KR20190139586A - 리튬-공기 전지용 전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 의한 리튬-공기 전지용 전극은 탄소 나노 튜브; 및 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되는 RuO2를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

리튬-공기 전지용 전극 및 이의 제조 방법{ELECTRODE FOR LITHIUM-AIR BATTERY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 리튬-공기 전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬-공기 전지에 관한 것이다.
재충전 가능한 리튬-공기(Li-O2) 전지는 이론적인 에너지 밀도가 리튬-이온 전지보다 훨씬 높아 장거리 전기 자동차를 지원할 전기 에너지 저장 시스템에서 유망한 기술로 주목 받고 있다.
일반적으로 리튬-공기 전지의 전극은 탄소와 고분자 바인더를 포함한다. 그런데, 리튬-공기 전지의 탄소 및 고분자 바인더는 충방전 과정에서 원하지 않는 기생 분해 반응을 일으키며, 그 결과 전지의 성능이 열화되는 문제점이 있다.
이에 따라, 기생 반응에 대해 탄소를 안정화시키면서 전기 화학적 Li2O2 분해에 대한 활성을 강화시키기 위한 몇 가지 노력이 있어 왔다. 예를 들어, 원자층 증착(ALD) 공정을 사용하여 탄소또는 카본 블랙 분말(Super P Li)의 표면을 Al2O3 코팅하여 표면 결함을 패시베이션하였다. 이어서, 충전 성능을 향상시키기 위해, ALD 공정을 통해 Al2O3로 표면 개질된 탄소 분말에 Pd 나노 촉매를 증착시켰다.
이와 같은 탄소의 표면 공학 전략은 리튬-공기(Li-O2) 전지의 순환 가능성을 향상시키는 데 효과적임이 증명된바 있다. 그러나, 2번의 ALD 공정이 산화물 및 귀금속을 개별적으로 증착하기 위해 사용된다는 점에서 절차가 복잡하고 시간 소모적이다.
나아가, 탄소가 안정화되어 있더라도, 리튬-공기(Li-O2) 전지용 음극(또는 양극)은 Li2O2가 존재하는 경우 분해되기 쉬운 고분자 바인더를 포함하고 있다. 예를 들어, PVdF(polyvinylidene fluoride)가 분해되어 LiF 및 Li2CO3가 형성되고, 그에 따라 전극이 패시베이션 될 수 있다.
따라서, 전술한 문제점들을 개선할 리튬 공기 전지용 전극에 대한 새로운 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 충방전 과정에서 기생 분해 반응을 억제시키는 동시에 방전 생성물의 분해를 촉진시켜 리튬-공기 전지의 성능과 안정성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬-공기 전지용 전극은 탄소 나노 튜브; 및 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되는 RuO2를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면 결함 부위에 증착되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 RuO2는 입자의 크기가 1.0 ~ 4.0nm인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면 결함 부위에서 탄소 분해를 억제하고, 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 형성되는 Li2O2의 분해를 촉진하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 표면 개질 탄소 전극은 바인더를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 리튬-공기 전지용 전극은 리튬-공기 전지에서 양극인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 RuO2는 ALD(atomic layer deposition)공정으로 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬-공기 전지용 전극 제조 방법은 탄소 나노 튜브의 시트를 형성하는 단계; 및 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 RuO2를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 RuO2를 증착하는 단계는, 상기 탄소 나노 튜브의 표면에서 표면 결함 부위를 포함하는 표면에 상기 RuO2를 증착하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 RuO2는 ALD(atomic layer deposition)공정으로 증착되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브로 시트를 형성하는 단계는 바인더 없이 상기 탄소 나노 튜브로 프리-스탠딩 시트를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 탄소 나노 튜브의 표면에 RuO2이 증착되어 표면 개질됨으로써 충방전 과정에서 기생 분해 반응을 억제시키는 동시에 방전 생성물의 분해를 촉진시켜 우수한 전기 화학적 성능을 가지며, 충전 및 방전 사이클 수명이 증대된 리튬-공기 전지용 전극 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬-공기(Li-O2) 전지용 전극의 제조 방법을 도시한다.
