KR101074949B1 - Method for fabricating carbon-metal composites, method for fabricating electrode using the composites, and electrochemical capacitor and fuel cell having the electrode - Google Patents
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Abstract
탄소-금속 복합재 제조방법, 상기 복합재를 이용한 전극 제조방법, 상기 전극을 구비하는 전기화학 캐패시터 및 연료전지를 제공한다. 상기 탄소-금속 복합재는 다공성 탄소 전구체와 금속 전구체를 혼합하여 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 얻은 후, 상기 탄소-금속 전구체 혼합재료를 탄화하여 얻을 수 있다.It provides a carbon-metal composite manufacturing method, an electrode manufacturing method using the composite, an electrochemical capacitor and a fuel cell having the electrode. The carbon-metal composite may be obtained by mixing a porous carbon precursor and a metal precursor to obtain a carbon-metal precursor mixed material, and then carbonizing the carbon-metal precursor mixed material.
Description
본 발명은 탄소재료와 이를 이용한 전극에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 탄소-금속 복합재와 이를 이용한 전기화학소자의 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon material and an electrode using the same, and more particularly, to a carbon-metal composite and an electrode of an electrochemical device using the same.
화석연료의 가격 상승 및 고갈, 대기 오염과 소음 등의 환경공해 문제를 해결하기 위해, 고출력, 고에너지 밀도를 가지면서도 환경문제를 일으키지 않는 새로운 전기화학 소자에 대한 관심이 집중되고 있다.In order to solve environmental pollution problems such as rising and depletion of fossil fuels, air pollution and noise, attention has been focused on new electrochemical devices having high power and high energy density but not causing environmental problems.
새로운 전기화학 소자로는 휴대 전자장치의 전원으로 주로 사용되는 이차전지, 전기자동차의 동력원 또는 보조 동력원으로 사용되는 연료전지, 및 에너지 저장 매체로서의 전기화학 캐패시터가 있다.New electrochemical devices include secondary batteries mainly used as power sources for portable electronic devices, fuel cells used as power sources or auxiliary power sources for electric vehicles, and electrochemical capacitors as energy storage media.
현재 상용화된 전기화학 소자 특히, 이차전지, 연료전지 또는 전기화학 캐패시터의 전극으로 카본블랙과 같은 탄소입자를 사용하고 있다. 상기 탄소입자는 입자형태로 넓은 표면적을 갖는 대신에 서로 점접촉에 의해 연결되므로, 전극 저항 을 높이는 요인이 되고 있다.Currently, commercially available electrochemical devices, in particular, carbon particles such as carbon black are used as electrodes of secondary batteries, fuel cells, or electrochemical capacitors. The carbon particles are connected to each other by point contact with each other instead of having a large surface area in the form of particles, thereby increasing electrode resistance.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저항이 낮으면서도 넓은 표면적을 구비하는 전극을 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an electrode having a low surface area while having a low resistance.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전해질과의 반응면적이 넓으면서도 저항이 낮은 전극을 포함하는 이차 전지 및 전기화학 캐패시터를 제공함에 있다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a secondary battery and an electrochemical capacitor including an electrode having a low reaction area and a low resistance with an electrolyte.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 연료 또는 공기 투과도가 우수하고 저항이 낮은 전극을 포함하는 연료전지를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell including an electrode having excellent fuel or air permeability and low resistance.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 탄소-금속 복합재 제조방법을 제공한다. 먼저, 다공성 탄소 전구체와 금속 전구체를 혼합하여 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 얻는다. 상기 탄소-금속 전구체 혼합재료를 탄화하여 탄소-금속 복합재를 얻는다.One aspect of the present invention to achieve the above object provides a method for producing a carbon-metal composite. First, a porous carbon precursor and a metal precursor are mixed to obtain a carbon-metal precursor mixed material. The carbon-metal precursor mixed material is carbonized to obtain a carbon-metal composite.
상기 탄소 전구체는 선형 구조체 또는 에어로젤의 형태를 가질 수 있다. 상기 탄소 전구체는 피치(pitch)계, 합성 고분자계, 식물계, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 혼합재료일 수 있다. 상기 금속 전구체는 금속(metal), 금속 산화물(metal oxide), 금속 질화물(metal nitride), 금속 황화물(metal sulfide), 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 염(salt)일 수 있다.The carbon precursor may have the form of a linear structure or an airgel. The carbon precursor may be a pitch system, a synthetic polymer system, a plant system, or a mixed material including at least one of them. The metal precursor may be a metal, a metal oxide, a metal nitride, a metal sulfide, or a salt including at least one of them.
상기 탄화과정 전에 상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 환원제와 반응시키 거나 상기 탄화과정 후에 상기 탄소-금속 복합재를 환원제와 반응시킬 수 있다. 상기 탄소-금속 복합재를 활성화시킬 수 있다.The carbon-metal precursor mixed material may be reacted with a reducing agent before the carbonization process, or the carbon-metal composite may be reacted with a reducing agent after the carbonization process. The carbon-metal composite may be activated.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 전극 제조방법을 제공한다. 먼저, 다공성 탄소 전구체와 금속 전구체를 혼합하여 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 얻는다. 상기 탄소-금속 전구체 혼합재료를 탄화하여 탄소-금속 복합재를 얻는다. 상기 탄소-금속 복합재를 사용하여 전극을 형성한다.Another aspect of the present invention to achieve the above object provides an electrode manufacturing method. First, a porous carbon precursor and a metal precursor are mixed to obtain a carbon-metal precursor mixed material. The carbon-metal precursor mixed material is carbonized to obtain a carbon-metal composite. The carbon-metal composite is used to form the electrode.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 전기화학 캐패시터를 제공한다. 상기 전기화학 캐패시터는 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 전해질을 포함한다. 상기 양극과 상기 음극 중 적어도 하나는 상기 방법으로 제조된 전극일 수 있다.Another aspect of the present invention to achieve the above object provides an electrochemical capacitor. The electrochemical capacitor includes an anode, a cathode, and an electrolyte located between the anode and the cathode. At least one of the anode and the cathode may be an electrode manufactured by the above method.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 산화전극, 환원전극, 상기 전극들 사이에 개재된 이온교환막을 포함한다. 상기 전극들 중 적어도 하나는 상기 방법으로 제조된 전극일 수 있다.Another aspect of the present invention to achieve the above object provides a fuel cell. The fuel cell includes an anode, a cathode, and an ion exchange membrane interposed between the electrodes. At least one of the electrodes may be an electrode manufactured by the above method.
