a cross-sectional view showing a metal-air battery according to a comparative example.

도 4를 참조하면, 음극층(50) 상에 분리막(60)이 구비되고, 분리막(60)과 가스확산층(90) 사이에 탄소 기반의 다공성 양극층(70)이 구비된다. 양극층(70)의 기공 내에 전해질(80)이 함침되어 존재한다. 전해질(80)은 유기계 전해질일 수 있고, 또한 액체 전해질일 수 있다. 다공성 양극층(70)은 전자 전도체의 역할을 하고, 전해질(80)은 이온 전도체의 역할을 한다. 즉, 전자(e-)는 다공성 양극층(70)을 통해서 이동하고, 리튬 이온(Li+)은 전해질(80)을 통해서 이동한다. 양극층(70)의 카본 표면에서 산소와 리튬 이온이 전자와 함께 반응하여 리튬산화물을 생성한다. 양극층(70)의 기공들은 반응생성물인 리튬산화물이 위치하는 공간을 제공한다. Referring to FIG. 4, a separator 60 is provided on the cathode layer 50, and a carbon-based porous anode layer 70 is provided between the separator 60 and the gas diffusion layer 90. The electrolyte 80 is impregnated and exists within the pores of the anode layer 70. The electrolyte 80 may be an organic electrolyte or a liquid electrolyte. The porous anode layer 70 serves as an electronic conductor, and the electrolyte 80 serves as an ion conductor. That is, electrons (e-) move through the porous anode layer 70, and lithium ions (Li + ) move through the electrolyte (80). Oxygen and lithium ions react with electrons on the carbon surface of the anode layer 70 to generate lithium oxide. The pores of the anode layer 70 provide a space where lithium oxide, a reaction product, is located.

그런데 반응생성물인 리튬산화물(즉, Li2O2)은 반응성이 높고, 중간생성물인 O2 -, singlet oxygen은 반응성이 매우 높기 때문에, 유기계 전해질(80)을 화학적으로 분해(decomposition)시켜 배터리를 빠르게 열화시킬 수 있다. 즉, 양극부에서 반응생성물 및 중간생성물과 유기계 전해질(80)에 의한 전지의 화학적인 열화가 발생한다. 이는 전지의 성능 저하 및 수명 단축 요인으로 작용할 수 있다. However, since the reaction product, lithium oxide (i.e., Li 2 O 2 ), is highly reactive, and the intermediate products, O 2 - and singlet oxygen, are very reactive, the organic electrolyte 80 is chemically decomposed to produce a battery. It can deteriorate quickly. That is, chemical deterioration of the battery occurs in the anode part due to reaction products, intermediate products, and the organic electrolyte 80. This can act as a factor in reducing battery performance and shortening its lifespan.

그러나, 실시예에 따른 금속-공기 전지는 양극 물질로 전자와 이온을 모두 전도하는 복합전도성 물질을 사용하여 양극 내부에 유기계 전해질의 사용을 배제하거나 일부만 사용하기 때문에, 유기계 전해질로 인한 화학적 열화 문제를 원천적으로 차단하거나 줄일 수 있다. 따라서, 전지의 성능 향상/유지 및 수명 연장에 매우 유리할 수 있다. 또한, 양극 내에 별도의 전해질이 전혀 없는 경우에는, 제조 공정이 단순화되고 생산 비용을 낮출 수 있으며, 전지의 개발 및 설계 측면에서도 다양한 이점을 가질 수 있다. However, the metal-air battery according to the embodiment uses a composite conductive material that conducts both electrons and ions as the anode material and excludes or uses only a portion of the organic electrolyte inside the anode, thereby eliminating the problem of chemical deterioration due to the organic electrolyte. It can be fundamentally blocked or reduced. Therefore, it can be very advantageous for improving/maintaining battery performance and extending its lifespan. Additionally, in the case where there is no separate electrolyte in the positive electrode, the manufacturing process can be simplified, production costs can be lowered, and there can be various advantages in terms of battery development and design.

도 5는 비교예에 따른 금속-공기 전지의 전해질 고갈(squeeze out) 문제를 설명하기 위한 도면이다. Figure 5 is a diagram to explain the electrolyte depletion (squeeze out) problem of a metal-air battery according to a comparative example.