도 2는 ALD 공정 전의 탄소 나노 튜브 및 ALD 공정으로 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브의 결정 구조와 위상을 X-선 회절 분석법(XRD)을 통해 분석한 결과를 도시한다.
도 3은 ALD 공정을 통해 탄소 나노 튜브에 증착된 RuO2 나노 입자의 상세한 형태 및 미세 구조를 촬영한 TEM(transmission electron microscope) 이미지이다.
도 4는 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브를 저배율로 촬영한 TEM 이미지이다.
도 5는 탄소 나노 튜브와 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브를 SEM(scanning Electron Microscope)으로 촬영한 이미지이다.
도 6은 에너지 분산 분광법(EDS) 데이터와 함께 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브(Ncycle)의 단면에 대한 SEM 사진이다.
도 7은 탄소 나노 튜브를 포함하는 탄소 전극 및 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브를 포함하는 표면 개질 탄소 전극의 충방전 프로파일을 도시한다.
도 8은 리튬-공기 전지의 작동 중 반응 생성물을 확인하기 위해 방전 및 충전된 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브를 포함하는 표면 개질 탄소 전극의 ex-situ SEM을 촬영한 이미지이다.
도 9은 방전 및 충전된 표면 개질 탄소 전극(Ncycle=20)에 대한 Li 1s XPS 스펙트럼을 도시한다.
도 10은 방전 및 충전된 표면 개질 탄소 전극(Ncycle=20)에 대한 O 1s XPS 스펙트럼을 도시한다.
도 11은 표면 개질 탄소 전극의 사이클 안정성을 0.5mAh/cm2의 제한된 용량으로 시험한 시험 결과를 나타낸다.
이하에서 본 발명의 기술적 사상을 명확화하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 설명의 편의를 위하여 필요한 경우에는 장치와 방법을 함께 서술하도록 한다.
본 발명은 억제제-촉진제로서 이중 작용하는 RuO2가 ALD 공정에 의해 표면에 증착되어 표면 개질된 탄소 나노 튜브를 포함하는 표면 개질 탄소 전극을 충전식 리튬-공기(Li-O2) 전지용 전극으로 제공한다. 즉, 상기 표면 개질 탄소 전극은 RuO2가 표면에 증착되어 표면 개질된 탄소 나노 튜브를 포함한다. 상기 표면 개질 탄소 전극은 바인더를 포함하지 않을 수 있다. 상기 표면 개질 탄소 전극은 탄소 나노 튜브가 판상으로 배열되어 형성될 수 있다. 상기 표면 개질 탄소 전극은 탄소 나노 튜브가 위사와 경사로 직조되는 직물 형태로 형성될 수 있다. 상기 표면 개질 탄소 전극은 탄소 나노 튜브가 3차원 네트워크를 이루는 망상 구조의 판상으로 형성될 수 있다.
상기 표면 개질 탄소 전극은 충방전 간에 작은 전압 갭(0.9V)을 가지는 우수한 전기 화학적 성능을 나타낸다. 또한, 상기 표면 개질 탄소 전극은 용량 감소 없이 80 사이클 이상의 우수한 충방전 사이클 특성을 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬-공기(Li-O2) 전지용 전극의 제조 방법을 도시한다.