본 발명에 따르면, 탄소-금속 복합재는 다공성 재료인 탄소 전구체 예를 들어, 섬유형, 막대형, 리본형, 튜브형 또는 와이어형의 선형 구조체 또는 에어로젤을 사용하여 형성하여, 점접촉으로 인해 내부 저항이 큰 탄소 입자와는 달리 내부 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 나아가, 상기 금속을 전기화학 소자에서 촉매의 역할을 수행할 수 있는 금속으로 사용할 경우, 반응 사이트를 증가시킬 수 있 다. 이와 더불어서, 탄소 전구체와 금속 전구체를 혼합한 후 탄화하여 탄소-금속 복합재를 형성함으로써, 탄소 지지체의 표면 및 내부에 금속이 물리적 및/또는 화학적으로 결합하여 저항을 더욱 낮출 수 있다.According to the present invention, the carbon-metal composite is formed by using a carbon precursor which is a porous material, for example, a linear structure or airgel of a fibrous, rod, ribbon, tubular or wire type, so that the internal resistance is reduced due to the point contact. Unlike the large carbon particles, there is an advantage to lower the internal resistance. Furthermore, when the metal is used as a metal capable of serving as a catalyst in the electrochemical device, the reaction site may be increased. In addition, by mixing and carbonizing the carbon precursor and the metal precursor to form a carbon-metal composite, the metal may be physically and / or chemically bonded to the surface and the inside of the carbon support to further lower the resistance.
또한, 탄화 과정에서 부피에 대한 표면적의 비율이 크게 향상될 수 있다. 따라서, 상기 탄소-금속 복합재를 이차 전지 또는 전기화학 캐패시터의 전극으로 사용하는 경우에 전해질과의 반응면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있으며, 연료전지의 전극으로 사용하는 경우에는 높은 공극율로 인해 연료 또는 공기의 투과성을 높일 수 있는 장점이 있다.In addition, the ratio of the surface area to volume in the carbonization process can be greatly improved. Therefore, when the carbon-metal composite is used as an electrode of a secondary battery or an electrochemical capacitor, there is an advantage of increasing the reaction area with an electrolyte, and when used as an electrode of a fuel cell, fuel or There is an advantage to increase the air permeability.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. In the figures, where a layer is said to be "on" another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween.
탄소-금속 복합재Carbon-metal composites
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소-금속 복합재 제조방법(S10)을 나타낸 흐름도이다.1 is a flow chart showing a carbon-metal composite manufacturing method (S10) according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 탄소 재료를 사용하여 탄소 전구체를 형성한다(S11).Referring to FIG. 1, a carbon precursor is formed using a carbon material (S11).
상기 탄소 재료는 피치(pitch)계, 합성 고분자계, 식물계, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 혼합재료일 수 있다. 상기 피치계 재료는 석탄, 석유, 중질유 또는 이것들을 분해하여 얻어지는 재료일 수 있고, 상기 합성 고분자계 재료는 페놀수지, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리비닐리덴클로라이드(PVDC), 또는 이들 중 적어도 하나의 변형 재료일 수 있으며, 상기 식물계 재료는 셀룰로오즈, 목재, 톱밥, 펄프, 야자나무, 또는 이들 중 적어도 하나의 변형 재료일 수 있다.The carbon material may be a pitch system, a synthetic polymer system, a plant system, or a mixed material including at least one of them. The pitch-based material may be coal, petroleum, heavy oil or a material obtained by decomposing them, and the synthetic polymer-based material may be phenol resin, polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene chloride (PVDC), or It may be at least one modified material, and the plant-based material may be cellulose, wood, sawdust, pulp, palm trees, or at least one modified material thereof.
상기 탄소 전구체는 다공성 재료로서 섬유형, 막대형, 리본형, 튜브형, 와이어형의 선형 구조체 또는 에어로젤일 수 있다. 상기 선형 구조체는 나노 사이즈의 직경을 가질 수 있다. 이러한 다공성 탄소 전구체는 표면적이 넓고, 후술하는 탄화과정에서 탄화율이 높을 수 있다. 상기 에어로젤 또한 선형 구조체가 서로 연결된 형태로 이루어질 수 있다.The carbon precursor may be a fibrous, rod, ribbon, tubular, wire linear structure or aerogel as the porous material. The linear structure may have a nano size diameter. The porous carbon precursor has a large surface area and may have a high carbonization rate in the carbonization process described later. The airgel may also be formed in a form in which linear structures are connected to each other.
상기 선형 구조체 형태의 탄소 전구체는 방사법 또는 주형(template)법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 방사는 습식 방사(wet spinning), 건식 방사(dry spinning), 용융 방사, 또는 전기방사(electrospinning)일 수 있다. 습식 방사는 상기 탄소 재료를 함유하는 용액을 방사노즐로부터 응고액 중에 압출하여, 화학 반응 또는 탈수 작용 등으로 응고시켜서 섬유 형태로 만드는 방법이다. 건식 방사는 상기 탄소 재료를 함유하는 용액을 방사노즐로부터 공기 또는 불활성 가스 속에 분출시키면서 용매를 증발시켜 섬유를 얻는 방법이다. 용융 방사는 상기 탄소 재료 용융액을 방사노즐로부터 공기 중에 압출하여 냉각고화시켜 섬유를 형성한다. 전기 방사는 방사노즐과 집속체 사이에 전계를 인가한 상태에서, 상기 탄소 재료를 함유 한 용액을 상기 방사노즐을 통해 방사하여 상기 집속체 상에 섬유를 적층함으로써 수행할 수 있다. 상기 집속체는 롤러형태를 가질 수 있으며, 상기 노즐은 실린지 펌프일 수 있다.The carbon precursor in the form of the linear structure may be formed using a spinning method or a template method. The spinning can be wet spinning, dry spinning, melt spinning, or electrospinning. Wet spinning is a method in which a solution containing the carbonaceous material is extruded from a spinning nozzle into a coagulating solution and solidified by a chemical reaction or dehydration to form a fiber. Dry spinning is a method of obtaining fibers by evaporating a solvent while blowing a solution containing the carbonaceous material from the spinning nozzle into air or an inert gas. Melt spinning extrudes the carbon material melt from the spinning nozzle into air to cool and form the fibers. Electrospinning can be carried out by spinning a solution containing the carbon material through the spinning nozzle in a state where an electric field is applied between the spinning nozzle and the focusing body to stack the fibers on the focusing body. The focusing body may have a roller shape, and the nozzle may be a syringe pump.
상기 주형법은 경질 주형(hard template)을 사용하거나 연질 주형(soft template)를 사용하여 탄소 전구체를 형성하는 방법이다. 상기 경질 주형은 다공성 알루미나막일 수 있다. 구체적으로, 다공성 알루미나막의 기공 내에서 화학적 또는 전기적 중합을 통해 섬유 또는 튜브를 중합할 수 있다. 상기 연질 주형은 일차원의 기공을 갖는 물질인MCM(Mobil Composition of Matter)-41, SBA(Santa Barbara)-3 또는 SBA-15일 수 있다.The casting method is a method of forming a carbon precursor using a hard template or a soft template. The hard mold may be a porous alumina membrane. Specifically, the fiber or tube may be polymerized through chemical or electrical polymerization in the pores of the porous alumina membrane. The soft template may be Mobil Composition of Matter (MCM) -41, Santa Barbara (SBA) -3, or SBA-15, which is a material having one-dimensional pores.
