특허 개요
본 특허는 금속-공기 이차전지에서 산소 반응이 일어나는 면적을 넓힌 양면 공기전극입니다. 다공성 집전체의 상면과 하면에 전도성 탄소와 불소계 고분자 바인더를 포함한 전극층을 형성하고 진공 열처리하여, 리튬 이온·전자·산소가 함께 접하는 삼상계면(고체·액체·기체 접촉 반응 영역)을 전극 전반으로 확장합니다. 이 구조는 산소 환원·산소 산화 반응과 Li2O2의 생성·분해가 일어나는 경로를 확보하도록 설계되었습니다.
- 핵심 기능
다공성 집전체 양면에 전도성 탄소·불소계 고분자 바인더 슬러리를 도포하고, 진공 분위기에서 열처리해 양면 전극층을 형성합니다. 전지 구동 시 확장된 삼상계면에서 리튬 이온, 전자, 산소의 전달과 반응을 촉진해 방전 생성물의 형성·분해를 유도합니다.
- 차별 강점
기존 리튬-공기 전지는 제한된 삼상계면과 불연속적인 반응물 공급으로 인해 방전 생성물의 형성·성장이 제한될 수 있었습니다. 본 특허는 촉매 또는 전해질 변경에만 의존하지 않고 양면 전극 구조와 진공 열처리 공정으로 반응계면을 확장해 용량, 효율 및 수명특성 개선을 도모하는 점에서 차별화됩니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 리튬-공기 이차전지, 금속-공기 이차전지, 다공성 전극 설계 및 산소 전기화학 반응 제어 분야에 활용 가능하며, 전극 구조·바인더·열처리 조건 최적화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 고에너지 밀도 전기차용 전지, 장주기 에너지저장장치(ESS), 금속-공기 전지용 공기전극 및 관련 소재·셀 제조 분야로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
케첸 블랙·PTFE 기반 양면 전극과 리튬 금속 음극, 분리막, 비수계 전해질을 조립한 리튬-공기 전지에서 방전용량, 초기 에너지효율, 율속특성 및 수명특성을 비교했습니다. 양면 전극은 단면 전극, 두꺼운 단면 전극 및 단면 적층 전극 대비 우수한 특성이 제시되었으나, 대면적 전극과 실제 셀 환경에서의 장기 신뢰성은 제시되지 않았습니다.
- 전극 시료: 케첸 블랙·PTFE 기반 양면 공기전극
- 비교 전극: 단면 전극, 두꺼운 단면 전극, 단면 전극 2개 적층 전극 및 PVDF-HFP 바인더 전극
- 제조·셀 조건: 케첸 블랙:PTFE 85:15, 가스확산층 양면 각 400 um 도포, 170℃·20시간 열처리, TEGDME 내 1M LiCF3SO3 비수계 전해질
현재 성과
양면 전극 B는 단면 전극 A보다 높은 방전용량을 보였으며, 단순히 전극 물질량을 늘린 적층 전극보다도 우수한 결과가 제시되었습니다. 확장된 삼상계면이 방전 생성물의 핵생성과 형성 공간 확보에 기여하도록 설계된 효과입니다.
케첸 블랙·PTFE 양면 전극을 적용한 리튬-공기 전지에서 초기 에너지효율, 율속특성, 수명특성 및 방전 생성물 분포를 비교했습니다. 단면 전극, 두꺼운 단면 전극, 단면 적층 전극 및 PVDF-HFP 바인더를 비교 대상으로 두어 구조와 바인더의 영향을 확인했습니다.
종래 접근은 Li2O2 생성·분해를 위해 고체 촉매, 레독스 매개체 또는 전해질 변형을 적용해 왔습니다. 본 특허는 다공성 집전체 양면에 동일 전극층을 형성하고 진공 열처리하는 방식으로 반응계면 자체를 확장해 산소 반응 경로를 확보하는 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 공기전극 제조 시 양면 코팅 두께, 열처리 및 전극 구조의 공정 재현성 검증
실제 셀 환경에서 장기 충방전 수명, 안전성 및 운전 조건별 성능 검증
전극 제조 공정의 스케일업과 셀 조립 공정 연계를 위한 양산성 검토
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
확장된 삼상계면을 가진 공기전극 및 이의 제조 방법
10-2023-0089574 (2023.07.11)
1020250009688 (2025.01.20)
1029412340000 (2026.03.16)
강용묵, 정휘수, 조선용, 박미희
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단