도 5를 참조하면, 탄소 기반의 양극층의 기공 내에 전해질이 존재하는데, 방전 과정에서 기공 내에 반응생성물(Li2O2)이 형성되면(즉, 부피 팽창), 전해질은 기공 밖으로 압출될 수 있다. 충전 과정을 통해 반응생성물(Li2O2)이 제거되더라도, 기공 외부로 압출된 전해질의 일부는 기공 내부로 회귀하지 못할 수 있다. 이로 인해 전지의 성능이 크게 저하될 수 있다. 특히, 풀(full) 방전 시, 전해질 고갈 문제가 커질 수 있다. Referring to FIG. 5, an electrolyte exists within the pores of the carbon-based anode layer. When a reaction product (Li 2 O 2 ) is formed within the pores during the discharge process (i.e., volume expansion), the electrolyte may be extruded out of the pores. . Even if the reaction product (Li 2 O 2 ) is removed through the charging process, some of the electrolyte extruded outside the pores may not return to the inside of the pores. This may significantly reduce battery performance. In particular, during full discharge, the problem of electrolyte depletion may increase.

도 6은 비교예에 따른 금속-공기 전지에서 양극층의 기공 외부로 전해질이 스퀴즈-아웃(squeeze-out)된 상태를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. Figure 6 is a scanning electron microscope (SEM) image showing a state in which electrolyte is squeezed out of the pores of the anode layer in a metal-air battery according to a comparative example.

그러나, 실시예에 따른 금속-공기 전지는 양극부에 별도의 전해질을 전혀 사용하지 않거나 일부만 사용할 수 있기 때문에, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같은 전해질 고갈 문제를 원천적으로 방지하거나 줄일 수 있다. 따라서, 이런 측면에서도 전지의 성능 유지 및 수명 연장에 유리할 수 있다. However, since the metal-air battery according to the embodiment does not use a separate electrolyte in the anode part at all or can use only a part of it, the electrolyte depletion problem as described with reference to FIGS. 5 and 6 can be fundamentally prevented or reduced. . Therefore, in this respect, it may be advantageous to maintain battery performance and extend battery life.

도 7은 예시적인 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다. 본 구조는 금속-공기 전지의 성능 평가를 위한 실험용 구조일 수 있다. Figure 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a metal-air battery according to an exemplary embodiment. This structure may be an experimental structure for evaluating the performance of metal-air batteries.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지는 코인 셀(coin cell) 형태를 갖는다. 복수의 개구영역(H1)을 갖는 케이스(180) 내에 전지의 구성요소들이 구비될 수 있다. 케이스(180)의 하면에 지지구조체(110)가 구비될 수 있다. 지지구조체(110)는, 예컨대, 스페이서(spacer) 및 스프링 부재(spring member)를 포함할 수 있다. 지지구조체(110) 상에 금속을 포함하는 음극층(120)이 구비될 수 있다. 음극층(120) 상에 반응억제층(130) 및 분리막(140)이 차례로 구비될 수 있다. 반응억제층(130)은 음극층(120)과 분리막(140) 사이에 개재된 것으로, 이들 사이의 반응을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다. 반응억제층(130)은 이온 전도 기능을 가질 수 있다. 분리막(140) 상에 양극층(150A)이 구비될 수 있다. 양극층(150A)은 실시예에 따른 복합전도성 물질, 즉, 전자 전도 및 이온 전도를 모두 수행할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 양극층(150A)은 복수의 공극을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 양극층(150A) 상에 전기전도성 물질층(이하, 도전층)(160)이 구비될 수 있고, 도전층(160) 상에 가스확산층(170)이 구비될 수 있다. 가스확산층(170)은 복수의 개구영역(H1)에 인접하게 배치되어, 외부의 공기를 양극층(150A)으로 공급하는 역할을 할 수 있다. Referring to FIG. 7, the metal-air battery according to this embodiment has a coin cell shape. Components of the battery may be provided in the case 180 having a plurality of opening areas H1. A support structure 110 may be provided on the lower surface of the case 180. The support structure 110 may include, for example, a spacer and a spring member. A cathode layer 120 containing metal may be provided on the support structure 110. A reaction inhibition layer 130 and a separator 140 may be sequentially provided on the cathode layer 120. The reaction inhibition layer 130 is interposed between the cathode layer 120 and the separator 140, and may serve to inhibit/prevent the reaction between them. The reaction inhibition layer 130 may have an ion conduction function. An anode layer 150A may be provided on the separator 140. The anode layer 150A may include a composite conductive material according to the embodiment, that is, a material capable of performing both electronic conduction and ion conduction. The anode layer 150A may have a structure including a plurality of pores. An electrically conductive material layer (hereinafter referred to as a conductive layer) 160 may be provided on the anode layer 150A, and a gas diffusion layer 170 may be provided on the conductive layer 160. The gas diffusion layer 170 is disposed adjacent to the plurality of opening areas H1 and may serve to supply external air to the anode layer 150A.

