KR101689856B1 - A method for manufacturing a cathode for a metal-air electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 귀금속으로 코팅된 3차원 입체 구조를 갖는 양극재의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 상기 양극재, 및 상기 양극재를 포함하는 금속 공기 전지에 대한 것이다.
본원 발명에 따른 양극재 제조 방법은 상온/상압 조건에서 전해 도금 방법 및 무전해 도금 방법을 이용하므로 간단한 공정으로 금속-공기 전지의 양극재를 제조할 수 있는 이점이 있으며, 대면적의 필름 형태인 양극재 제조가 가능하다. 또한 본원 발명에 따른 방법에 의해 제조된 양극재는 비표면적이 넓고 금속-공기 전지에 적용했을 때 충전시의 과전압을 효과적으로 낮출 수 있다.
The present invention relates to a method for producing a cathode material having a three-dimensional solid structure coated with a noble metal, the cathode material produced by the method, and a metal air cell including the cathode material.
The method of manufacturing a cathode material according to the present invention has advantages that a cathode material of a metal-air battery can be manufactured by a simple process using an electrolytic plating method and an electroless plating method at room temperature / normal pressure, The anode material can be manufactured. In addition, the cathode material produced by the method according to the present invention has a large specific surface area and can effectively reduce overvoltage upon charging when applied to a metal-air battery.

Description

금속 공기 전지용 양극재 제조 방법{A method for manufacturing a cathode for a metal-air electrochemical cell}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a cathode material for a cathode,

본 발명은 귀금속으로 코팅된 3차원 입체 구조를 갖는 양극재의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 상기 양극재, 및 상기 양극재를 포함하는 금속 공기 전지에 대한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a cathode material having a three-dimensional solid structure coated with a noble metal, the cathode material produced by the method, and a metal air cell including the cathode material.

리튬공기전지는 기존의 리튬이온전지에서 리튬 이온이 전극에 인터칼레이션 (intercalation)을 반복하던 방식에서 벗어나 리튬이온이 외부의 산소와 직접적으로 반응하는 전기화학 프로세스를 갖는다. 리튬공기전지의 양극은 다음 반응 2Li++O2 ↔ Li2O2에 따라서 방전 시에 외부로부터 산소를 공급받아 리튬이온과 반응하여 Li2O2 방전생성물을 생성하는 정반응이 일어나고, 충전 시에 생성된 Li2O2를 분해하여 다시 산소를 발생하고 리튬이온으로 되돌아가는 역반응이 일어나는 산소환원/산소생성 촉매역할을 반복한다. 이 가역반응 과정 동안 전기전도도가 좋지 않은 Li2O2 생성물과 부반응 생성물의 축적으로 인해, 이론적으로 필요한 전압보다 더 큰 과전압(Overpotential)이 요구되어 에너지효율이 떨어지는 문제점이 있다. 리튬공기전극으로 일반적으로 사용되는 탄소전극은 전해질분해 또는 전극자체의 분해로 인해 Li2O2 외에 다른 부반응 생성물 생성을 유도한다. 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 비탄소계열의 재료 중에 산소환원과 산소생성반응의 과전압을 낮추고, 생성되는 Li2O2를 저장할 수 있는 공간이 충분하며 충전 후 생성물의 분해 후에도 원래 상태를 유지할 수 있는 안정적이고 다공성 구조를 갖는 전극재가 필요하다. Lithium air cells have an electrochemical process in which lithium ions are reacted directly with oxygen outside, in a conventional lithium ion battery, away from the way in which lithium ions intercalate to the electrodes. The anode of the lithium air cell is reacted according to the following reaction 2Li + + O 2 ↔ Li 2 O 2 A positive reaction occurs in which oxygen is supplied from the outside at the time of discharging to generate Li 2 O 2 discharge products by reacting with lithium ions, decomposition of Li 2 O 2 formed at the time of charging, and then oxygen is generated again and the reverse reaction Oxygen reductant / oxygen generating catalyst. Due to the accumulation of Li 2 O 2 products and side reaction products with poor electrical conductivity during the reversible reaction process, overpotential is required which is larger than theoretically necessary voltage, resulting in a problem of low energy efficiency. The carbon electrode, which is generally used as a lithium air electrode, induces the production of other side reaction products besides Li 2 O 2 due to electrolyte decomposition or decomposition of the electrode itself. In order to solve the above problem, it is necessary to reduce the overvoltage of the oxygen reduction and oxygen production reaction in the non-carbon type material, to have sufficient space to store the generated Li 2 O 2 , to maintain the original state after the decomposition of the product after charging An electrode material having a stable and porous structure is required.

  탄소재료 외에 귀금속을 이용해 만든 다공성 전극재가 리튬공기전극으로 시도된 예들이 있는데 선행기술문헌 중 Ding Zhu et al., Chem. Comm. vol. 49, 9573-9575 (2013) 에는 다공성 구조를 갖는 니켈폼 (Ni foam) 을 구입하여 팔라듐전구체로 갈바닉치환함으로써 니켈 위에 균일하게 팔라듐을 도금하였고 리튬공기전극으로 적용한 내용이 기술되어 있다. 귀금속 중 팔라듐은 다른 귀금속에 비해 상대적으로 가격이 저렴하면서도 좋은 산소환원촉매재 후보로서 공기전극으로 쓰일 때, 과전압을 줄이는 효과를 보일 것으로 기대된다. In addition to carbon materials, there have been tried examples of porous electrode materials made of noble metals as lithium air electrodes. Ding Zhu et al., Chem. Comm. vol. 49, 9573-9575 (2013), nickel foam having a porous structure was purchased and galvanically substituted with a palladium precursor to uniformly platinum palladium on nickel and applied as a lithium air electrode. Palladium in noble metals is expected to show an effect of reducing overvoltage when used as an air electrode as a candidate for good oxygen reduction catalyst material, while being relatively inexpensive compared to other precious metals.

