KR20180022745A - Support structure for lithium-air batteries using metal foam and Manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a lithium-air battery support using metal foam and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a lithium-air battery support using metal foam in which electrode active materials are multicoated on porous metal foam which is a support and an anode collector of a lithium-air battery, and a manufacturing method thereof. Therefore, a battery is lightened, and a manufacturing process and a structure are simplified.

Description

메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체 및 그 제조 방법{Support structure for lithium-air batteries using metal foam and Manufacturing method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a lithium-air cell support using a metal foam,

제안기술은 리튬-공기 전지 지지체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬-공기 전지의 지지체이자 음극 집전체가 되는 다공성 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅한 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a lithium-air cell support and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a lithium-air cell support and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a lithium- The present invention relates to a battery support and a manufacturing method thereof.

화석연료 소비 증가에 따른 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 보급이 확대되고 있다. 현재 리튬-이온 전지는 전지용량의 제약으로 전기 자동차의 장거리 주행이 어렵다. 장거리 운행을 위해서는 대용량 전지가 자동차에 탑재되어야 하지만 자동차 판매가격이 상승하기 때문에 전기 자동차 보급을 위해서는 기존의 이차전지보다 6~7배 정도 큰 에너지 밀도를 갖는 이차전지가 필요하다. 이에 따라 리튬-이온 전지보다 큰 에너지 밀도를 갖는 리튬-공기 전지가 주목받고 있다.Electric vehicles and hybrid vehicles are increasingly being used to reduce carbon dioxide emissions from fossil fuel consumption. At present, lithium-ion batteries are difficult to drive electric vehicles over long distances due to battery capacity limitations. In order to operate long-distance vehicles, large-capacity batteries need to be installed in automobiles. However, since the selling price of automobiles increases, secondary batteries having energy density 6 to 7 times larger than conventional secondary batteries are required for supplying electric vehicles. Accordingly, a lithium-air battery having a larger energy density than a lithium-ion battery has been attracting attention.

이러한 리튬-공기 전지의 상용화를 목적으로 전지의 효율 향상, 충/방전 특성 향상, 공기 중 수분 및 이산화탄소 등에 의한 음극의 안전과 오염방지를 위한 연구가 이루어지고 있다.In order to commercialize such a lithium-air battery, studies have been made to improve the efficiency of the battery, improve charge / discharge characteristics, and prevent the safety and pollution of the cathode by moisture in the air and carbon dioxide.

전술한 바와 같은 목적 달성을 위해 전극 및 전해질 재료 개발 또는 촉매 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 리튬-공기 전지의 특성상 양극은 원활한 공기의 공급이 이루어져야 하고, 동시에 음극 및 전해질 등의 전지 구성 요소들은 공기와 원천적으로 차폐되어야 하므로 전지 구조의 단순화 및 경량화가 어렵고 그 형태가 매우 한정적이다.In order to achieve the above object, researches on the development of electrodes and electrolyte materials or catalysts have been actively carried out. However, due to the characteristics of the lithium-air battery, the positive electrode must be supplied with smooth air, Must be shielded from the air and therefore, it is difficult to simplify and lighten the structure of the battery, and its form is very limited.

대부분의 리튬-공기 전지의 경우 기존의 금속-공기 전지와 유사한 형태인 파우치형, 원통형, 코인형 등으로 형성되며, 양극 부분에만 공기가 통할 수 있도록 구멍을 뚫어 놓은 형태를 벗어나지 못하고 있다.Most lithium-air cells are formed of pouch-type, cylindrical-type, coin-type, and the like, similar to conventional metal-air batteries.

이러한 구성은 전지 제조 시 양극 표면에 구멍을 뚫어야 하는 공정과 그 외 다른 구성품들을 외기와 차폐시키기 위한 실링 공정 등이 추가로 필요하기 때문에 전지의 경량화 및 공정의 단순화에 어려움이 있다.This configuration is further required to reduce the weight of the battery and to simplify the process, because it is necessary to further pierce the hole on the anode surface during the manufacture of the battery and to seal the battery to shield the outside components and other components.

또한, 양극의 경우 기공률이 높은 양극 활물질을 사용한다고 하더라도 실제 공기에 노출되는 부분이 전지 구조에 의해 매우 한정적이므로 양극 활물질의 성능을 최대한으로 활용하는 것이 불가능한 문제점이 있다.In addition, even if a cathode active material having a high porosity is used for the anode, the portion exposed to the actual air is very limited due to the cell structure, so that it is impossible to maximize the performance of the cathode active material.