상기 탄소 전구체와 금속 전구체를 혼합하여 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 만든다(S12). 상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료 내에서 금속은 이온 상태로 탄소 전구체에 결착되어 있을 수 있다.The carbon precursor and the metal precursor are mixed to form a carbon-metal precursor mixed material (S12). In the carbon-metal precursor mixed material, the metal may be bound to the carbon precursor in an ionic state.
상기 금속 전구체는 금속(metal), 금속 산화물(metal oxide), 금속 질화물(metal nitride), 금속 황화물(metal sulfide), 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 염(salt)일 수 있다. 상기 금속은, 리튬(Li), 철(Fe), 아연(Zn), 코발트(Co), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴 (Mo), 바나듐(V) 또는 이들 중 적어도 하나를 함유하는 합금일 수 있다.The metal precursor may be a metal, a metal oxide, a metal nitride, a metal sulfide, or a salt including at least one of them. The metal is lithium (Li), iron (Fe), zinc (Zn), cobalt (Co), copper (Cu), ruthenium (Ru), iridium (Ir), palladium (Pd), gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), nickel (Ni), sodium (Na), magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), manganese (Mn), molybdenum (Mo), vanadium (V) or these It may be an alloy containing at least one of.
상기 탄소 전구체와 상기 금속 전구체를 혼합하는 것은 상기 탄소 전구체를 유기 용매에 용해 또는 분산시킨 용액에 상기 금속 전구체를 넣어 혼합하거나, 상기 금속 전구체를 유기 용매에 용해 또는 분산시킨 용액에 상기 탄소 전구체를 함침시켜 수행할 수 있다.The mixing of the carbon precursor and the metal precursor may include mixing the metal precursor in a solution in which the carbon precursor is dissolved or dispersed in an organic solvent, or impregnating the carbon precursor in a solution in which the metal precursor is dissolved or dispersed in an organic solvent. Can be done.
상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 탄화하여 탄소-금속 복합재(CxMy)를 제조한다(S13). 상기 탄소-금속 복합재(CxMy) 내에서 탄소 지지체의 표면 또는 내부에 금속이 화학적 및/또는 물리적으로 결합되어 있을 수 있다.Carbonizing the carbon-metal precursor mixture material to prepare a carbon-metal composite (C x M y ) (S13). In the carbon-metal composite (C x M y ), a metal may be chemically and / or physically bonded to the surface or the inside of the carbon support.
상기의 탄화공정은 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 열분해하여 산소, 수소, 질소 등을 빠져나가게 하고, 탄소와 금속이 물리적 및/또는 화학적 결합을 이루도록 한다. 구체적으로, 상기 탄화공정은 상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 불활성 기체 분위기에서 500 ~ 2500℃에서 0.5 ~ 24시간 동안 열처리하는 것일 수 있다. 일 예로서, 상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 탄화하기 위해서는 탄화가 효율적으로 이루어질 수 있는 온도범위인 500 ~ 1000 ℃에서 1 ~ 4시간 동안 열처리할 수 있다. 한편, 상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 흑연화하기 위해서는 2000 ~ 2500℃에 이르기까지 열처리 온도를 높일 수 있다. 상기 불활성 기체는 질소(N2) 또는 아르곤일 수 있다.The carbonization process thermally decomposes the carbon-metal precursor mixture material to escape oxygen, hydrogen, nitrogen, and the like, and causes carbon and metal to form a physical and / or chemical bond. Specifically, the carbonization process may be to heat-treat the carbon-metal precursor mixture material at 500 to 2500 ° C. for 0.5 to 24 hours in an inert gas atmosphere. As an example, in order to carbonize the carbon-metal precursor mixed material, heat treatment may be performed at 500 to 1000 ° C. for 1 to 4 hours, which is a temperature range in which carbonization may be efficiently performed. Meanwhile, in order to graphitize the carbon-metal precursor mixed material, the heat treatment temperature may be increased up to 2000 to 2500 ° C. The inert gas may be nitrogen (N 2 ) or argon.
상기 탄화과정에서 금속의 대부분은 환원되나 일부 환원되지 않은 금속을 환원하기 위해, 상기 탄화과정 전에 상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료를 환원제와 반응시키거나 상기 탄화과정 후에 상기 탄소-금속 복합재(CxMy)를 환원제와 반응시 킬 수 있다. 상기 환원제는 소듐보로하이드라드(Sodium Borohydride, NaBH4), 히드라진(hydrazine, NH2NH2) 등의 무기 환원제, 포름알데히드(formaldehyde), 아세트알데히드(acetaldehyde) 등의 유기 환원제, 수소 기체, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물일 수 있다.In order to reduce most of the metal which is reduced but not partially reduced in the carbonization process, the carbon-metal precursor mixed material is reacted with a reducing agent before the carbonization process or the carbon-metal composite (C x M) after the carbonization process. y ) can be reacted with a reducing agent. The reducing agent is an inorganic reducing agent such as sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (hydrazine, NH 2 NH 2 ), organic reducing agents such as formaldehyde, acetaldehyde, hydrogen gas, or It may be a mixture of two or more of them.
탄소-금속 복합재(CxMy)를 활성화 처리하여 표면적을 더욱 증가시킬 수 있다. 상기 활성화 처리 방법으로는, 수증기, 이산화탄소 등의 산화성 기체를 이용하는 가스활성화법과, 수산화칼슘(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 염화아연(ZnCl3), 인산(H3PO4) 등을 사용하는 약품활성화법 등이 있다.The carbon-metal composite (C x M y ) can be activated to further increase the surface area. Examples of the activation treatment include gas activation using oxidizing gases such as water vapor and carbon dioxide, and chemical activation using calcium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), zinc chloride (ZnCl3), phosphoric acid (H3PO4), and the like. have.
탄소-금속 복합재(CxMy) 내의 탄소(C)와 금속(M)의 비율 즉, x/y은 1 ~ 30 일 수 있다. 이를 위해, 상기 탄소-금속 전구체 혼합 재료 형성 단계(S12)에서 상기 탄소 전구체와 상기 금속 전구체의 혼합비율을 조절할 수 있다. The ratio of carbon (C) and metal (M) in the carbon-metal composite (C x M y ), ie, x / y, may be 1-30. To this end, the mixing ratio of the carbon precursor and the metal precursor may be adjusted in the carbon-metal precursor mixed material forming step (S12).