구체적인 예로, 음극층(120)은 Li을 포함할 수 있고, 분리막(140)은 고체 전해질인 LATP (lithium aluminum titanium phosphate)를 포함할 수 있다. LATP는 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 일 수 있고, 여기서, x는 0.3 일 수 있다. 또한, 분리막(140)은 첨가제로서 tylosin (TYL)을 더 포함할 수 있다. 양극층(150A)은 복합전도성 물질로 LCO(lithium cobalt oxide)를 포함할 수 있다. 도전층(160)은 Au를 포함할 수 있다. As a specific example, the cathode layer 120 may contain Li, and the separator 140 may contain lithium aluminum titanium phosphate (LATP), a solid electrolyte. LATP may be Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 , where x may be 0.3. Additionally, the separator 140 may further include tylosin (TYL) as an additive. The anode layer 150A may include lithium cobalt oxide (LCO) as a composite conductive material. The conductive layer 160 may include Au.

도 8은 도 7의 양극층(150A)이 가질 수 있는 라멜라(lamella) 구조의 일례를 보여주는 사시도이다. 도 8의 양극층은 micron size lamella structured LCO 일 수 있다. 구불구불한 형태를 갖는 라멜라 구조의 LCO가 평면 상에 3차원적 층 구조를 갖도록 배열될 수 있다. FIG. 8 is a perspective view showing an example of a lamella structure that the anode layer 150A of FIG. 7 may have. The anode layer in FIG. 8 may be a micron size lamella structured LCO. LCOs with a lamellar structure having a serpentine shape can be arranged to have a three-dimensional layered structure on a plane.

도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 금속-공기 전지에 대하여 대기 중의 산소(O2)가 양극층(150A) 표면에서 환원/산화되는지 여부를 실험적으로 확인하였다. 이를 위해 산소(O2) 분위기 및 질소(N2) 분위기에서 특성 평가를 진행하였다. 또한, 금속-공기 전지에 대하여 충방전 실험을 반복해서 진행함으로써, 전지의 순환성(cyclability)을 평가하였다. 특성 평가의 결과는 도 9 내지 도 14와 같았다. With respect to the metal-air battery described with reference to FIGS. 7 and 8 , it was experimentally confirmed whether oxygen (O 2 ) in the atmosphere was reduced/oxidized on the surface of the anode layer 150A. For this purpose, property evaluation was conducted in an oxygen (O 2 ) atmosphere and a nitrogen (N 2 ) atmosphere. In addition, the cyclability of the battery was evaluated by repeatedly performing charge and discharge experiments on the metal-air battery. The results of the characteristic evaluation were as shown in Figures 9 to 14.

도 9는 도 7의 구조를 갖는 금속-공기 전지의 충방전 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 9는 산소(O2) 분위기에서 평가한 결과와 질소(N2) 분위기에서 평가한 결과를 포함한다. FIG. 9 is a graph showing the results of measuring charge and discharge characteristics of a metal-air battery having the structure of FIG. 7. Figure 9 includes evaluation results in an oxygen (O 2 ) atmosphere and evaluation results in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.

도 9를 참조하면, 질소(N2) 분위기에서는 전지가 작동되지 않고 방전 특성이 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 산소(O2) 분위기에서는 전지의 충방전 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 이때, 양극층(LCO)의 표면적은 약 30 ㎠ 으로 가정하였다. 약 2 nm 두께의 Li2O2가 생성되는 것을 가정할 때, 방전 용량은 약 0.01668 mAh 이고, 4시간 동안 방전시킨다고 가정하면, 방전 전류는 약 0.004 mA/cell 이다. 이는 시뮬레이션(simulation) 결과이고, 측정 조건에 따라 방전 용량 및 방전 전류는 달라질 수 있다. 도 9로부터 실시예에 따른 금속-공기 전지가 산소 분위기에서 충방전 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the battery does not operate in a nitrogen (N 2 ) atmosphere and does not exhibit discharge characteristics. It was confirmed that the charge and discharge characteristics of the battery appeared in an oxygen (O 2 ) atmosphere. At this time, the surface area of the anode layer (LCO) was assumed to be about 30 cm2. Assuming that Li 2 O 2 with a thickness of about 2 nm is generated, the discharge capacity is about 0.01668 mAh, and assuming that it is discharged for 4 hours, the discharge current is about 0.004 mA/cell. This is a simulation result, and the discharge capacity and discharge current may vary depending on measurement conditions. From Figure 9, it was confirmed that the metal-air battery according to the example exhibited charge and discharge characteristics in an oxygen atmosphere.