한국 공개특허공보 제10-2013-0060912호Korean Patent Publication No. 10-2013-0060912

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅함으로써 전지의 경량화 및 제조 공정과 구조를 단순화하는데 목적이 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to reduce the weight of a battery and simplify a manufacturing process and a structure by multi-coating an electrode active material on a metal foam.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체 및 그 제조 방법에 있어서, In order to accomplish the above object, the present invention provides a lithium-air cell support using a metal foam,

메탈폼에 음극 활물질이 코팅되는 단계;Coating a negative electrode active material on the metal foil;

상기 음극 활물질이 코팅된 상기 메탈폼에 고체 전해질이 코팅되는 단계;Coating a solid electrolyte on the metal foam coated with the negative electrode active material;

상기 고체 전해질이 코팅된 상기 메탈폼에 양극 활물질이 코팅되는 단계;Coating the cathode active material with the solid electrolyte coated metal foil;

를 포함하는 리튬-공기 전지 지지체의 제조 방법을 제공한다.And a method of manufacturing the lithium-air cell support.

본 발명에 따르면, 메탈폼에 전극 활물질을 다중으로 코팅함으로써 전지 지지체를 경량화 및 제조 공정과 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to reduce the weight of the battery support and simplify the manufacturing process and structure by coating the metal foam with the electrode active material in multiple.

도 1은 본 발명의 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체의 단면도.1 is a sectional view of a lithium-air cell support using a metal foam of the present invention.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It will be possible. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 리튬-공기 전지의 지지체이자 음극 집전체가 되는 다공성 메탈폼(2)에 음극 활물질(4), 고체 전해질(6), 양극 활물질(8)을 순차적으로 다중 코팅하는 리튬-공기 전지 지지체 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a lithium-air battery cell comprising a lithium-air cell support (1) for sequentially coating a negative electrode active material (4), a solid electrolyte (6) and a positive electrode active material (8) on a porous metal foil (2) And a method of manufacturing the same.

도 1은 본 발명의 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체의 단면도를 도시하고 있다.1 is a cross-sectional view of a lithium-air cell support using a metal foam of the present invention.

상기 리튬-공기 전지 지지체의 제조 방법은,The method of manufacturing the lithium-air cell support includes:

메탈폼(2)에 음극 활물질(4)이 코팅되는 단계;A negative electrode active material (4) is coated on the metal foam (2);

상기 음극 활물질(4)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 고체 전해질(6)이 코팅되는 단계;Coating a solid electrolyte (6) on the metal foam (2) coated with the negative electrode active material (4);

상기 고체 전해질(6)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 양극 활물질(8)이 코팅되는 단계;를 포함하여 이루어진다.And coating the cathode active material 8 on the metal foam 2 coated with the solid electrolyte 6.

상기 리튬-공기 전지의 지지체이자 음극 집전체가 되는 상기 메탈폼(2)은 전기적 전도성이 매우 우수한 3차원 다공성 구조인 것으로, 전체 부피 대비 60% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금, 철 합금 중 어느 하나 이상의 재료가 사용되어 제작된다. The metal foam 2, which is a support for the lithium-air battery and serves as an anode current collector, is a three-dimensional porous structure having excellent electrical conductivity. The metal foam 2 has a porosity of 60% to 99% An alloy, and an iron alloy.

상기 메탈폼(2)의 기공률이 전체 부피 대비 60% 미만일 경우에는 코팅된 활물질의 양이 감소하여 전기화학적 특성이 감소하며, 99%를 초과할 경우에는 코팅 공정이 잘 이루어지지 않아 바람직하지 않다.When the porosity of the metal foam 2 is less than 60% of the total volume, the amount of the coated active material is reduced to reduce the electrochemical characteristics. When the porosity of the metal foam 2 is more than 99%, the coating process is not preferable.

상기 메탈폼(2)은 상기 재료 중 어느 하나의 재료를 사용하여 제작되어도 무방하지만 음극 활물질(4)의 일 예인 리튬에 상대적으로 안정적인 재료를 사용하는 것이 바람직하다.The metal foam 2 may be manufactured using any one of the above materials, but it is preferable to use a material which is relatively stable to lithium, which is one example of the negative electrode active material 4.