  팔라듐금속을 원자층증착 (Atomic layer deposition) 방법으로 다공성 탄소기판에 침투시켜 만든 Pd/C 전극을 리튬-공기전지로 테스트한 예가 다음과 같은 문헌에 기술되었다 (Yu Lei et al., Nano Letters, vol 13, 4182-4189 (2013)). 증착된 팔라듐금속의 입자크기는 약 5.5nm의 지름을 가지며 원자층증착의 싸이클 횟수로 입자를 성장시켜 입자크기를 조절할 수 있다.An example of testing a Pd / C electrode made by impregnating a porous carbon substrate with palladium metal by an atomic layer deposition method with a lithium-air cell is described in Yu Lei et al., Nano Letters, vol 13, 4182-4189 (2013)). The particle size of the deposited palladium metal has a diameter of about 5.5 nm and particle size can be controlled by growing the particles at the number of cycles of atomic layer deposition.

  또 다른 선행기술문헌(Ji-Jing Xu et al., Nature communications, vol 4, article number 2438)에는 템플레이트로 사용되는 구형 실리카 (silica sphere)에 팔라듐금속입자를 붙이고 탄소껍질 (carbon shell)을 씌운 후에 안에 있는 실리카를 에칭(etching)하여 제거함으로써 속이 비어있는 다공성 팔라듐/탄소 (Pd/hollow spherical carbon)을 만들었고 이를  리튬-공기전지에 적용하였다.In another prior art document (Ji-Jing Xu et al., Nature communications, vol 4, article number 2438), a palladium metal particle is attached to a spherical silica sphere used as a template and a carbon shell (Pd) / hollow spherical carbon (Pd) / carbon (Pd / carbon) was applied to the lithium-air battery.

  선행기술문헌 중 Si Hyoung Oh et al., Nature. Chemistry, vol. 49, 1004-1010 (2012)에는 귀금속 중 루테늄(ruthenium) 재료를 사용하여 소프트템플레이트방법 중 하나인 액체-크리스탈 템플레이팅 (Liquid-crystal templating)으로 메소포로스(mesoporous)한 납-루테늄 파이로클로 (lead ruthenium pyrochlore)를 만든 보고가 있다. 제조된 납-루테늄 파이로클로는 비표면적 155m2/g, 공극부피 0.18cm3/g를 갖는 메소포로스한 구조를 가지며 리튬-공기 전지의 양극재로서 적용되었다.Among the prior art documents, Si Hyoung Oh et al., Nature. Chemistry, vol. 49, 1004-1010 (2012) discloses a process for preparing mesoporous lead-ruthenium pyrochlore by liquid-crystal templating, which is one of soft template methods, using ruthenium material among noble metals. lead ruthenium pyrochlore). The prepared lead-ruthenium pyrochlore has a mesoporous structure with a specific surface area of 155 m 2 / g and a pore volume of 0.18 cm 3 / g and is applied as a cathode material of a lithium-air battery.

  이에 본 발명자들은 간단한 전기 화학 장치를 사용하여 상온, 상압에서 전기화학적 환원법으로 나노 크기의 3차원 다공성 금속 구조체를 만들고 그 위에 갈바닉치환방법으로 귀금속을 부분 치환하여 제조된 3차원 다공성 금속 구조체 전극을 개발하여 리튬 공기 전극으로 이용하여 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have developed a three-dimensional porous metal structure electrode made by making a nano-sized three-dimensional porous metal structure by an electrochemical reduction method at room temperature and normal pressure using a simple electrochemical device and partially replacing a noble metal by a galvanic replacement method And thus the present invention has been completed.

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Ding Zhu et al., Chem. Commun., vol. 49, 9573-9575 (2013)Ding Zhu et al., Chem. Commun., Vol. 49, 9573-9575 (2013) Si Hyoung Oh et al., Nature. Chemistry, vol. 49, 1004-1010 (2012)Si Hyoung Oh et al., Nature. Chemistry, vol. 49, 1004-1010 (2012) Yu Lei et al., Nano Letters, vol 13, 4182-4189 (2013)Yu Lei et al., Nano Letters, vol 13, 4182-4189 (2013) Ji-Jing Xu et al., Nature communications, vol 4, article number 2438 (2013)Ji-Jing Xu et al., Nature communications, vol 4, article number 2438 (2013)