도 1을 참조하면, 리튬-공기 전지용 전극의 제조 방법은 탄소계 물질을 형성하는 단계와 ALD(atomic layer deposition) 공정을 이용하여 상기 탄소계 물질에 금속 산화물을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 리튬-공기 전지용 전극에 사용되는 상기 탄소계 물질은 탄소 나노 튜브일 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브는 바인더를 함유하는 전극에 비해 향상된 안정성을 가질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 탄소 나노 튜브 시트가 진공 여과법을 이용하여 제조될 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브 시트는 바인더를 사용하지 않고, 여과 공정을 통해 프리-스탠딩 시트(free-standing sheet)로 제조될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 탄소 나노 튜브 시트를 제조하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 탈이온수(Deionized water, DI Water) 100ml 및 탄소 나노 튜브 0.1g이 담긴 150ml 비이커를 준비한다. 교반기를 이용하여 상기 탈이온수와 탄소 나노 튜브를 교반시키면서 TritonX 1g을 첨가하고, 초음파 장치를 이용하여 1시간 동안 균질하게 분산시킨다. 얼음조(Ice Bath)를 사용하여 초음파 분산 시 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 작업과 함께 상기 초음파 분산 작업을 2-3회 반복하여 진행한다. 이후에, 탄소 나노 튜브 용액 15ml에 메탄올 200ml를 추가하여 1차 진공여과를 수행하고, 증류수 250ml를 추가하여 2차 진공여과를 수행한다. 진공여과 수행 시, 다공성 멤브레인 필터(Membrance Filter, PVDF Membrane, 0.22 마이크로 기공 크기)를 여과지로 사용할 수 있다. 최종적으로 탄소 나노 튜브 시트의 두께는 대략 26~34μ(micron), 직경은 42mm로 제작될 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브 시트는 70℃에서 12시간 정도 건조되어 원자층 증착 공정에 적용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 리튬-공기 전지용 전극에 사용되는 상기 금속 산화물은 RuO-2일 수 있다. 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착될 수 있다. 상기 RuO2는 탄소 나노 튜브의 표면에 존재하는 표면 결함 부위에 증착될 수 있다. 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되어 탄소 나노 튜브의 억제제-촉진제로서 이중 역할을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 결함 부위에 증착되어 상기 탄소 나노 튜브의 결함 부위에서 주로 진행되는 탄소 분해를 억제하는 억제제의 역할을 할 수 있다.
한편, 상기 탄소 나노 튜브와 같은 탄소계 물질은 리튬-공기 전지에 가장 널리 사용되는 음극(또는 양극) 재료이며, 탄소는 Li2O2와 함께 기생 분해 반응을 일으켜 탄산염 종을 생성한다. 이에 따라, 탄소를 포함하는 음극(또는 양극)은 큰 전압 갭과 열악한 사이클링 성능으로 문제될 수 있다. 또한, 최근 연구에 따르면, 탄소의 표면 구조와 화학적 성질이 리튬-공지 전지의 안정성에 상당한 영향을 미친다는 보고가 있다. 특히, 상기 탄소계 물질은 탄소의 구조적 결함이 있는 경우에 탄소 표면에 존재하는 결함(dangling bonds, kinks, functional groups, etc.)에서 기생 반응이 더 활발하게 일어날 수 있다. 또한, 상기 탄소계 물질은 반복되는 충방전 사이클 과정에서 탄소 분해에 취약한 결함 부위의 수가 증가될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 RuO2는 탄소 나노 튜브의 표면 결함 부위에 증착되어 탄소 나노 튜브의 구조 결함을 패시베이션한다. 따라서, 상기 RuO2는 탄소 나노 튜브의 결함 부위에서 탄소의 분해를 억제하는 억제제의 역할을 하여 기생 반응을 감소시키고 결함 부위의 수를 줄인다.
더불어, 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브에서 Li2O-2의 분해를 촉진시키는 촉진제의 역할을 할 수 있다. 일반적으로 리튬-공기 전지의 전극은 충방전 과정에서 방전 생성물(Li2O2)이 충분히 분해되지 못하여 표면에 축적되고 이것이 리튬 이온과 산소가 전극 표면과 접촉되는 것을 막아서 용량 발현을 하지 못하므로 사이클의 한계를 가지는 것으로 알려져 있다. 상기 RuO2는 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되어 전기 화학적으로 Li2O2의 분해를 촉진하는 촉진제의 역할을 수행하여 전술한 문제점을 개선할 수 있다.
상기 RuO-2는 ALD(atomic layer deposition) 공정에 의해 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착될 수 있다. 상기 RuO-2는 상기 ALD공정에 의해 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되어, 높은 촉매 성능을 유지하면서 Ru의 부하를 감소시킬 수 있다.