상기 메탈폼(2)에 코팅되는 상기 음극 활물질(4)은 상기에서 언급한 리튬이 사용될 수 있다. 리튬은 리튬-공기 전지의 음극 활물질(4)로써 가장 높은 이론적 용량을 나타낸다.As the negative electrode active material 4 coated on the metal foam 2, the above-mentioned lithium may be used. Lithium exhibits the highest theoretical capacity as the anode active material (4) of a lithium-air battery.

상기 메탈폼(2)에 음극 활물질(4)이 코팅되는 단계에서 상기 메탈폼(2)은 음극의 집전체 역할을 하기 때문에 상기 음극 활물질(4)은 상기 메탈폼(2)의 면적 대비 50% ~ 98% 로 코팅되어진다.Since the metal foil 2 serves as a collector of the negative electrode active material 4 in the step of coating the metal foil 2 with the negative electrode active material 4, To 98%.

상기 음극 활물질(4)이 상기 메탈폼(2)의 면적 대비 50% 미만으로 코팅될 경우에는 코팅되는 음극 활물질(4)의 양이 적어 고성능의 전지를 구성하는데 바람직하지 않으며, 상기 음극 활물질(4)이 상기 메탈폼(2)의 면적 대비 98%를 초과하여 코팅될 경우에는 음극 집전체인 상기 메탈폼(2)이 외부로 노출되지 않으므로 전지를 구성하는데 바람직하지 않다.When the negative electrode active material 4 is coated with less than 50% of the area of the metal foam 2, the amount of the negative electrode active material 4 to be coated is small and it is not preferable to form a high performance battery. Is over 98% of the area of the metal foil 2, the metal foil 2, which is an anode current collector, is not exposed to the outside, which is not preferable for forming a battery.

상기 음극 활물질(4)에 고체 전해질(6)이 코팅되기 전 공기 중 수분 및 이산화탄소 등으로부터 음극을 보호하기 위해 음극 활물질에 구리 및 니켈의 합금을 얇게 코팅시키는 공정을 추가할 수 있다.In order to protect the negative electrode from moisture and carbon dioxide in the air before the solid electrolyte 6 is coated on the negative electrode active material 4, a process of thinly coating an alloy of copper and nickel on the negative electrode active material may be added.

상기 음극 활물질(4)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 고체 전해질(6)이 코팅되는 단계에서 상기 고체 전해질(6)은 전도성이 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 메탈폼(2)에 코팅된 상기 음극 활물질(4)이 공기 중에 노출되는 것을 방지하기 위해 상기 고체 전해질(6)의 코팅 시 상기 음극 활물질(4)의 표면이 외부와 완전 차단되도록 코팅되어진다.The solid electrolyte 6 is preferably made of a material having excellent conductivity in the step of coating the solid electrolyte 6 on the metal foil 2 coated with the negative electrode active material 4, The surface of the negative electrode active material 4 is completely covered with the outer surface of the negative electrode active material 4 when the solid electrolyte 6 is coated to prevent the negative electrode active material 4 coated on the negative electrode 4 from being exposed to the air.

상기 고체 전해질(6)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에 양극 활물질(8)이 코팅되는 단계에서 코팅되는 상기 양극 활물질(8)은 공기와의 반응 면적을 극대화하기 위하여 다공성 탄소 재료 또는 이를 이용한 탄소 재료 복합체를 사용하여 제조된다.The cathode active material 8 coated in the step of coating the metal foam 2 coated with the solid electrolyte 6 on the cathode active material 8 may be made of a porous carbon material or a porous carbon material Carbon material composite.

상기 양극 활물질(8)인 다공성 탄소 재료는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 등 탄소로 이루어진 재료가 사용될 수 있으며, 이들을 이용하여 제작된 복합체 중 어느 하나를 사용할 수 있다.As the porous carbon material as the cathode active material 8, a material composed of carbon such as activated carbon, graphene, carbon nanofiber, carbon black, and reduced graphene oxide may be used, and any one of composites manufactured using these materials can be used have.

상기 양극 활물질(8)이 코팅된 후에는 공기확산층(Air Diffusion Layer, ADL)(10)이 적층되며, 상기 양극 활물질(8)이 코팅된 메탈폼(2)에 양극 단자를 연결하는 단계에서 상기 양극 단자는 상기 양극 활물질(8)이 코팅된 부분에 연결된다.After the cathode active material 8 is coated, an air diffusion layer (ADL) 10 is laminated. In the step of connecting the cathode terminal to the metal foam 2 coated with the cathode active material 8, The positive electrode terminal is connected to the portion coated with the positive electrode active material (8).