상기 탄소-금속 복합재(CxMy)는 다공성 재료인 탄소 전구체 예를 들어, 섬유형, 막대형, 리본형, 튜브형 또는 와이어형의 선형 구조체 또는 에어로젤을 사용하여 형성하여, 점접촉으로 인해 내부 저항이 큰 탄소 입자와는 달리 내부 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 나아가, 상기 금속을 전기화학 소자에서 촉매의 역할을 수행할 수 있는 금속으로 사용할 경우, 반응 사이트를 증가시킬 수 있다. 이와 더불어서, 탄소 전구체와 금속 전구체를 혼합한 후 탄화하여 탄소-금속 복합재를 형성함으로써, 탄소 지지체의 표면 및 내부에 금속이 물리적 및/또는 화학적으로 결 합하여 저항을 더욱 낮출 수 있다.The carbon-metal composite (C x M y ) is formed using a carbon precursor that is a porous material, for example, a linear structure or aerogel of a fibrous, rod, ribbon, tubular, or wire type, and due to the point contact Unlike carbon particles with high resistance, there is an advantage that the internal resistance can be lowered. Furthermore, when the metal is used as a metal capable of performing a catalyst in the electrochemical device, the reaction site may be increased. In addition, by mixing and carbonizing the carbon precursor and the metal precursor to form a carbon-metal composite, the metal may be physically and / or chemically bonded to the surface and the inside of the carbon support to further lower the resistance.
또한, 탄화 과정에서 부피에 대한 표면적의 비율이 크게 향상될 수 있다. 따라서, 상기 탄소-금속 복합재(CxMy)를 이차 전지 또는 전기화학 캐패시터의 전극으로 사용하는 경우에 전해질과의 반응면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있으며, 연료전지의 전극으로 사용하는 경우에는 높은 공극율로 인해 연료 또는 공기의 투과성을 높일 수 있는 장점이 있다.In addition, the ratio of the surface area to volume in the carbonization process can be greatly improved. Therefore, when the carbon-metal composite material (C x M y ) is used as an electrode of a secondary battery or an electrochemical capacitor, there is an advantage of increasing the reaction area with an electrolyte, and when used as an electrode of a fuel cell The high porosity has the advantage of increasing the permeability of fuel or air.
탄소-금속 복합재를 사용한 전극 제조Electrode Fabrication Using Carbon-Metal Composites
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소-금속 복합재를 사용한 전극 제조방법을 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an electrode using a carbon-metal composite according to another embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 먼저 탄소-금속 복합재를 제조한다(S10). 상기 탄소-금속 복합재의 제조방법은 도 1을 참조하여 설명한 탄소-금속 복합재의 제조방법과 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to Figure 2, first to prepare a carbon-metal composite (S10). The manufacturing method of the carbon-metal composite may be substantially the same as the manufacturing method of the carbon-metal composite described with reference to FIG. 1.
상기 탄소-금속 복합재를 사용하여 전극을 형성한다(S20).An electrode is formed using the carbon-metal composite (S20).
구체적으로, 상기 탄소-금속 복합재를 분산시킨 슬러리를 만들고, 상기 슬러리를 기판 상에 코팅하여 탄소-금속 복합막을 형성할 수 있다. 상기 슬러리를 기판 상에 코팅하는 것은 스프레이 코팅, 롤 코팅, 스핀 코팅, 스크린 코팅, 잉크젯 프린팅, 와이어 코팅, 오프셋 프린팅, 또는 커튼 코팅법을 사용하여 수행할 수 있다. 그러나, 상기 슬러리를 사용한 탄소-금속 복합막을 형성하는 과정은 경우에 따라서는 생략될 수도 있다.Specifically, a slurry in which the carbon-metal composite is dispersed may be made, and the slurry may be coated on a substrate to form a carbon-metal composite film. Coating the slurry onto a substrate can be carried out using spray coating, roll coating, spin coating, screen coating, inkjet printing, wire coating, offset printing, or curtain coating. However, the process of forming the carbon-metal composite film using the slurry may be omitted in some cases.
상기 슬러리 내에 도전 재료를 첨가할 수 있다. 상기 도전 재료는 카본 블랙(carbon black), 흑연(graphite), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 및 이들 각각의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상일 수 있다. 상기의 도전 재료는 전극 전체에 대하여 0.01 ~ 50 중량%로 함유될 수 있으나, 전극의 특성에 따라 적절히 그 양을 조절할 수 있다.A conductive material can be added to the slurry. The conductive material is at least one selected from the group consisting of carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, graphene, and their respective derivatives. It may be more than a kind. The conductive material may be contained in an amount of 0.01 to 50% by weight based on the entire electrode, but may be appropriately adjusted depending on the characteristics of the electrode.
상기 슬러리 내에 바인더를 첨가할 수 있다. 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드 (Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 폴리비닐알코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리부타디엔 고무 (Polybutadiene Rubber, PBR), 카르복시메틸셀루로오즈 (Carboxy Methyl Cellulose, CMC), 또는 이들 중 어느 하나의 변형(modified) 고분자, 이들 중 둘 이상의 공줍합체 또는 혼합물일 수 있다. 상기 바인더는 전극 전체에 대하여 0.01 ~ 20 중량% 정도인 것이 바람직하나, 전극의 특성에 따라 적절히 그 양을 조절할 수 있다.A binder can be added to the slurry. The binder is polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene) Fluoride, PVDF), Polyvinyl alcohol (PVA), Polybutadiene Rubber (PBR), Carboxy Methyl Cellulose (CMC), or modified polymers of any of these, It may be two or more co-polymers or mixtures of these. The binder is preferably about 0.01 to 20% by weight with respect to the entire electrode, the amount can be appropriately adjusted according to the characteristics of the electrode.
상기 슬러리 내에 기능성 첨가제를 첨가할 수 있다. 상기 기능성 첨가제는 전극의 기계적, 열적, 화학적 안정성을 증가시킬 수 있다. 상기 기능성 첨가제는 안정제, 충전제, 난연제, 조핵제, 활제, 블로킹 방지제(antiblocking agent) 등 일 수 있다. 안정제는 내구력 향상, 고분자의 산화 또는 열화 방지 등의 기능이 있으며, 하이드록시벤조페논계, Ni 페놀레이트, 힌더드 페놀(hindered phenol), 유기아 인산에스테르 등이 있다. 충진제는 강성 향상 기능이 있으며, 탈크(Talc), 세라이트(Cerite), 유리섬유, 압전제, 카본블랙, 탄소나노튜브(CNT) 등이 있다. 난연제는 난연화의 기능이 있으며 할로겐화 유기화합물, Mg/Al 수산화물, 할로겐화 유기화합물, 폴리인산암모늄 등이 있다. 조핵제는 결종핵생성, 고분자 사슬 구속으로 강성과 투명성을 향상하는 기능이 있으며 유기인산 부분금속염, 디벤질리덴 소르비톨(Dibenzylidene sorbitol)유도체 등이 있다. 활제는 성형가공성 향상의 기능이 있으며, 알칸산아미드, 알켄산아미드, 지방산에스테르 등이 있다. 블로킹 방지제는 필름고착방지 기능이 있으며, 미립 실리카 등이 있다.Functional additives may be added to the slurry. The functional additive can increase the mechanical, thermal and chemical stability of the electrode. The functional additive may be a stabilizer, filler, flame retardant, nucleating agent, lubricant, antiblocking agent and the like. Stabilizers have functions such as durability improvement, prevention of oxidation or deterioration of the polymer, and include hydroxybenzophenone series, Ni phenolate, hindered phenol, and organic phosphite esters. Fillers have a stiffness enhancing function, and include talc, cerite, glass fibers, piezoelectrics, carbon black, and carbon nanotubes (CNT). Flame retardants are flame retardant and include halogenated organic compounds, Mg / Al hydroxides, halogenated organic compounds, and ammonium polyphosphate. Nucleating agents have the ability to enhance stiffness and transparency through tuberculosis nucleation and polymer chain restraint, and include organophosphate partial metal salts and dibenzylidene sorbitol derivatives. The lubricant has a function of improving moldability, and includes alkanate amide, alkenate amide, fatty acid ester and the like. The antiblocking agent has a function of preventing film sticking and includes fine silica and the like.