도 10 내지 도 12는 실시예에 따른 금속-공기 전지에 대하여 충방전 실험을 반복 진행함으로써 순환성(cyclability)을 평가한 결과를 보여준다. 도 7과 같은 구조를 갖는 전지 샘플들을 제조한 후, 이들 각각에 대하여 산소(O2) 분위기에서 충방전 실험을 3회까지 수행하였다. Figures 10 to 12 show the results of evaluating cyclability by repeatedly performing charge and discharge experiments on a metal-air battery according to an example. After manufacturing battery samples with the structure shown in FIG. 7, charge and discharge experiments were performed on each of them up to three times in an oxygen (O 2 ) atmosphere.

도 10 내지 도 12를 참조하면, 각각의 전지 샘플에 대하여, 충방전 프로파일이 재현성 있게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 방전시 O2 reduction이 일어나고, 첫 번째 충전시 N2에서의 충전보다 낮은 전압에서 충전이 일어나(도 9 참조) O2 oxidation이 발생한 것으로 추정할 수 있다. 두 번째 방전시, 방전 초기에 LCO가 방전되는 것으로 보이고, 후반부에는 O2 reduction이 일어나는 것으로 보인다. 따라서, 첫 번째 충전시에는 LCO와 O2가 함께 oxidation 되는 것으로 추정된다. 도 10 내지 도 12의 결과로부터, 금속-공기 전지의 순환성(cyclability)을 확인할 수 있다. Referring to Figures 10 to 12, it can be seen that the charge/discharge profile is reproducible for each battery sample. O 2 reduction occurs during the first discharge, and during the first charge, charging occurs at a lower voltage than N 2 charging (see FIG. 9), so it can be assumed that O 2 oxidation has occurred. During the second discharge, LCO appears to be discharged at the beginning of the discharge, and O 2 reduction appears to occur at the end. Therefore, it is assumed that LCO and O 2 are oxidized together during the first charge. From the results of Figures 10 to 12, the cyclability of the metal-air battery can be confirmed.

도 13은 실시예에 따른 금속-공기 전지에 대하여 충방전 실험을 반복 진행한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 14는 실시예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 사이클 횟수에 따른 용량의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 14는 도 13으로부터 얻어진 것이다. Figure 13 is a graph showing the results of repeated charge and discharge experiments for a metal-air battery according to an example. Figure 14 is a graph showing the change in capacity according to the number of charge and discharge cycles of a metal-air battery according to an embodiment. Figure 14 is obtained from Figure 13.

도 13 및 도 14를 참조하면, 충방전 특성이 약 16회 정도까지 재현성 있게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 기초적인 실험 결과이고, 양극층의 구성 및 그 밖에 다른 조건에 따라, 충방전 재현성 및 순환성은 크게 개선될 수 있다. Referring to Figures 13 and 14, it can be seen that the charging and discharging characteristics are reproducible up to about 16 times. This is a basic experimental result, and depending on the configuration of the anode layer and other conditions, charge/discharge reproducibility and circulation can be greatly improved.

도 15는 예시적인 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다. 본 구성은 실험용 전지 구조의 다른 예이다. Figure 15 is a cross-sectional view showing the configuration of a metal-air battery according to another exemplary embodiment. This configuration is another example of an experimental cell structure.

도 15에서는 복수의 파티클을 포함하는 양극층(150B)을 사용한다. 양극층(150B)은 복수의 파티클에 의해 높은 비표면적을 갖는 공극 함유 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 양극층(150B)은 복합전도성 물질로 형성된 복수의 파티클을 포함할 수 있고, 여기서, 복합전도성 물질은 LMO(lithium manganese oxide)일 수 있다. 양극층(150B)의 구성을 제외한 나머지 구성은 도 7을 참조하여 설명한 바와 동일하거나 유사할 수 있다. 도 15에서는 도 7의 도전층(160)을 사용하지 않을 수 있다. 반응억제층(130)도 배제할 수 있다. In Figure 15, an anode layer 150B containing a plurality of particles is used. The anode layer 150B may have a void-containing structure with a high specific surface area due to a plurality of particles. For example, the anode layer 150B may include a plurality of particles formed of a composite conductive material, and here, the composite conductive material may be lithium manganese oxide (LMO). Except for the configuration of the anode layer 150B, the remaining configuration may be the same or similar to that described with reference to FIG. 7 . In FIG. 15 , the conductive layer 160 of FIG. 7 may not be used. The reaction inhibition layer 130 can also be excluded.

도 16은 도 15의 양극층(150B)이 가질 수 있는 파티클 함유 구조의 일례를 보여주는 SEM 이미지이다. 도 16은 양극층의 상면을 위쪽에서 촬영한 이미지이다. 여기서, 양극층은 복수의 LMO 파티클을 포함한다. FIG. 16 is an SEM image showing an example of a particle-containing structure that the anode layer 150B of FIG. 15 may have. Figure 16 is an image taken from above of the anode layer. Here, the anode layer includes a plurality of LMO particles.