본원 발명은 비탄소계 재료를 이용하여 효과적으로 금속 공기 전지의 과전압을 낮출 수 있는 양극재 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본원 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
It is an object of the present invention to provide a cathode material that can effectively reduce the overvoltage of a metal air cell by using a non-carbon material and a method of manufacturing the same. Other objects and advantages of the present invention will be understood by the following description. It is also to be easily understood that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means or method described in the claims, and the combination thereof.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은, 전해 도금 방법에 의해 금속 또는 금속 산화물의 폼(foam) 구조체를 형성하는 단계(S10); 및 상기 (S10) 단계에서 형성된 폼(foam) 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성하는 단계(S20);를 포함한다. 여기에서, 상기 상기 폼(foam) 구조체는 (S10) 단계에서 금속 또는 금속 산화물의 전해 및/또는 증착시 발생되는 수소 기포에 의해 3차원 입체 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. The present invention provides a method of manufacturing a cathode material for a metal air cell. The method comprises the steps of: (S10) forming a foam structure of a metal or metal oxide by an electrolytic plating method; And forming a noble metal reduction layer on the surface of the foam structure formed in the step (S10) (S20). Here, the foam structure is characterized by having a three-dimensional structure by hydrogen bubbles generated during electrolysis and / or deposition of metal or metal oxide in step (S10).

여기에서, 상기 (S10) 단계는 도전성 금속 기질을 준비하는 단계(S11); 및 금속 또는 금속 산화물이 전해됨에 따라서 상기 도전성 금속 기질 상에 금속 또는 금속 산화물이 3차원 형상을 갖는 폼(foam) 구조체의 형태로 전착(電着)되는 단계(S12);를 포함한다. Here, the step (S10) may include preparing a conductive metal substrate (S11); And a step (S12) in which the metal or the metal oxide is electrodeposited in the form of a foam structure having a three-dimensional shape on the conductive metal substrate as the metal or the metal oxide is electrolyzed.

또한, 상기 (S20) 단계는 귀금속 함유 전구체 수용액을 준비하는 단계(S21); 및 상기 (S10) 단계의 폼 구조체를 상기 전구체 수용액에 침지하고 상기 폼 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성하는 단계(S22);를 포함한다. The step (S20) may include a step (S21) of preparing a precious metal-containing precursor aqueous solution; And (S22) dipping the foam structure of the step (S10) in the precursor aqueous solution and forming a noble metal reduction layer on the surface of the foam structure.

여기에서 상기 (S22) 단계는 갈바닉 치환 반응(Galvanic displacement reaction)에 의해 수행될 수 있다. Here, the step (S22) may be performed by a galvanic displacement reaction.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 폼-구조체는 다공질 구조체, 수지상(dendrite) 구조체, 침상 구조체 또는 원추형 구조체일 수 있다. Also, in the present invention, the foam-structure may be a porous structure, a dendrite structure, a needle-shaped structure, or a cone-shaped structure.

본 발명에서, 상기 귀금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 은 (Ag), 루테늄(Ru)에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다. In the present invention, the noble metal may be one or more kinds selected from palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), osmium (Os), silver (Ag) have.

또한, 상기 도전성 금속 기질은 스테인레스 스틸, 백금, 은, 구리, 티타늄, 니켈, 루테늄, 탄소 물질 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. The conductive metal substrate may be selected from the group consisting of stainless steel, platinum, silver, copper, titanium, nickel, ruthenium, carbon materials, and mixtures of two or more thereof.

또한, 상기 (S20)의 상기 금속 또는 금속 산화물은 니켈, 구리, 주석, 납 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 여기에서, 상기 귀금속 환원층의 두께는 20nm 내지 100nm일 수 있다. 또한, 본 발명은 금속 공기 전지용 양극 및 이를 포함하는 금속공기전지를 제공하며, 여기에서, 상기 상기 양극 및 상기 전기화학소자는 전술된 방법에 의해 제조된 양극재를 포함한다.
The metal or metal oxide of (S20) may be at least one selected from the group consisting of nickel, copper, tin, lead, and oxides thereof. Here, the thickness of the noble metal reducing layer may be 20 nm to 100 nm. The present invention also provides a positive electrode for a metal air cell and a metal air cell comprising the positive electrode, wherein the positive electrode and the electrochemical device include a positive electrode material manufactured by the above-described method.

본원 발명에 따른 양극재 제조 방법은 상온/상압 조건에서 전해 도금 방법 및 무 전해 도금 방법을 이용하므로 간단한 공정으로 금속-공기 전지의 양극재를 제조할 수 있는 이점이 있으며, 대면적의 필름 형태인 양극재 제조가 가능하다. 또한 본원 발명에 따른 방법에 의해 제조된 양극재는 비표면적이 넓고 금속-공기 전지에 적용했을 때 충전시의 과전압을 효과적으로 낮출 수 있다.
The method of manufacturing a cathode material according to the present invention has an advantage that a cathode material of a metal-air battery can be manufactured by a simple process using an electrolytic plating method and a non-electrolytic plating method at room temperature / normal pressure, The anode material can be manufactured. In addition, the cathode material produced by the method according to the present invention has a large specific surface area and can effectively reduce overvoltage upon charging when applied to a metal-air battery.

첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 본원 발명에 따른 양극재 제조 방법을 개략적으로 도시한 공정 흐름도이다.
도 2는 금속 폼 구조체를 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 금속 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 니켈 폼 구조체 표면의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 5는 표면에 팔라듐 환원층이 형성된 니켈 폼 구조체의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 6은 표면에 팔라듐 환원층이 형성된 니켈 폼 구조체를 양극재로 사용한 리튬 금속 공기 전지의 충/방전 프로필을 나타낸 그래프이다.
도 7은 표면에 팔라듐 환원층이 형성된 니켈 폼 구조체를 양극재로 사용한 리튬 금속 공기 전지의 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 구리 폼 구조체 표면의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 구리 폼 구조체 표면에 각각 팔라듐, 백금 및 금의 환원층이 형성된 양극재의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 9d 내지 도 9f는 니켈 폼 구조체 구조체 표면에 각각 팔라듐, 백금 및 금의 환원층이 형성된 양극재의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 10은 구리 폼 구조체 표면에 형성된 금 환원층의 TEM 사진이다.
도 11은 금 환원층/구리 폼 구조체 양극재의 EDS 매핑으로 상기 양극재에서 금(붉은색)과 구리(초록색)의 분포를 나타낸다.
도 12는 루테늄/니켈 폼 구조체 양극재의 SEM 사진을 도시한 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this application, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. On the other hand, the shape, size, scale or ratio of the elements in the drawings incorporated herein can be exaggerated to emphasize a clearer description.
1 is a process flow chart schematically showing a method of manufacturing a cathode material according to the present invention.
Figure 2 schematically shows a method of forming a metal foam structure.
3 schematically shows a method of forming a noble metal reduction layer on the surface of a metal structure.
4 is a SEM photograph of the surface of the nickel foam structure.
5 shows an SEM photograph of a nickel foam structure having a palladium reduction layer formed on its surface.
6 is a graph showing a charge / discharge profile of a lithium metal air cell using a nickel foam structure having a palladium reduction layer on its surface as a cathode material.
7 is a graph showing the cycle characteristics of a lithium metal air cell using a nickel foam structure having a palladium reduction layer on its surface as a cathode material.
8 is a SEM photograph of the surface of the copper foam structure.
9A to 9C are SEM photographs of a cathode material having a reduction layer of palladium, platinum and gold formed on the surface of the copper foam structure, respectively.
9D to 9F are SEM photographs of a cathode material having a reduction layer of palladium, platinum and gold formed on the surface of the nickel foam structure structure, respectively.
10 is a TEM photograph of the gold reducing layer formed on the surface of the copper foam structure.
11 shows the distribution of gold (red) and copper (green) in the cathode material by EDS mapping of the anode material of the gold reducing layer / copper foam structure.
12 shows a SEM photograph of a cathode material of a ruthenium / nickel foam structure.

본원 명세서에 있어서, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어의 개념을 적절하게 정의할 수 있으며, 상기 용어 또는 단어는 발명의 사상에 부합하도록 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 구체적인 일 실시형태로 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니다. 따라서, 본원 발명의 출원시점에 있어서 본원 발명의 목적 범위 내에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
In this specification, the terms or words used in the specification and claims are to be defined appropriately in order to explain the invention in its best mode, and such terms or words should be construed in accordance with the spirit of the invention . In addition, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings do not represent all the technical ideas of the present invention in a specific embodiment of the present invention. Accordingly, at the time of filing of the present invention, there may be various equivalents and modifications that may be substituted for within the scope of the present invention.

본 발명은 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법에 관한 것으로서, 전해 도금 방법에 의해 금속 또는 금속 산화물의 폼(foam) 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 폼 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a cathode material for a metal air cell, comprising the steps of: forming a metal or metal oxide foam structure by electrolytic plating; And forming a noble metal reduction layer on the surface of the foam structure.

본원 발명의 금속-공기 전지 양극재 제조 방법은 전해 도금 방법 및 무 전해 도금 방법을 이용하고 상온 및 상압의 마일드한 공정 조건에서 수행되므로 간단한 공정으로 금속-공기 전지의 양극재를 제조할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 방법에 의해 필름 형태인 대면적 양극재 제조가 가능하다. 또한, 본원 발명에 따른 방법에 의해 제조된 양극재는 비표면적이 넓고 금속-공기 전지에 적용했을 때 충전시의 과전압을 효과적으로 낮출 수 있다.
Since the method of manufacturing the metal-air battery cathode material of the present invention is carried out under mild process conditions at room temperature and atmospheric pressure using the electrolytic plating method and the electroless plating method, the advantage of manufacturing the cathode material of the metal- . Also, it is possible to manufacture a large-area cathode material in the form of a film by the above method. In addition, the cathode material produced by the method according to the present invention has a large specific surface area and can effectively reduce the overvoltage upon charging when applied to a metal-air battery.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본원 발명의 양극재 제조 방법을 공정 순서에 따라 개략적으로 도시한 공정 흐름도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 금속 공기 전지용 양극재 제조 방법은 먼저 전해 도금 방법에 의해 금속의 폼(foam) 구조체를 형성한다(S10). 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 (S10) 단계는 세부적으로 전해 도금을 위한 전기화학 셀을 준비하는 단계 (S11) 및 금속 또는 금속 산화물이 전해질 내에서 전해되어 3차원 입체 형상을 갖는 폼(foam) 구조체의 형태로 상기 전기 화학 셀의 음극 표면에 전착되는 단계(S12)를 통하여 수행될 수 있다. 1 is a process flow chart schematically showing a method of manufacturing a cathode material according to the present invention in accordance with a process sequence. As shown in FIG. 1, in the method of manufacturing a cathode material for a metal air battery according to the present invention, a metal foam structure is formed by an electrolytic plating method (S10). According to an embodiment of the present invention, the step (S10) includes the steps of preparing an electrochemical cell for electrolytic plating in detail (S11), and a step (S11) of electrolyzing the metal or metal oxide in the electrolyte to form a three- (S12) electrodeposited on the cathode surface of the electrochemical cell in the form of a foam structure.