상기 탄소-금속 복합재 또는 상기 탄소-금속 복합막을 광학처리할 수 있다. 그 결과, 전극의 물리적, 화학적 안정성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기 광학처리는 경우에 따라서 생략될 수도 있다. 상기 광학처리는 UV 처리 또는 전자선 처리일 수 있다. 이를 위해, 상기 탄소-금속 복합 재료를 형성할 때, 또는 상기 슬러리 내에 광경화 수지를 첨가할 수 있다. 상기 광경화 수지는 폴리에스테르계, 폴리에테르계, 우레탄계, 에폭시계, 실리콘계, 불소계 등의 반응성 올리고머일 수 있다. 이와 더불어서, 하이드록시 디메틸 아세토페논(hydroxy dimethyl acetophenone), 벤조인, 벤조인 에테르, 벤질, 벤질 케탈, 메틸렌 블루, 사이오닌, 플로레센인 및 에오신 등의 광개시제, 그리고 반응성 희석제, 및 기타 첨가제를 첨가할 수 있다.The carbon-metal composite or the carbon-metal composite film may be optically treated. As a result, the physical and chemical stability of the electrode can be improved. However, the optical treatment may be omitted in some cases. The optical treatment may be UV treatment or electron beam treatment. To this end, a photocurable resin may be added when forming the carbon-metal composite material or in the slurry. The photocurable resin may be a reactive oligomer such as polyester, polyether, urethane, epoxy, silicone, fluorine, or the like. In addition, photoinitiators such as hydroxy dimethyl acetophenone, benzoin, benzoin ether, benzyl, benzyl ketal, methylene blue, cyanine, florescein and eosin, and reactive diluents, and other additives are added. can do.
상기 탄소-금속 복합재 또는 상기 탄소-금속 복합막을 압축하여 전극 매트릭스를 형성할 수 있다. 상기 전극 매트릭스는 압축으로 인해 기계적 강도 및 모듈러스(modulus)가 크게 증가될 수 있다. 압축하는 구체적인 방법은 롤압착법, 프레 스법, 진공성형법, 가열법일 수 있다. The carbon-metal composite or the carbon-metal composite film may be compressed to form an electrode matrix. The electrode matrix can greatly increase mechanical strength and modulus due to compression. Specific methods of compression may be a roll pressing method, a press method, a vacuum molding method, or a heating method.
상기 전극 매트릭스를 연료전지의 전극으로 사용하는 경우에는, 추가적으로 상기 전극 매트릭스 내에 촉매 잉크를 함침시킬 수 있다. 상기 촉매 잉크는 촉매, 이오노머 및 분산용매를 함유할 수 있다. 상기 촉매는 백금 또는 백금 함유 합금일 수 있다. 일 예로서, Pt, Pt/Ru, Pt/Pd, Pt/Au, Pt/Ag, Pt/Ir, Pt/Rh, Pt/Os일 수 있다. 상기 이오노머는 이온전도성 물질로서 측쇄에 공유결합으로 부착되어 있는 고정이온을 포함하는 고분자일 수 있다. 상기 분산용매는 증류수 또는 알코올일 수 있다. 상기 촉매는 담지체 내에 담지된 담지촉매 형태로 추가될 수도 있다. 상기 담지체는 탄소재료일 수 있다.When the electrode matrix is used as an electrode of a fuel cell, the catalyst ink may be further impregnated into the electrode matrix. The catalyst ink may contain a catalyst, ionomer and dispersion solvent. The catalyst may be platinum or a platinum containing alloy. For example, Pt, Pt / Ru, Pt / Pd, Pt / Au, Pt / Ag, Pt / Ir, Pt / Rh, and Pt / Os. The ionomer may be a polymer including a fixed ion covalently attached to the side chain as an ion conductive material. The dispersion solvent may be distilled water or alcohol. The catalyst may be added in the form of a supported catalyst supported in the support. The support may be a carbon material.
전기화학 캐패시터Electrochemical capacitors
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 캐패시터를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing an electrochemical capacitor according to another embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 전기화학 캐패시터는 제1 전극(13), 제2 전극(17), 및 이들 전극들 사이에 개재된 분리막(15)을 포함한다. 상기 제1 전극(13)과 상기 분리막(15) 사이, 및 상기 제2 전극(17)과 상기 분리막(15) 사이에는 전해질 용액이 충전된다. 상기 제1 전극(15)과 상기 제2 전극(17) 중 어느 하나는 음극이고 나머지 하나는 양극이다.Referring to FIG. 3, the electrochemical capacitor includes a
상기 분리막(15)은 절연성의 다공체로서 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌을 함유하는 필름 적층체나 셀룰로오스, 폴리에스테르, 또는 폴리프로필렌을 함유하는 섬유부직포일 수 있다.The
상기 전해질 용액은 수계 또는 비수계일 수 있으나, 캐패시터의 동작전압을 높이기 위해서는 비수계 전해질 용액이 바람직하다. 상기 비수계 전해질 용액은 전해질과 매질을 구비하는데, 상기 전해질은 리튬염, 구리염 또는 암모늄염일 수 있다. 상기 리튬염은 리튬퍼클로로레이트(LiClO4), 리튬테트라플루오르보레이트(LiBF4), 리튬헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬트리플루오르메탄셀포네이트(LiCF3SO3), 리튬헥사플루오르아세네이트(LiAsF6), 또는 리튬트리플루오르메탄설포닐이미드(Li(CF3SO2)2N)일 수 있다. 상기 구리염은 싸이오사이안산 구리(I) (copper (I) thiocyanate), 트리플레이트 구리(II) (copper (II) triflate) 등일 수 있다. 상기 암모늄염은 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4), 트라이에틸모노메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 헥사플루오로포스페이트, N, N-디에틸-N-메틸-N-(2-메톡시에틸)암모늄(DEME)염일 수 있다. 상기 매질는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트. 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 아크릴로니트릴 또는 γ-카프로락톤일 수 있다.The electrolyte solution may be aqueous or non-aqueous, but in order to increase the operating voltage of the capacitor, a non-aqueous electrolyte is preferable. The non-aqueous electrolyte solution includes an electrolyte and a medium, and the electrolyte may be lithium salt, copper salt or ammonium salt. The lithium salt is lithium perchloroate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium trifluoromethane sulphonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium hexafluoroacetate ( LiAsF 6 ), or lithium trifluoromethanesulfonylimide (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N). The copper salt may be copper (I) thiocyanate, triflate copper (II) triflate, or the like. The ammonium salt is tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF 4 ), triethylmonomethylammonium tetrafluoroborate, tetraethylammonium hexafluorophosphate, N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-meth Methoxyethyl) ammonium (DEME) salt. The medium is ethylene carbonate, propylene carbonate. Dimethyl carbonate, methylethyl carbonate, diethyl carbonate, acrylonitrile or γ-caprolactone.