상기 ALD 공정은 250℃에서 (1,5-헥사디엔)(I-이소프로필-4-메틸벤젠)((1,5-hexadiene)(I-isopropyl-4-methylbenzene))Ru 복합체와 O2를 교대로 공급하면서 수행될 수 있다. 상기 ALD 공정은, 예를 들어, 온도, 압력, 가스 유량 및 펄스 시간과 같은 증착 조건에 따라 Ru 및/또는 RuO2를 형성하도록 수행될 수 있다. 상기 ALD 공정의 증착 조건은 RuO2가 Li2O2 분해에 대하여 높은 활성도를 나타내는 것을 고려하여, 상기 탄소 나노 튜브 표면에 RuO2가 선택적으로 증착될 수 있도록 결정될 수 있다.
도 2는 ALD 공정 전의 탄소 나노 튜브 및 ALD 공정으로 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브의 결정 구조와 위상을 X-선 회절 분석법(XRD)을 통해 분석한 결과를 도시한다.
도 2를 참조하면, 상기 RuO2가 ALD 공정에 의해 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되었음을 확인할 수 있다. 도 2의 (a)에서는 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브 전극의 X-선 회절(XRD) 패턴이 정방 결정의 루틸(rutile) RuO-2의 위상(공간 17 그룹 P42/mnm, JCPDS No. 43-1027)에 대응되는 특징적인 회절 피크를 나타냄을 확인할 수 있다. 도 2의 (b)에서는 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브 전극에 대한 X선 광전자 분광법(XPS) 데이터가 탄소 나노 튜브의 결합 에너지(BE)가 ~ 284.6eV 인 C 1s 피크 외에도 RuO2의 전형적인 특성인 ~ 280.7eV에서 Ru 3d5/2 피크를 나타냄을 확인할 수 있다.
상기 RuO2의 로딩(또는 입자 크기)은 상기 ALD 공정의 사이클 수를 변화시켜 제어될 수 있다. 한편, 상기 RuO2는 증발 및 열분해 특성을 가지도록 처리된 Ru 전구체에 의해 빠른 속도(짧은 배양주기)로 저온에서 핵을 생성시키고 성장시킬 수 있다.
도 3은 ALD 공정을 통해 탄소 나노 튜브의 표면에 증착된 RuO2 나노 입자의 상세한 형태 및 미세 구조를 촬영한 TEM(transmission electron microscope) 이미지이다. 도 4는 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브를 저배율로 촬영한 TEM 이미지이다.
도 3를 참조하면, 상기 RuO2의 입자 크기는 상기 ALD 공정의 사이클 수가 10에서 20과 40으로 증가되면서 1.3nm에서 2.5nm와 3.4nm로 각각 증가됨을 확인할 수 있다. 즉, 상기 RuO2의 입자 크기는 ALD 공정의 사이클 수를 조절하여 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 상기 RuO2의 입자 크기는 1.0nm ~ 4.0nm일 수 있다.
반면, 도 4를 참조하면, 상기 ALD 공정의 사이클 수가 증가되어 RuO2의 입자가 커지는 동안 입자 수의 밀도는 유사한 것으로 확인할 수 있다. 이에 따르면, 상기 ALD 공정의 전구체인 RuO2가 탄소 나노 튜브의 표면에서 증착되는 부위는 탄소 나노 튜브의 표면 특성에 의해 결정되는 것임을 알 수 있다. 즉, 상기 RuO2는 주로 탄소 나노 튜브의 결함 부위에서 응집되는 것임을 확인할 수 있다.
도 5는 탄소 나노 튜브와 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브를 SEM(scanning Electron Microscope)으로 촬영한 이미지이다. 도 6은 에너지 분산 분광법(EDS) 데이터와 함께 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브(Ncycle)의 단면에 대한 SEM 사진이다.
상기 탄소 나노 튜브는 다공성 구조로 형성되며, 상기 RuO-2 증착된 후에도 다공성 구조를 가질 수 있다. 도 5를 참조하면, 상기 탄소 나노 튜브는 ALD 공정의 사이클 수에 관계 없이 다공성 구조로 형성될 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 상기 탄소 나노 튜브의 미세 구조는 상기 ALD 공정 동안에도 보존될 수 있다. 도 6을 참조하면, RuO-2가 증착된 탄소 나노 튜브는 30μm의 두께를 가지며, Ru 및 O 원소가 두께 방향에 걸쳐 균일하게 분포됨을 확인할 수 있다.