본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 전기 화학 셀은 작동 전극, 반대 전극 및 전해액을 포함하여 구성되며, 별도로 참조 전극을 포함할 수 있다. 도 2는 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전기 화학 셀 및 이를 이용한 폼 구조체 형성 방법을 개략적으로 나타낸 것이다. According to a specific embodiment of the present invention, the electrochemical cell includes a working electrode, an opposite electrode, and an electrolytic solution, and may separately include a reference electrode. 2 schematically shows an electrochemical cell and a method of forming a foam structure using the same according to a specific embodiment of the present invention.

상기 작동 전극은 전해되는 금속 또는 금속 산화물이 전착되는 기재로 사용되는 것이다. 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 작동 전극은 스테인레스 스틸, 백금, 은, 구리, 금, 티타늄, 니켈, 루테늄 등과 같은 도전성 금속이 포함될 수 있다. 또는 상기 작동전극으로 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브, 풀러린(fullerene), 탄소 섬유 등과 같은 탄소재가 사용될 수 있다. 또한, 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 작동 전극으로 실리콘, 폴리이미드 필름과 같은 신축성이 있는 물질이나, 유리 등을 사용할 수 있으며, 이 경우에는 접착력을 높이기 위해 추가적으로 티타늄, 크롬 등의 점착제를 도포할 수 있다. The working electrode is used as a substrate to which an electrolytic metal or metal oxide is electrodeposited. In one specific embodiment of the present invention, the working electrode may include a conductive metal such as stainless steel, platinum, silver, copper, gold, titanium, nickel, ruthenium and the like. Alternatively, a carbon material such as graphite, carbon nanotube, fullerene, carbon fiber, or the like may be used as the working electrode. According to a specific embodiment of the present invention, a flexible material such as silicon or polyimide film, glass, or the like may be used as the working electrode. In this case, an adhesive such as titanium or chrome may be additionally added Can be applied.

상기 전해액은 금속 공기 전지의 양극재로 사용할 수 있는 금속을 수용액 중 용해시켜 금속 전구체 수용액 형태로 준비될 수 있다. 상기 양극재용 금속은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구리, 니켈, 루테늄, 망간, 코발트, 주석, 납, 금, 팔라튬, 백금, 은 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 합금일 수 있다. The electrolyte solution may be prepared in the form of a metal precursor aqueous solution by dissolving a metal that can be used as a cathode material of a metal air cell in an aqueous solution. The metal for the cathode material is not particularly limited and may be copper, nickel, ruthenium, manganese, cobalt, tin, lead, gold, palladium, platinum, silver or an alloy containing two or more of them.

전술한 바와 같이 전기화학셀이 준비되면 상기 전기 화학셀에 일정 전류를 인가한다. 전해액 중에서 금속은 표면이 마이너스로 하전되어 있기 때문에 콜로이드 상태를 유지할 수 있고, 수용액 중 수소이온(H+)이 콜로이드 상태의 금속입자 표면을 에워싸 전기 이중층이 형성된다. 이때 전원을 인가하여 전해액을 전기분해 하면, 전기영동현상에 의해 금속 입자 즉, 니켈이나 구리와 같은 금속 입자가 작동 전극 상에 전착된다. When the electrochemical cell is prepared as described above, a constant current is applied to the electrochemical cell. Since the surface of the metal in the electrolytic solution is negatively charged, the colloid state can be maintained, and the hydrogen ion (H + ) in the aqueous solution surrounds the surface of the metal particle in the colloidal state to form an electric double layer. At this time, when the electrolytic solution is electrolyzed by applying power, metallic particles such as nickel or copper are electrodeposited on the working electrode by electrophoresis.

상기 작동 전극상에 전착된 금속은 전해 도금시에 동시에 발생되는 수소(gas) 기포로 인하여 금속입자 내부 또는 표면에 기공이 형성되는 3차원적 입체 형상을 갖는다. 상기 수소 기포는 작동 전극 상의 음극반응으로부터 발생되고, 상기 금속의 전착이 진행되는 동안 계속 발생된다. 따라서, 수소 기포가 존재하는 구역은 금속 이온이 존재하기 어렵기 때문에 금속 이온은 수소 기포가 존재하지 않는 구역을 따라 환원되며 수소 기포에 의해 금속 전착이 이루어지지 않는 구역은 빈 공간으로 남게 된다. 이에 따라 상기 폼 구조체는 표면과 몸체 내부에 기공이 존재하는 다공 특성을 갖는다. 또한, 상기 폼 구조체는 형성되는 3차원 입체 형상에 따라 다공성의 수지상(dendrite) 구조체이거나, 다공성의 침상 구조체, 다공성의 돌기형 구조체 또는 다공성의 원추형 구조체일 수 있다. 상기 구조체의 구체적인 형상은 전해액에 함유된 금속 성분에 따라 달라질 수 있다. The metal electrodeposited on the working electrode has a three-dimensional solid shape in which pores are formed inside or on the surface of the metal particle due to hydrogen gas bubbles generated at the same time during electrolytic plating. The hydrogen bubbles are generated from the negative electrode reaction on the working electrode and continue to occur during the electrodeposition of the metal. Therefore, the metal ion is reduced along the region where the hydrogen bubble is not present, and the region where the metal electrodeposition is not caused by the hydrogen bubble remains as an empty space. Accordingly, the foam structure has porous properties in which pores exist in the surface and inside of the body. Also, the foam structure may be a porous dendrite structure, a porous needle-shaped structure, a porous protrusion-type structure, or a porous conical structure depending on the three-dimensional solid shape to be formed. The specific shape of the structure may vary depending on the metal component contained in the electrolytic solution.