이러한 전기화학 캐패시터는 상기 전극들(15, 17) 사이에 제1 전계가 인가되면 상기 전해질 용액 내의 이온들이 전계를 따라 이동하여 전극 표면에 흡착되어 충전되고, 상기 전극들(15, 17) 사이에 제1 전계와 반대방향의 제2 전계가 인가되면 상기 전극들 표면에 흡착된 이온들이 탈착되어 방전될 수 있다.When the first electric field is applied between the
상기 제1 전극(15)과 상기 제2 전극(17) 중 적어도 하나는 도 2를 참조하여 설명한 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 전극일 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 전극(15)과 상기 제2 전극(17) 모두가 도 2를 참조하여 설명한 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 전극일 수 있다. 다른 예로서, 상기 제1 전극(15)과 상기 제2 전극(17) 중 어느 하나는 도 2를 참조하여 설명한 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 전극이고, 나머지 하나는 RuO2, Ni(OH)2, MnO2, PbO2 등의 금속 산화물일 수 있다.At least one of the
상기 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 전극은 공극율이 커서 부피에 대한 표면적의 비율이 매우 높다. 따라서, 전해질과의 반응면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 탄소의 표면 및 내부에 금속이 결합되어 있어 전극 내부 저항을 줄일 수 있는 장점이 있다.The electrode formed using the carbon-metal composite has a large porosity and a very high ratio of surface area to volume. Therefore, there is an advantage that can increase the reaction area with the electrolyte. In addition, the metal is bonded to the surface and the inside of the carbon has the advantage of reducing the internal resistance of the electrode.
이차 전지Secondary battery
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 도 2를 참조하여 설명한 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 전극인 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 세퍼레이터, 및 전해질을 포함한다.A secondary battery according to another embodiment of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode which is an electrode formed using the carbon-metal composite described with reference to FIG. 2, a separator positioned between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte. Include.
상기 양극 활물질은 상기 리튬이온의 탈삽입(deintercalation-intercalation)이 가능한 LiMO2(여기서, M은 V, Cr, Co 또는 Ni)일 수 있다. 상기 세퍼레이터는 상기 양극과 상기 음극의 물리적인 접촉을 방지하고, 리튬 이온의 이 동을 방지하는 역할을 한다. 상기 세퍼레이터는 마이크로포러스한 구조를 지니며, 폴리올레핀막이나 폴리비닐디플루오라이드(poly vinyl difluoride)막일 수 있다. 상기 전해질은 리튬이온이 이동하기 위한 매개체로서, 리튬염을 포함하는 유기용액 또는 이러한 전해액을 겔화한 형태로 사용될 수 있다.The cathode active material may be LiMO 2 (where M is V, Cr, Co, or Ni) capable of deintercalation-intercalation of the lithium ion. The separator prevents physical contact between the positive electrode and the negative electrode and prevents movement of lithium ions. The separator has a microporous structure and may be a polyolefin film or a poly vinyl difluoride film. The electrolyte may be used as a medium for moving lithium ions, in an organic solution containing a lithium salt, or in a gelled form of such an electrolyte.
상기 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 음극은 공극율이 커서 부피에 대한 표면적의 비율이 매우 높다. 따라서, 리튬이온의 탈삽입(deintercalation-intercalation)에 유리할 수 있다. 또한 탄소의 표면 및 내부에 금속이 결합되어 있어 전극 내부 저항을 줄일 수 있는 장점이 있다.The negative electrode formed using the carbon-metal composite has a large porosity and a very high ratio of surface area to volume. Therefore, it may be advantageous for deintercalation-intercalation of lithium ions. In addition, the metal is bonded to the surface and the inside of the carbon has the advantage of reducing the internal resistance of the electrode.
연료전지Fuel cell
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 연료전지는 제1 전극(23), 제2 전극(27) 및 이들 사이에 위치하는 이온 교환막(25)를 구비한다. 상기 이온 교환막(25)은 나피온막과 같은 고분자 전해질막일 수 있다. 상기 제1 전극(23)과 상기 제2 전극(27) 중 어느 하나는 산화전극이고 나머지 하나는 환원전극이다. Referring to FIG. 4, the fuel cell includes a
상기 제1 전극(23)과 상기 제2 전극(27) 중 산화전극을 통해 연료가 확산되어 유입될 수 있고, 환원전극을 통해 공기가 확산되어 유입될 수 있다. 상기 연료는 수소 또는 액체 연료일 수 있다. 상기 액체 연료는 포름산(formic acid), 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르, 또는 메틸 포르메이트일 수 있다. 상기 연료는 산화전극 내의 촉매 상에서 산화되면서 수소이온과 전자를 생성할 수 있 다. 여기서 생성된 전자는 외부회로를 통해 상기 환원전극으로 이동하면서 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 수소이온은 상기 이온 교환막(15)을 통해 상기 환원전극으로 이동할 수 있다. 상기 공기는 환원전극 내에서 상기 수소이온과 만나 물을 생성할 수 있다.Fuel may be diffused and introduced through an oxide electrode of the
상기 제1 전극(23)과 상기 제2 전극(27) 중 적어도 하나는 도 2를 참조하여 설명한 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 전극일 수 있다. At least one of the
상기 탄소-금속 복합재를 사용하여 형성된 전극은 공극율이 커서 부피에 대한 표면적의 비율이 매우 높다. 높은 공극율은 연료 또는 공기의 투과성을 높일 수 있다. 이와 더불어서, 탄소의 표면 및 내부에 금속이 결합되어 있어 전극 내부 저항을 줄일 수 있는 장점이 있다.The electrode formed using the carbon-metal composite has a large porosity and a very high ratio of surface area to volume. High porosity can increase the permeability of fuel or air. In addition, the metal is bonded to the surface and the inside of the carbon has the advantage of reducing the internal resistance of the electrode.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.
탄소-금속 복합재 제조예들Examples of Carbon-Metal Composites
<제조예 1><Manufacture example 1>
1g의 셀룰로오즈 다이아세테이트를 10g의 아세톤에 녹여 제1 용액을 만들었다. 10g 물에 Ca(SCN)2·4H2O 4g을 녹여 제2 용액을 만들었다. 상기 제1 및 제2 용액들을 교반하면서 섞어주어 균일상의 투명한 제3 용액을 만들었다. 제3 용액을 냉각시켜 젤(gel)상을 만들고, 이를 에탄올에 담가 미반응 이온들을 제거하여, 셀룰로오즈 에어로젤을 제조하였다.1 g of cellulose diacetate was dissolved in 10 g of acetone to form a first solution. 4 g of Ca (SCN) 2 4H 2 O was dissolved in 10 g of water to make a second solution. The first and second solutions were mixed with stirring to form a uniform transparent third solution. The third solution was cooled to form a gel phase, which was immersed in ethanol to remove unreacted ions, thereby preparing a cellulose airgel.