도 15 및 도 16을 참조하여 설명한 금속-공기 전지에 대하여 특성 평가를 수행하였고, 그 결과는 도 17 및 도 18과 같았다. Characteristics were evaluated on the metal-air battery described with reference to FIGS. 15 and 16, and the results were shown in FIGS. 17 and 18.

도 17은 실시예에 따른 금속-공기 전지에 대한 충방전 실험을 반복 진행한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 15와 같은 구조를 갖는 전지 샘플에 대하여 충방전 실험을 반복 수행하였다. 도 17의 (A) 그래프는 1∼10 cycles에 해당하는 결과를, (B) 그래프는 101∼110 cycles에 해당하는 결과를, (C) 그래프는 201∼210 cycles에 해당하는 결과를 보여준다. Figure 17 is a graph showing the results of repeated charging and discharging experiments for a metal-air battery according to an example. Charge and discharge experiments were repeatedly performed on battery samples having the same structure as shown in FIG. 15. The graph in Figure 17 (A) shows the results corresponding to 1 to 10 cycles, the graph (B) shows the results corresponding to 101 to 110 cycles, and the graph (C) shows the results corresponding to 201 to 210 cycles.

도 18은 실시예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 사이클 횟수에 따른 용량 감소(capacity fade) 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 18은 도 15의 구조를 갖는 전지 샘플에 대한 것이고, 총용량(full capacity)의 50%에 해당하는 조건으로 측정한 것이다. 총 사이클은 200회였다. Figure 18 is a graph showing the results of measuring capacity fade characteristics according to the number of charge and discharge cycles of a metal-air battery according to an example. Figure 18 shows a battery sample having the structure of Figure 15, measured under conditions corresponding to 50% of the full capacity. The total number of cycles was 200.

도 18을 참조하면, 사이클 횟수의 증가에 따라 LMO 양극 물질에 해당하는 용량 감소(capacity fade) 비율은 점차 증가하고, Li-O2 물질에 해당하는 용량 감소 비율은 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 LMO 물질이 공기극으로서의 역할을 수행하고, 실시예에 따른 전지 샘플이 금속-공기 전지로 작동하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 18, it can be seen that as the number of cycles increases, the capacity fade rate corresponding to the LMO anode material gradually increases, and the capacity fade rate corresponding to the Li-O 2 material gradually decreases. Through this, it can be confirmed that the LMO material acts as an air electrode and that the battery sample according to the example operates as a metal-air battery.

도 19는 실시예에 따른 전기화학적 모듈에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 방전 그래프이다. 도 19의 방전 그래프는 양극층 물질로 복합전도체인 LCO를 적용한 것을 가정하고, 콤솔(COMSOL) 분석 프로그램을 이용해서 시뮬레이션하여 얻어진 결과이다. Figure 19 is a discharge graph showing simulation results for an electrochemical module according to an embodiment. The discharge graph in FIG. 19 is a result obtained by simulation using the COMSOL analysis program, assuming that LCO, a composite conductor, is applied as the anode layer material.

도 19를 참조하면, LCO 내부의 저항에 의한 전압 강하가 약 10 mV 이하인 것으로 나타났다. 이는 LCO 내의 저항과 질량 이동(mass transport)에 의한 과전위(overpotential) 영향이 매우 작다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, LCO와 같은 복합전도성 물질은 실시예에 따른 금속-공기 전지의 양극 물질로 유용하게 적용할 수 있다. Referring to Figure 19, the voltage drop due to the resistance inside the LCO was found to be about 10 mV or less. This may mean that the overpotential effect due to resistance and mass transport within the LCO is very small. Therefore, composite conductive materials such as LCO can be usefully applied as anode materials for metal-air batteries according to embodiments.

도 20은 비교예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 횟수에 따른 특성 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 상기 비교예에 따른 금속-공기 전지는 유기 전해질인 polyethylene oxide (PEO)를 사용한다. 즉, 상기 비교예에 따른 금속-공기 전지는 도 4의 구조를 가지면서, 전해질(80)에 PEO를 사용할 수 있다. Figure 20 is a graph showing the results of measuring changes in characteristics according to the number of charging and discharging of a metal-air battery according to a comparative example. The metal-air battery according to the comparative example above uses polyethylene oxide (PEO), an organic electrolyte. That is, the metal-air battery according to the comparative example has the structure of FIG. 4 and can use PEO as the electrolyte 80.