상기 기공은 전해액에 함유된 금속물질의 종류, 상기 금속물질의 농도 등에 따라 다양하게 형성시킬 수 있으므로, 상기 기공의 크기는 수십 나노에서 수십 마이크로 크기까지 형성시킬 수 있다. 본원 발명에 따른 조건에서의 폼 구조체에서의 상기 기공의 직경은 약 1 ㎛ ~ 100 ㎛, 바람직하게는 약 10 ㎛ ~ 80 ㎛이다. 또한 폼 구조체를 이루는 금속의 각 입자는 구형으로 직경이 500nm ~ 10mm, 바람직하게는 1mm 내지 3mm 이다. Since the pores can be formed variously according to the type of the metal material contained in the electrolyte solution, the concentration of the metal material, and the like, the size of the pores can be from several tens nanometers to tens of microseconds. The diameter of the pores in the foam structure under the conditions according to the present invention is from about 1 탆 to 100 탆, preferably from about 10 탆 to 80 탆. Further, each particle of the metal forming the foam structure is spherical and has a diameter of 500 nm to 10 mm, preferably 1 mm to 3 mm.

상기 폼 구조체의 기공은 환원된 수소(gas)의 버블 크기에 따라 결정되는데, 이는 인가되는 전류, 전해질 중 금속 전구체의 농도, pH 및/또는 전류 인가 시간, 금속판과 도전성 기질 사이의 이격 거리 등에 따라 달라질 수 있다. The pores of the foam structure are determined according to the bubble size of the reduced hydrogen depending on the applied current, the concentration of the metal precursor in the electrolyte, the pH and / or current application time, the distance between the metal plate and the conductive substrate, It can be different.

또한 폼 구조체를 이루는 금속의 각 입자의 크기는 금속 종류와 pH 및/또는 전류 인가 시간 등에 따라 달라질 수 있다.
In addition, the size of each particle of the metal forming the foam structure may vary depending on the kind of metal, pH, and / or current application time.

도 2는 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 폼 구조체 형성 방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2를 참조하여 니켈 폼 구조체 형성 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 우선, 전해질로 니켈 전구체 수용액을 준비한다. 다음으로 작동 전극으로 스테인레스 스틸 메쉬 (Stainless steel mesh)를 음극(작동전극; Working electrode)으로 설치하고, 반대 전극(counter electrode)으로 사용되는 니켈 금속 금속 플레이트를 스테인레스 스틸 메쉬 양쪽에 마주보도록 설치하여 전기화학셀을 준비한다. 일정전위기(potentiostat)를 상기 전기화학셀을 연결하고 니켈 전구체 수용액에 담겨진 스테인레스 스틸 메쉬에 환원전류를 인가하면 수소 가스 발생과 함께 니켈 양이온이 환원되어 상기 작동 전극 표면에 니켈이 폼 구조체의 형태로 전착된다.2 schematically shows a method of forming a foam structure according to a specific embodiment of the present invention. A method for forming a nickel foam structure will be described in detail with reference to FIG. First, an aqueous nickel precursor solution is prepared from an electrolyte. Next, a stainless steel mesh was used as a working electrode as a working electrode, and a nickel metal metal plate used as a counter electrode was installed on both sides of the stainless steel mesh so as to be electrically Prepare a chemical cell. When a reducing current is applied to a stainless steel mesh connected to the electrochemical cell by connecting a potentiostat to the electrochemical cell, nickel cations are reduced together with the generation of hydrogen gas, and nickel is formed on the surface of the working electrode in the form of a foam structure And electrodeposited.

도 4는 본원 발명의 구체적인 일 실시예에 따라 형성된 니켈 폼 구조체의 SEM 이미지이고, 도 8은 구리 폼 구조체의 SEM 이미지를 도시한 것으로서, 기공 구조를 갖는 3차원 입체 형상으로 형성된 것을 확인할 수 있다.
FIG. 4 is an SEM image of a nickel foam structure formed according to one embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an SEM image of a copper foam structure, and it is confirmed that the SEM image is formed into a three-dimensional shape having a pore structure.

다음으로 전술한 단계에서 형성된 폼(foam) 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성한다(S20). 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 (S20)은 세부적으로는 귀금속 함유 전구체 수용액을 준비하는 단계(S21) 및 상기 (S10) 단계에서 형성된 폼(foam) 구조체를 상기 전구체 수용액에 침지하고 상기 폼 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성하는 단계(S22)에 의해 수행될 수 있다. 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 (S22) 단계는 갈바닉 치환 반응에 의해 수행될 수 있다. Next, a noble metal reduction layer is formed on the surface of the foam structure formed in the above-described step (S20). According to a specific embodiment of the present invention, the step (S20) comprises a step (S21) of preparing a precious metal-containing precursor aqueous solution and a step of immersing the foam structure formed in the step (S10) And forming a noble metal reduction layer on the surface of the structure (S22). According to a specific embodiment of the present invention, the step (S22) may be performed by a galvanic substitution reaction.