도 7은 탄소 나노 튜브를 포함하는 탄소 전극 및 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브을 포함하는 표면 개질 탄소 전극의 충방전 프로파일을 도시한다. 도 7을 참조하면, ALD 공정 전의 탄소 나노 튜브를 포함하는 탄소 전극과 10, 20, 40의 사이클 수로 ALD 공정이 진행된 탄소 나노 튜브를 포함하는 표면 개질 탄소 전극을 완전 방전시켰을 때, 모두 유사한 단위 면적당 용량(~1.5mAh/cm2 )과 안정적인 전위(~2.7V vs. Li/Li+)를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 반면, 충전-방전 간의 전압 갭은 ALD 공정에 의해 RuO2-가 증착된 탄소 나노 튜브 전극에서 크게 감소함(~1.58V에서 대략 ~0.90V까지 감소)을 확인할 수 있다.
도 8은 리튬-공기 전지의 작동 중 반응 생성물을 확인하기 위해 방전 및 충전된 RuO2가 증착된 탄소 나노 튜브를 포함하는 표면 개질 탄소 전극의 ex-situ SEM을 촬영한 이미지이다. 구체적으로, 2.0V vs. Li/Li+로 방전 후, 차후에 4.35V vs. Li/Li+로 충전하였다. 도 8을 참조하면, 완전히 방전된 전극은 크기가 200~300nm인 토로이드형(toroid-shaped) Li2O2 입자로 덮이는 것을 확인할 수 있다. 재충전 후에는, 방전 생성물인 Li2O2 입자가 완전히 분해되어 전극에서 발견되지 않음을 확인할 수 있다.
도 9은 방전 및 충전된 표면 개질 탄소 전극(Ncycle=20)에 대한 Li 1s XPS 스펙트럼을 도시한다. 도 10은 방전 및 충전된 표면 개질 탄소 전극(Ncycle=20)에 대한 O 1s XPS 스펙트럼을 도시한다. 도 9를 참조하면, 방전된 표면 개질 탄소 전극에 대한 Li 1s XPS 스펙트럼을 통해 Li2O2(BE 54.7eV)가 주 방전 생성물이었음을 확인할 수 있다. Li2CO3 (BE 55.3eV) 종의 작은 흔적은 전해질 분해로부터 나타날 수 있다. 또한, 충전된 표면 개질 탄소 전극에 대한 Li 1s XPS 스펙트럼을 통해 Li2O-2가 충전되는 동안 완전히 분해되어 사라졌음을 확인할 수 있다. 또한, 도 10을 참조하면, 표면 개질 탄소 전극의 스펙트럼에서도 Li2O-2가 전지의 작동 중에 가역적으로 형성되고 분해됨을 확인할 수 있다.
도 11은 표면 개질 탄소 전극의 사이클 안정성을 0.5mAh/cm2의 제한된 용량으로 시험한 시험 결과를 나타낸다. 도 11의 (a)를 참조하면, ALD 공정 전의 탄소 나노 튜브를 포함하는 전극은 방전 용량을 완전히 회복하기 위해 4.5V vs. Li/Li+ 이상으로 충전이 필요함을 확인할 수 있다. 이와 같이 높은 전압이 필요한 것은 탄소 분해 및 전해질 분해의 결과로서 형성된 많은 양의 탄산염 부산물에 기인한 것이다. 나아가, 높은 전압이 전해질 및 전극의 분해를 더욱 가속시킬 수 있다. 반면, RuO2가 증착된 표면 개질 탄소 전극은 충전 종료 시 ~ 4.0V vs. Li/Li+에서 4.0V vs. Li/Li+의 전압을 가짐을 확인할 수 있다.