도 20을 참조하면, 비교예에 따른 금속-공기 전지의 순환성(cyclability)이 1회에 그치는 것으로 나타났다. 2회 이상의 충방전 실험시 전지의 성능이 거의 나타나지 않았다. Referring to Figure 20, it was shown that the cyclability of the metal-air battery according to the comparative example was limited to one time. When charging and discharging more than twice, the battery showed little performance.

도 21은 실시예에 따른 금속-공기 전지의 충방전 횟수에 따른 특성 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 실시예에 따른 금속-공기 전지는 유기 전해질을 사용하지 않고, 양극 물질에 이온 전도 및 전자 전도가 모두 가능한 복합전도성 물질을 사용하였다. 도 21은 도 20과 동일한 양의 반응생성물(Li2O2)을 형성시키는 경우에 대한 결과이다. Figure 21 is a graph showing the results of measuring changes in characteristics according to the number of charging and discharging of a metal-air battery according to an example. The metal-air battery according to the example did not use an organic electrolyte, but used a composite conductive material capable of both ionic and electronic conduction as the anode material. Figure 21 shows the results for forming the same amount of reaction product (Li 2 O 2 ) as in Figure 20.

도 21을 참조하면, 실시예에 따른 금속-공기 전지의 순환성(cyclability)이 약 18회 정도로, 도 20의 비교예 결과보다, 크게 증가한 것을 알 수 있다. 도 21은 기초 실험의 결과이고, 양극층의 구성 및 그 밖에 조건에 따라, 충방전 순환성은 더 개선될 수 있다. Referring to FIG. 21, it can be seen that the cyclability of the metal-air battery according to the example is about 18 times, which is greatly increased compared to the comparative example result of FIG. 20. Figure 21 is the result of a basic experiment, and depending on the configuration of the anode layer and other conditions, charge/discharge circulation can be further improved.

이상에서 설명한 실시예들에 따른 금속-공기 전지는 전자 전도 및 이온 전도를 모두 수행할 수 있는 복합전도성 물질을 양극 물질로 사용할 수 있고, 유기계 전해질로 인한 화학적 열화 및 전해질 고갈로 인한 문제들을 원천적으로 방지하거나 줄일 수 있다. 따라서, 전지의 성능 향상 및 수명 연장에 유리할 수 있고, 제조 공정 및 비용 측면에서도 유리할 수 있다. 이러한 금속-공기 전지는 전기 자동차를 비롯한 다양한 전자 기기의 전원으로 적용될 수 있다. 이차 전지가 적용되는 모든 분야에 본원 실시예들에 따른 금속-공기 전지가 유용하게 적용될 수 있다. The metal-air battery according to the embodiments described above can use a composite conductive material capable of both electronic conduction and ion conduction as an anode material, and can fundamentally eliminate problems caused by chemical deterioration and electrolyte depletion due to organic electrolyte. It can be prevented or reduced. Therefore, it can be advantageous in improving battery performance and extending lifespan, and can also be advantageous in terms of manufacturing process and cost. These metal-air batteries can be applied as a power source for various electronic devices, including electric vehicles. The metal-air battery according to the embodiments of the present application can be usefully applied to all fields where secondary batteries are applied.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 3, 도 7, 도 8, 도 15 및 도 16을 참조하여 설명한 금속-공기 전지의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 실시예에 따른 양극층의 표면에 소정의 금속 물질을 코팅하거나 분산하여 반응 효율을 개선할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 양극층은 복합전도성 물질을 포함하면서 그 밖에 다른 물질을 더 포함할 수도 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다. Although many details are described in detail in the above description, they should be construed as examples of specific embodiments rather than limiting the scope of the invention. For example, those skilled in the art will know that the structure of the metal-air battery described with reference to FIGS. 1 to 3, 7, 8, 15, and 16 can be modified in various ways. You will see that you can. As a specific example, reaction efficiency can be improved by coating or dispersing a predetermined metal material on the surface of the anode layer according to the embodiment. Additionally, the anode layer according to the embodiment may include a composite conductive material and may further include other materials. Therefore, the scope of the present invention should not be determined by the described embodiments, but by the technical idea described in the patent claims.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10, 100 : 음극층 20, 200 : 분리막
30, 300, 300a : 양극층 35 : 반응생성물
40, 400 : 가스확산층 110 : 지지구조체
120 : 음극층 130 : 반응억제층
140 : 분리막 150A, 150B : 양극층
160 : 도전층 170 : 가스확산층
180 : 케이스 H1 : 개구영역* Explanation of symbols for main parts of the drawing *
10, 100: cathode layer 20, 200: separator
30, 300, 300a: Anode layer 35: Reaction product
40, 400: gas diffusion layer 110: support structure
120: cathode layer 130: reaction inhibition layer
140: Separator 150A, 150B: Anode layer
160: conductive layer 170: gas diffusion layer
180: Case H1: Opening area