상기 셀룰로오즈 에어로젤 1g을 300mM의 Pt(NH3)4Cl2·H2O 수용액에 담가 백금 이온을 함침시킨 후, 100 mM NaBH4 수용액에 담가 상기 함침된 백금 이온을 환원시켜 셀룰로오즈 에어로젤 - 백금 복합재료를 제조하였다. After the cellulose airgel 1g impregnation the litter platinum ions to Pt (NH 3) 4 Cl 2 · H 2 O aqueous solution of 300mM, then reducing the litter of the impregnating platinum ions into 100 mM NaBH 4 aqueous solution of cellulose airgel-platinum composite material Was prepared.
상기 셀룰로오즈 에어로젤 - 백금 복합재료를 튜브형 가열로에 넣고 질소분위기 하에서 450℃에서 열처리하여, 탄소 에어로젤 - 백금 복합재를 제조하였다.The cellulose airgel-platinum composite material was placed in a tubular heating furnace and heat-treated at 450 ° C. under a nitrogen atmosphere to prepare a carbon airgel-platinum composite.
도 5a는 제조예 1의 과정 중 제조된 셀룰로오즈 에어로젤을 나타낸 SEM 이미지이다. 도 5b은 제조예 1의 과정 중 제조된 셀룰로오즈 에어로젤 - 백금 복합재료를 나타낸 SEM 이미지이다. 도5c은 제조예 1을 통해 제조된 탄소 에어로젤 - 백금 복합재의 SEM 사진이다.FIG. 5A is an SEM image showing cellulose aerogels prepared during the preparation of Example 1. FIG. 5B is an SEM image showing the cellulose aerogel-platinum composite prepared during the preparation of Example 1. FIG. 5C is a SEM photograph of the carbon aerogel-platinum composite prepared through Preparation Example 1. FIG.
도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 셀룰로오즈 에어로젤과 셀룰로오즈 에어로젤 - 백금 복합재료는 나노섬유상을 갖는 것을 알 수 있다. 도 5c에서는 백금 입자의 뭉침 현상을 발견할 수가 없었으며, 이는 표면과 내부에 고르게 분산되어 있는 것을 나타낸다. 탄화가 진행된 후에도 백금 나노 입자는 뭉치지 않고 탄소 표면에 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.5A, 5B and 5C, it can be seen that the cellulose aerogel and the cellulose aerogel-platinum composite have nanofiber phases. In FIG. 5C, the aggregation of platinum particles could not be found, indicating that they were evenly distributed on the surface and inside. Even after the carbonization is progressing, it can be seen that the platinum nanoparticles are uniformly dispersed on the carbon surface without aggregation.
<제조예 2><Manufacture example 2>
셀룰로오즈 에어로젤 - 백금 복합재료를 튜브형 가열로에 넣고 질소분위기 하에서 600℃에서 열처리한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 탄소 에어로젤 - 백금 복합재를 제조하였다.A carbon airgel-platinum composite was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the cellulose aerogel-platinum composite material was placed in a tubular heating furnace and heat-treated at 600 ° C. under a nitrogen atmosphere.
도 6a은 제조예 2를 통해 제조된 탄소 에어로젤 - 백금 복합재의 SEM 이미지이고, 도 6b는 제조예 2를 통해 제조된 탄소 에어로젤 - 백금 복합재의 TEM 이미지이다.6A is a SEM image of the carbon airgel-platinum composite prepared through Preparation Example 2, and FIG. 6B is a TEM image of the carbon airgel-platinum composite prepared through Preparation Example 2. FIG.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 탄소 에어로젤 - 백금 복합재의 각 라인은 셀룰로오즈 에어로젤이 뭉쳐서 탄화되면서 형성되었으며, 그의 표면에 백금 나노입자가 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. 고른 분산성은 복합재료에서 중요한 요소 중에 하나로서, 적은 양으로 최대의 효율을 나타낼 수 있다.6A and 6B, each line of the carbon aerogel-platinum composite is formed by cellulose aerogels agglomerated and carbonized, and it can be seen that platinum nanoparticles are evenly dispersed on the surface thereof. Even dispersibility is one of the important factors in the composite material, which can exhibit maximum efficiency in a small amount.
<제조예 3><Manufacture example 3>
1.5g의 폴리아크릴로나이트릴(PAN)을 10g의 디메틸포름알데히드에 녹였다. 이 용액을 10kV의 전압하에서 실린지 펌프를 통해서 분당 0.2마이크로리터의 속도로 전기방사를 실시하여, PAN 나노 섬유를 제조하였다.1.5 g of polyacrylonitrile (PAN) was dissolved in 10 g of dimethylformaldehyde. This solution was electrospun through a syringe pump at a voltage of 10 kV at a rate of 0.2 microliters per minute to prepare PAN nanofibers.
상기 PAN 나노 섬유10mg을 20mM의 Pt(NH3)4Cl2·H2O 수용액에 담가 백금 이온을 함침시킨 후, 100mM의 NaBH4 수용액에 담가 상기 함침된 백금 이온을 환원시켜 PAN섬유 - 백금 나노 복합재료를 얻었다.10 mg of the PAN nanofibers were immersed in 20 mM Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 H 2 O aqueous solution and then impregnated with platinum ions, followed by dipping in 100 mM NaBH 4 aqueous solution to reduce the impregnated platinum ions. A composite material was obtained.
상기 PAN섬유 - 백금 나노 복합재료를 튜브형 가열로에 넣고 질소분위기 하에서 230℃에서 5시간 제1 열처리하고, 950℃에서 1시간 제2 열처리하여 탄소 섬유-백금 나노 복합재를 얻었다.The PAN fiber-platinum nanocomposite was placed in a tubular heating furnace and subjected to a first heat treatment at 230 ° C. for 5 hours and a second heat treatment at 950 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a carbon fiber-platinum nanocomposite.
도 7a는 제조예 3의 과정 중 얻어진 PAN 나노 섬유를 나타낸 SEM 이미지이고, 도 7b는 제조예 3의 과정 중 얻어진 PAN섬유 - 백금 나노 복합재료의 SEM 이미지이고, 도 7c는 제조예 3을 통해 얻어진 탄소 섬유-백금 나노 복합재의 SEM 이미지이다.7A is an SEM image showing the PAN nanofibers obtained during the preparation of Example 3, FIG. 7B is a SEM image of the PAN fiber-platinum nanocomposites obtained during the preparation of Example 3, and FIG. 7C is obtained through Preparation Example 3. SEM image of carbon fiber-platinum nanocomposite.