또한, 도 11의 (b)를 참조하면, RuO2가 증착된 표면 개질 탄소 전극 (Ncycle = 20 및 40)은 80주기 동안 용량 감소의 징후 없이 탁월한 사이클 성능을 나타내지만, 노출된 표면 개질 탄소 전극은 32 사이클 후에 고장이 났음을 확인할 수 있다.
전술한 도 7 내지 도 11의 결과를 통해 ALD 공정에 의해 탄소 나노 튜브의 표면에 증착된 RuO2 나노 입자가 탄소와 Li2O2의 전기 화학적 분해를 촉진할 수 있는 효율적인 촉진제로서 작용하는 것임을 확인할 수 있다. 전술한 RuO2의 나노 입자로 표면 개질된 고 다공성 탄소 나노 튜브로 형성되는 표면 개질 탄소 전극은 전기 차량과 같은 고용량이 요구되는 용도에 적합하다. 예를 들어, 리튬-공기(Li-O2)전지용 음극(또는 양극) 외에도 수퍼 커패시터 등에 응용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 아래와 같다. 아래의 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 예시적으로 보인 것이며, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
1. 바인더가 없는 탄소 나노 튜브의 제조
Triton X-100 (1.0 g)을 계면 활성제로 사용하여 탄소 나노 튜브(직경 15-30 nm 및 길이 15-30μm) 0.1 g을 탈 이온수 100 ml에 분산시킨 후, 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 잘 분산된 탄소 나노 튜브 현탁액을 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)막을 통해 진공 여과하고, 물 및 메탄올로 세척하여 임의의 잔류 계면 활성제를 제거하였다. 생성된 탄소 나노 튜브 시트를 PTFE 막에서 벗겨 내고 진공 상태에서 60℃에서 12 시간 동안 건조시켰다. 얻어진 탄소 나노 튜브 시트의 전형적인 직경, 두께 및 중량은 각각 ~ 3.5 cm, ~ 30μm 및 ~ 1.4 mg / cm2였다.
2. RuO2의 ALD 공정
RuO2의 ALD 공정은 주문형 교대 흐름 반응기를 통해 진행파 모드에서 수행되었다. Ru 원재료는 화학식이 C16H24Ru (Mw = 317.43gmol-1)인 (1,5-헥사디엔) (1- 이소프로필-4-메틸벤젠)Ru이었다. Ru 캐니스터 및 전달 라인은 각각 100℃ 및 110℃에서 가열되었다. Ru 반응물은 20㎤/min의 유량으로 유리 버블러를 통해 공급되었으며, 이는 Ru 반응물에 대한 충분한 증기압을 보장하였다. 산소(20cm3/ min)는 반응 챔버에서 산화제로 공급되었다. Ar 가스를 캐리어(40cm3/min)로 사용 하였다. ALD 공정은 C16H24Ru 공급 (16s) - Ar 퍼지(120s) - O2 공급(10s) - Ar 퍼지 (90s)의 순환 모드에서 400Pa의 작동 압력 하에서 수행되었다.
지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 발명을 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 본질적인 기술사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 형태 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 탄소 나노 튜브; 및
    상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되는 RuO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면 결함 부위에 증착되는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 RuO2는 입자의 크기가 1.0 ~ 4.0nm인 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면 결함 부위에서 탄소 분해를 억제하고, 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 형성되는 Li2O2의 분해를 촉진하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 표면 개질 탄소 전극은 바인더를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리튬-공기 전지용 전극은 리튬-공기 전지에서 양극인 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 RuO2는 ALD(atomic layer deposition)공정으로 증착되는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극.
  8. 탄소 나노 튜브의 시트를 형성하는 단계; 및
    상기 탄소 나노 튜브의 표면에 RuO2를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공지 전지용 전극 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 RuO2를 증착하는 단계는,
    상기 탄소 나노 튜브의 표면에서 표면 결함 부위를 포함하는 표면에 상기 RuO2를 증착하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 RuO2는 ALD(atomic layer deposition)공정으로 증착되는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브로 시트를 형성하는 단계는 바인더 없이 상기 탄소 나노 튜브로 프리-스탠딩 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지용 전극 제조 방법.
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