본원 발명에 있어서 상기 귀금속은 특별히 한정되는 것은 아니나, 팔라듐, 백금, 금, 이리듐, 은, 오스뮴, 루테늄 등인 것이다. In the present invention, the noble metal is not particularly limited, but palladium, platinum, gold, iridium, silver, osmium, ruthenium and the like are used.

도 3은 귀금속 환원층 팔라듐 금속을 이용한 갈바닉 치환 반응을 개략적으로 도시한 것이다. 상기 귀금속 함유 전구체 수용액은 귀금속의 염화물을 산 용액에 용해하여 제조할 수 있다. 예를 들어 팔라듐의 환원층을 형성하는 경우에는 염화 팔라듐을 염산 용액에 녹여 음이온을 띠는 팔라듐 전구체인 음이온성 사염화 팔라듐을 제조한다. FIG. 3 schematically shows a galvanic substitution reaction using a noble metal reduction layer palladium metal. The aqueous solution of the noble metal-containing precursor may be prepared by dissolving a chloride of a noble metal in an acid solution. For example, when a reducing layer of palladium is formed, palladium chloride is dissolved in a hydrochloric acid solution to prepare an anionic palladium tetrachloride, which is a palladium precursor having anions.

다음으로 상기 전구체 수용액에 전술한 단계에서 형성된 금속 폼(foam) 구조체를 침지시키고 갈바닉 치환 반응을 유도한다. 전구체 수용액에 침지된 폼 구조체는 표면의 금속이 양이온으로 산화되는 동시에 전구체 수용액 중의 귀금속 음이온, 예를 들어 팔라듐 음이온은 산화에 의해 유리된 전자를 받아 환원되어 금속 폼 구조체의 표면에 침적된다. 이와 같은 갈바닉 치환 반응에 의해 금속 폼 구조체 표면의 산화와 귀금속 환원이 동시에 진행되면서 금속 폼 구조체를 템플레이트로 하여 이의 표면에 귀금속이 환원 및 침적되어 귀금속 환원층이 형성된다. 예를 들어, 상온 조건에서 니켈 폼 구조체를 전구체 용액에 침지시키면 팔라듐 양이온은 환원되고 니켈은 니켈 양이온으로 산화되는 반응이 동시에 일어나며 부분 치환이 일어난다. 상기 침지시간은 30분 이상인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 귀금속 환원층의 두께는 약 20nm 내지 약 100nm인 것이다. 그러나 상기 귀금속 환원층의 두께는 상기 범위에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 침지시간 및/또는 귀금속 환원층의 두께는 소망하는 촉매 활성에 따라서 적절하게 조절할 수 있다. Next, the metal foam structure formed in the above-described step is immersed in the precursor aqueous solution to induce a galvanic substitution reaction. In the foam structure immersed in the precursor aqueous solution, the metal on the surface is oxidized to a cation, and a noble metal anion in the aqueous solution of the precursor, for example, a palladium anion, is reduced by receiving electrons liberated by oxidation and deposited on the surface of the metal foam structure. Oxidation of the surface of the metal foam structure and reduction of the noble metal proceed simultaneously by the galvanic substitution reaction, whereby the metal foam structure is used as a template, and the noble metal is reduced and deposited on the surface thereof to form a noble metal reduction layer. For example, when the nickel foam structure is immersed in the precursor solution under normal temperature conditions, the palladium cations are reduced and the nickel is oxidized to the nickel cations simultaneously, and partial substitution occurs. The immersion time is preferably 30 minutes or more, but is not limited thereto. According to a specific embodiment of the present invention, the thickness of the noble metal reducing layer is about 20 nm to about 100 nm. However, the thickness of the noble metal reducing layer is not particularly limited to the above range. The immersion time and / or the thickness of the noble metal reducing layer can be appropriately adjusted according to the desired catalytic activity.

도 9a 내지 도 9c는 구리 폼(foam) 구조체의 표면에 각각 팔라듐(a), 백금(b) 및 금(c)의 귀금속 환원층이 형성된 양극재의 SEM 이미지이고, 도 9d 내지 9f는 니켈 폼(foam) 구조체 표면에 각각 팔라듐(d), 백금(e) 및 금(f)의 귀금속 환원층이 형성된 것이다.
9A to 9C are SEM images of a cathode material having a noble metal reduction layer of palladium (a), platinum (b) and gold (c) formed on the surface of a copper foam structure, (d), platinum (e) and gold (f) noble metal reduction layers are formed on the surface of the foam structure.

본 발명에 따른 금속 공기 전지용 양극재 제조 방법은 상온/상압 조건에서 수행되는 전해 도금 및 무 전해 도금 방식을 사용하므로 제조 방법이 단순하고 금속 사용량이 최소화되어 제조 비용이 크게 절약될 수 있는 장점이 있다. 또한, 폼 구조체의 형상이나 기공의 크기가 적절하게 제어될 수 있으므로 다양한 다공성 전극을 제조할 수 있는 장점이 있다. The method for manufacturing a cathode material for a metal air battery according to the present invention uses an electrolytic plating and a non-electrolytic plating method performed at normal temperature / atmospheric pressure, so that the manufacturing method is simple and the amount of metal used is minimized, . In addition, since the shape of the foam structure and the size of the pores can be appropriately controlled, various porous electrodes can be manufactured.