Claims (29)

금속을 포함하는 음극부;
상기 음극부와 이격된 것으로, 전자 전도 및 이온 전도를 모두 수행하는 복합전도성 물질을 포함하는 양극부; 및
상기 음극부와 양극부 사이에 구비된 분리막;을 포함하고,
상기 음극부로부터 제공된 금속 이온과 상기 양극부를 통해 제공된 가스의 전기화학 반응을 위해, 상기 복합전도성 물질은 금속 이온 및 전자의 이동 통로를 제공하는 금속-공기 전지(metal-air battery)로서,
상기 복합전도성 물질은 무기물 기반의 고체 화합물이며,
상기 분리막은 고체 전해질을 포함하며,
상기 금속-공기 전지는 액체 전해질을 포함하지 않는 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free) 전지인 금속-공기 전지. A cathode portion containing metal;
an anode part spaced apart from the cathode part and including a composite conductive material that performs both electronic conduction and ion conduction; and
It includes a separator provided between the cathode portion and the anode portion,
For the electrochemical reaction of the metal ions provided from the cathode portion and the gas provided through the anode portion, the composite conductive material is a metal-air battery that provides a passage for the movement of metal ions and electrons,
The composite conductive material is an inorganic-based solid compound,
The separator includes a solid electrolyte,
The metal-air battery is a liquid electrolyte-free battery that does not contain a liquid electrolyte. 제 1 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질의 양이온 전도도(cation conductivity)(A)와 전자 전도도(electron conductivity)(B) 사이의 비율(A/B)은 0.01 이상 100 이하인 금속-공기 전지. According to claim 1,
A metal-air battery in which the ratio (A/B) between cation conductivity (A) and electron conductivity (B) of the composite conductive material is 0.01 or more and 100 or less. 제 2 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질의 양이온 전도도(A)와 전자 전도도(B) 사이의 비율(A/B)은 1 이상 10 이하인 금속-공기 전지. According to claim 2,
A metal-air battery wherein the ratio (A/B) between cation conductivity (A) and electronic conductivity (B) of the composite conductive material is 1 or more and 10 or less. 제 1 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질은 리튬계 산화물 및 나트륨계 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 1,
A metal-air battery wherein the composite conductive material includes at least one of lithium-based oxide and sodium-based oxide. 제 1 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질은 LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate) 및 LFMP(lithium iron manganese phosphate) 중 적어도 하나를 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 1,
The composite conductive material includes lithium manganese oxide (LMO), lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese nickel oxide (LMNO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), lithium nickel oxide (LNO), lithium iron phosphate (LFP), and A metal-air cell containing at least one of lithium iron manganese phosphate (LFMP). 제 1 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 갖는 무기물을 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 1,
The composite conductive material is a metal-air battery containing an inorganic material having any one of the structures of perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel, and NASICON type. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 양극부는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free) 전극인 금속-공기 전지. According to claim 1,
A metal-air battery in which the anode part is an organic electrolyte-free electrode that does not contain an organic electrolyte. 제 1 항에 있어서,
상기 양극부는 상기 전기화학 반응에 의해 생성되는 반응생성물이 위치할 수 있는 빈공간을 포함하고, 상기 빈공간은 전해질 미함유 영역인 금속-공기 전지. According to claim 1,
The anode part includes an empty space where a reaction product generated by the electrochemical reaction can be located, and the empty space is an electrolyte-free area. 제 1 항에 있어서,
상기 양극부는 공극을 포함하는 공극함유층을 구비하고,
상기 공극함유층은 상기 복합전도성 물질을 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 1,
The anode portion has a void-containing layer containing voids,
A metal-air battery wherein the void-containing layer includes the composite conductive material. 제 10 항에 있어서,
상기 공극함유층의 공극률은 90 vol% 이하인 금속-공기 전지. According to claim 10,
A metal-air battery wherein the porosity of the void-containing layer is 90 vol% or less. 제 10 항에 있어서,
상기 공극함유층의 비표면적은 100 ㎡/g 이상인 금속-공기 전지. According to claim 10,
A metal-air battery wherein the specific surface area of the void-containing layer is 100 m2/g or more. 제 10 항에 있어서,
상기 공극함유층은 라멜라(lamella) 구조를 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 10,
A metal-air battery wherein the void-containing layer includes a lamella structure. 제 1 항에 있어서,
상기 양극부는 상기 복합전도성 물질을 구비하는 양극층을 포함하고,
상기 양극층은 비탄소계 물질층인 금속-공기 전지. According to claim 1,
The anode portion includes an anode layer including the composite conductive material,
A metal-air battery in which the anode layer is a non-carbon-based material layer. 제 1 항에 있어서,