도 7a, 도 7b 및 도 7c를 참조하면, PAN섬유 - 백금 나노 복합재료(도 7b)에서 백금 입자는 PAN섬유 표면에 분산되어 있는 것을 볼 수 있다. 또한, 탄소 섬유-백금 나노 복합재(도 7c)에서는 탄화한 후의 경우에도 섬유형태를 유지하고 있으며, 탄소 섬유 표면에 백금입자가 고르게 코팅되어 있는 것을 알 수 있다. 금속 입자의 균일한 분산은 적은 양으로도 큰 효율을 나타낼 수 있다.Referring to Figures 7a, 7b and 7c, it can be seen that the platinum particles in the PAN fiber-platinum nanocomposite material (Fig. 7b) is dispersed on the surface of the PAN fiber. In addition, in the carbon fiber-platinum nanocomposite (FIG. 7C), even after carbonization, the fiber shape is maintained, and the platinum particles are evenly coated on the carbon fiber surface. Uniform dispersion of the metal particles can exhibit great efficiency even in small amounts.
<제조예 4>≪ Preparation Example 4 &
1.5g의 폴리아크릴로나이트릴(PAN)을 10g의 디메틸포름알데히드에 녹였다. 이 용액을 10kV의 전압하에서 실린지 펌프를 통해서 분당 0.2마이크로리터의 속도로 전기방사를 실시하여, PAN 나노 섬유를 제조하였다.1.5 g of polyacrylonitrile (PAN) was dissolved in 10 g of dimethylformaldehyde. This solution was electrospun through a syringe pump at a voltage of 10 kV at a rate of 0.2 microliters per minute to prepare PAN nanofibers.
상기 PAN 나노 섬유10mg을 20mM의 Pt(NH3)4Cl2·H2O 수용액에 담가 백금 이온을 함침시킨 후, 이를 튜브형 가열로에 넣고 질소분위기 하에서 230℃에서 5시간 열처리하고 950℃에서 1시간 열처리하여 탄소 섬유 - 백금 나노 복합재를 제조하였다.10 mg of the PAN nanofibers were immersed in 20 mM Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 H 2 O aqueous solution and impregnated with platinum ions, which were then placed in a tubular heating furnace and heat-treated at 230 ° C. for 5 hours under nitrogen atmosphere, and then at 1 at 950 ° C. Carbon fiber-platinum nanocomposites were prepared by time-treatment.
도 8a는 제조예 4를 통해 얻어진 탄소 섬유 - 백금 나노 복합재를 나타낸 SEM 사진이다. 도 8b는 제조예 4를 통해 얻어진 탄소 섬유 - 백금 나노 복합재의 표면을 나타낸 TEM 사진이다. 도 8c는 제조예 4를 통해 얻어진 탄소 섬유 - 백금 나노 복합재의 단면을 나타낸 TEM 사진이다.8A is a SEM photograph showing the carbon fiber-platinum nanocomposite obtained through Preparation Example 4. FIG. 8B is a TEM photograph showing the surface of the carbon fiber-platinum nanocomposite obtained through Preparation Example 4. FIG. 8C is a TEM photograph showing a cross section of the carbon fiber-platinum nanocomposite obtained through Preparation Example 4. FIG.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하면, 탄소 섬유의 표면에 많은 기공이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 이온상태의 백금이 PAN 섬유 표면과의 반응으로 생성된 것으로, 넓은 표면적을 가지는 탄소 섬유-백금 나노 복합재를 얻을 수 있었다. 또한, 탄소 섬유의 표면 및 탄소 섬유의 내부에도 백금 입자가 고르게 분포하고 있는 것을 알 수 있다.8A, 8B, and 8C, it can be seen that many pores are formed on the surface of the carbon fiber. This is because the ionic platinum is produced by the reaction with the PAN fiber surface, it was possible to obtain a carbon fiber-platinum nanocomposite having a large surface area. In addition, it can be seen that the platinum particles are evenly distributed on the surface of the carbon fiber and the inside of the carbon fiber.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소-금속 복합재 제조방법(S10)을 나타낸 흐름도이다.1 is a flow chart showing a carbon-metal composite manufacturing method (S10) according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소-금속 복합재를 사용한 전극 제조방법을 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an electrode using a carbon-metal composite according to another embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 캐패시터를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing an electrochemical capacitor according to another embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
도 5a는 제조예 1의 과정 중 제조된 셀룰로오즈 에어로젤을 나타낸 SEM 이미지이다. FIG. 5A is an SEM image showing cellulose aerogels prepared during the preparation of Example 1. FIG.
도 5b은 제조예 1의 과정 중 제조된 셀룰로오즈 에어로젤 - 백금 복합재료를 나타낸 SEM 이미지이다. 5B is an SEM image showing the cellulose aerogel-platinum composite prepared during the preparation of Example 1. FIG.
도5c은 제조예 1을 통해 제조된 탄소 에어로젤 - 백금 복합재의 SEM 사진이다.5C is a SEM photograph of the carbon aerogel-platinum composite prepared through Preparation Example 1. FIG.
도 6a은 제조예 2를 통해 제조된 탄소 에어로젤 - 백금 복합재의 SEM 이미지이다.6A is an SEM image of a carbon airgel-platinum composite prepared through Preparation Example 2. FIG.
도 6b는 제조예 2를 통해 제조된 탄소 에어로젤 - 백금 복합재의 TEM 이미지이다.6B is a TEM image of a carbon airgel-platinum composite prepared through Preparation Example 2. FIG.
도 7a는 제조예 3의 과정 중 얻어진 PAN 나노 섬유를 나타낸 SEM 이미지이다.7A is an SEM image showing the PAN nanofibers obtained during the preparation of Example 3. FIG.
도 7b는 제조예 3의 과정 중 얻어진 PAN섬유 - 백금 나노 복합재료의 SEM 이미지이다.7B is an SEM image of the PAN fiber-platinum nanocomposite obtained during the preparation of Preparation Example 3. FIG.
도 7c는 제조예 3을 통해 얻어진 탄소 섬유-백금 나노 복합재의 SEM 이미지이다.7C is an SEM image of the carbon fiber-platinum nanocomposite obtained through Preparation Example 3. FIG.
도 8a는 제조예 4를 통해 얻어진 탄소 섬유 - 백금 나노 복합재를 나타낸 SEM 사진이다.8A is a SEM photograph showing the carbon fiber-platinum nanocomposite obtained through Preparation Example 4. FIG.
도 8b는 제조예 4를 통해 얻어진 탄소 섬유 - 백금 나노 복합재의 표면을 나타낸 TEM 사진이다.8B is a TEM photograph showing the surface of the carbon fiber-platinum nanocomposite obtained through Preparation Example 4. FIG.
도 8c는 제조예 4를 통해 얻어진 탄소 섬유 - 백금 나노 복합재의 단면을 나타낸 TEM 사진이다.8C is a TEM photograph showing a cross section of the carbon fiber-platinum nanocomposite obtained through Preparation Example 4. FIG.
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