단면을 확인해보면, 중앙에 전지의 지지체로서 음극 집전체인 메탈폼(2), 그 표면에 음극 활물질(4)인 리튬 금속, 고체 전해질(6), 양극 활물질(8)인 탄소 재료가 순차적으로 다중 적층됨으로써 코팅이 이루어진 것을 확인할 수 있다.A carbon material which is a lithium metal, a solid electrolyte 6, and a cathode active material 8, which is a negative electrode active material 4, is sequentially formed on the surface of the metal foil 2 as a negative electrode current collector as a support of a battery in the center, It can be confirmed that the coating is performed by multi-layering.

상기와 같은 제조 방법으로 제작된 리튬-공기 전지 지지체는 전지를 경량화하고 전지의 제조 공정과 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다. The lithium-air cell support produced by the above-described production method has the effect of reducing the weight of the battery and simplifying the manufacturing process and structure of the battery.

또한, 상기 양극 활물질(8)이 코팅된 상기 메탈폼(2)에는 양극 단자를 연결할 수 있고, 다공성 탄소 재료를 사용하는 양극이 다공성인 메탈폼의 표면에 코팅된 형태이므로 양극의 공기 노출이 극대화되어 다공성 효과를 이중으로 확보할 수 있는 효과가 있다.The positive electrode terminal can be connected to the metal foam 2 coated with the positive electrode active material 8, and the positive electrode using the porous carbon material is coated on the surface of the porous metal foam, so that the air exposure of the positive electrode is maximized So that the effect of porosity can be secured.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical and exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

2 : 메탈폼(metal foam)
4 : 음극 활물질
6 : 전해질
8 : 양극 활물질
10 : 공기확산층(Air Diffusion Layer, ADL)2: metal foam
4: anode active material
6: electrolyte
8: cathode active material
10: Air Diffusion Layer (ADL)

Claims (3)

리튬-공기 전지 지지체의 제조 방법에 있어서,
메탈폼에 음극 활물질이 코팅되는 단계;
상기 음극 활물질이 코팅된 상기 메탈폼에 고체 전해질이 코팅되는 단계;
상기 고체 전해질이 코팅된 상기 메탈폼에 양극 활물질이 코팅되는 단계;
를 포함하고,
상기 메탈폼은 전기전도성이 있는 다공성 물질로, 전체 부피 대비 60% ~ 99%의 기공률을 갖고,
상기 양극 활물질은 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 어느 하나이거나 이를 이용한 탄소 복합체이며,
상기 메탈폼에 음극 활물질이 코팅되는 단계에서 상기 음극 활물질은 리튬으로 상기 메탈폼의 면적 대비 50% ~ 98% 로 코팅되는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체의 제조 방법.In a method for producing a lithium-air cell support,
Coating a negative electrode active material on the metal foam;
Coating a solid electrolyte on the metal foam coated with the negative electrode active material;
Coating the cathode active material with the solid electrolyte coated metal foil;
Lt; / RTI >
The metal foam is an electrically conductive porous material having a porosity of 60% to 99% of the total volume,
Wherein the cathode active material is any one of activated carbon, graphene, carbon nanofiber, carbon black, and reduced graphene oxide, or a carbon composite material using the same,
Wherein the negative electrode active material is coated with lithium in an amount of 50% to 98% of the area of the metal foam in the step of coating the negative electrode active material on the metal foam. 제1항에 있어서,
상기 메탈폼은 니켈, 철, 니켈 합금, 철 합금 중 어느 하나 이상이 사용되어 제작되는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the metal foam is manufactured using at least one of nickel, iron, nickel alloy, and iron alloy. 제1항에 있어서,
상기 음극 활물질이 코팅된 상기 메탈폼에 고체 전해질이 코팅되는 단계에서 상기 고체 전해질은 상기 음극 활물질이 외부와 완전 차단되도록 코팅되는 것을 특징으로 하는 메탈폼을 이용한 리튬-공기 전지 지지체의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solid electrolyte is coated so that the negative active material is completely shielded from the outside when the solid electrolyte is coated on the metal foil coated with the negative active material.
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