상기 양극부는 상기 복합전도성 물질을 구비하는 양극층을 포함하고, 상기 양극층의 적어도 일면에 구비된 가스확산층(gas diffusion layer)을 더 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 1,
The anode unit includes an anode layer including the composite conductive material, and further includes a gas diffusion layer provided on at least one surface of the anode layer. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free) 전지인 금속-공기 전지. According to claim 1,
The metal-air battery is an organic electrolyte-free battery that does not contain an organic electrolyte. 공기 중의 산소를 활물질로 사용하는 것으로, 이온 전도성 및 전자 전도성을 모두 갖는 복합전도성 물질을 포함하는 양극부;
금속을 포함하는 음극부; 및
상기 양극부와 음극부 사이에 고체 전해질을 포함하는 분리막;을 구비하며,
상기 복합전도성 물질은 무기물 기반의 고체 화합물이며,
상기 분리막은 고체 전해질을 포함하며,
액체 전해질을 포함하지 않는 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free) 전지인 금속-공기 전지. An anode unit that uses oxygen in the air as an active material and includes a composite conductive material that has both ionic conductivity and electronic conductivity;
A cathode portion containing metal; and
A separator containing a solid electrolyte is provided between the anode and the cathode,
The composite conductive material is an inorganic-based solid compound,
The separator includes a solid electrolyte,
A metal-air battery is a liquid electrolyte-free battery that does not contain a liquid electrolyte. 제 19 항에 있어서,
상기 양극부는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전극부인 금속-공기 전지. According to claim 19,
A metal-air battery in which the anode part is an organic electrolyte-free electrode part that does not contain an organic electrolyte. 제 19 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질의 양이온 전도도(cation conductivity)(A)와 전자 전도도(electron conductivity)(B) 사이의 비율(A/B)은 0.01 이상 100 이하인 금속-공기 전지. According to claim 19,
A metal-air battery in which the ratio (A/B) between cation conductivity (A) and electron conductivity (B) of the composite conductive material is 0.01 or more and 100 or less. 제 21 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질의 양이온 전도도(A)와 전자 전도도 (B) 사이의 비율(A/B)은 1 이상 10 이하인 금속-공기 전지. According to claim 21,
A metal-air battery wherein the ratio (A/B) between cation conductivity (A) and electronic conductivity (B) of the composite conductive material is 1 or more and 10 or less. 제 19 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질은 리튬계 산화물 및 나트륨계 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 19,
A metal-air battery wherein the composite conductive material includes at least one of lithium-based oxide and sodium-based oxide. 제 19 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질은 LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate) 및 LFMP(lithium iron manganese phosphate) 중 적어도 하나를 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 19,
The composite conductive material includes lithium manganese oxide (LMO), lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese nickel oxide (LMNO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), lithium nickel oxide (LNO), lithium iron phosphate (LFP), and A metal-air cell containing at least one of lithium iron manganese phosphate (LFMP). 제 19 항에 있어서,
상기 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 갖는 무기물을 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 19,
The composite conductive material is a metal-air battery containing an inorganic material having any one of the structures of perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel, and NASICON type. 제 19 항에 있어서,
상기 양극부는 상기 금속-공기 전지의 전기화학 반응에 의해 생성되는 반응생성물이 위치할 수 있는 빈공간을 포함하고, 상기 빈공간은 전해질 미함유 영역인 금속-공기 전지. According to claim 19,
The anode part includes an empty space in which a reaction product generated by an electrochemical reaction of the metal-air battery can be located, and the empty space is an electrolyte-free area. 제 19 항에 있어서,
상기 양극부는 공극을 포함하는 공극함유층을 구비하고,
상기 공극함유층은 상기 복합전도성 물질을 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 19,
The anode portion has a void-containing layer containing voids,
A metal-air battery wherein the void-containing layer includes the composite conductive material. 제 19 항에 있어서,
상기 양극부는 상기 복합전도성 물질을 구비하는 양극층을 포함하고,
상기 양극층은 비탄소계 물질층인 금속-공기 전지. According to claim 19,
The anode portion includes an anode layer including the composite conductive material,
A metal-air battery in which the anode layer is a non-carbon-based material layer. 제 19 항에 있어서,
상기 양극부는 상기 복합전도성 물질을 구비하는 양극층을 포함하고, 상기 양극층의 적어도 일면에 구비된 가스확산층(gas diffusion layer)을 더 포함하는 금속-공기 전지. According to claim 19,
The anode unit includes an anode layer including the composite conductive material, and further includes a gas diffusion layer provided on at least one surface of the anode layer.
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