또한, 본원 발명은 전술한 제조 방법에 의해 제조된 금속 공기 전지용 양극재 및 이를 포함하는 금속 공기 전지를 제공한다. The present invention also provides a cathode material for a metal air cell produced by the above-described manufacturing method and a metal air cell including the cathode material.

전술한 방법을 사용하여 제조된 금속 공기 전지용 양극재는 전지 작동시 생성되는 Li2O2를 저장할 수 있는 공간이 충분하며 충전 후 생성물의 분해 후에도 원래 상태를 유지할 수 있는 안정적인 다공성 구조를 갖는다. The cathode material for a metal air cell manufactured using the above-described method has a sufficient porous space for storing Li 2 O 2 produced during the operation of the battery and has a stable porous structure capable of maintaining the original state even after decomposition of the product after charging.

기존의 탄소재 전극은 전해질 분해 또는 전극자체의 분해로 인해 Li2O2 외에 다른 부반응 생성물이 생성되고 이에 따른 저항 증가와 과전압 형성으로 인해 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 그러나, 본원 발명에 따라 제조된 양극재는 탄소재를 사용하지 않으므로 종래 탄소 전극에서 야기되는 문제가 방지될 수 있다.The existing carbonaceous electrode has a problem that the side reaction product other than Li 2 O 2 is generated due to the decomposition of the electrolyte or the electrode itself, and the energy efficiency is deteriorated due to the increase of the resistance and the formation of the overvoltage. However, since the cathode material manufactured according to the present invention does not use a carbon material, problems caused by the conventional carbon electrode can be prevented.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

실시예 1: 구리 폼 구조체의 형성Example 1: Formation of a copper foam structure

전해 도금을 수행하기 위한 전기 화학 셀을 제조하였다. 상기 전기 화학 셀에서 스테인리스 스틸 메쉬 (Stainless steel mesh)를 작동전극 (Working electrode)으로 하고 반대전극인 구리 판을 스테인리스 스틸 메쉬 양쪽에 마주보도록 설치하였다. 상기 전극에 일정전위기(potentiostat)를 연결하였다. 전해질로는 0.1M CuSO4 + 1.5M H2SO4 수용액을 사용하였다. 상기 전기 화학 셀에서 0.375A/cm2 의 전류를 45초 동안 흘려주어 구리 폼 구조체를 형성하였다. 도 8은 구리 폼 구조체의 SEM 사진이다. 상기 SEM 이미지에 따르면 구리 폼 구조체는 양치식물의 잎처럼 나선상으로 배열된 수지상 구조체의 형태를 나타내며 평균 500nm크기의 구리 입자로 구성된 각 수지상 구조체는 약 10∼50μm 크기를 갖는다.
An electrochemical cell for electroplating was prepared. In the electrochemical cell, a stainless steel mesh was used as a working electrode, and a copper plate as an opposite electrode was provided on both sides of the stainless steel mesh. A potentiostat was connected to the electrode. 0.1 M CuSO 4 + 1.5 MH 2 SO 4 aqueous solution was used as the electrolyte. A current of 0.375 A / cm < 2 > was flown through the electrochemical cell for 45 seconds to form a copper foam structure. 8 is a SEM photograph of the copper foam structure. According to the SEM image, the copper foam structure represents a dendritic structure of spiral-shaped dendritic leaves. Each dendritic structure composed of copper particles having an average size of 500 nm has a size of about 10 to 50 μm.

실시예 2: 니켈 폼 구조체의 형성Example 2: Formation of nickel foam structure

전해 도금을 수행하기 위한 전기 화학 셀을 제조하였다. 상기 전기 화학 셀에서 스테인리스 스틸 메쉬 (Stainless steel mesh)를 작동전극 (Working electrode)으로 하고 반대전극인 니켈 판을 스테인리스 스틸 메쉬 양쪽에 마주보도록 설치하였다. 상기 전극에 일정전위기(potentiostat)를 연결하였다. 전해질로는 0.1M NiCl2 + 2M NH4Cl 수용액을 사용하였다. 상기 전기 화학 셀에 일정한 환원전류 (0.75A/cm2)를 300초 동안 인가하여 수소 기포 발생과 함께 전해질 내 니켈 양이온이 스테인리스 스틸 메쉬 상에서 환원되었으며 이에 따라 니켈 폼 구조체가 형성되었다. An electrochemical cell for electroplating was prepared. In the electrochemical cell, a stainless steel mesh was used as a working electrode, and a nickel plate as an opposite electrode was provided on both sides of the stainless steel mesh. A potentiostat was connected to the electrode. A 0.1M NiCl 2 + 2M NH 4 Cl aqueous solution was used as the electrolyte. A constant reduction current (0.75 A / cm 2 ) was applied to the electrochemical cell for 300 seconds to generate hydrogen bubbles and the nickel cations in the electrolyte were reduced on a stainless steel mesh, thereby forming a nickel foam structure.

도 4에 상기 실시예 2에서 형성된 니켈 폼 구조체의 이미지를 도시한 것이다. 생성된 폼의 기공들은 약 10에서 80㎛의 지름을 가지며 석출된 니켈 입자는 구형으로 직경이 약 2~6 ㎛였다.
FIG. 4 shows an image of the nickel foam structure formed in the second embodiment. The pores of the resulting foam had a diameter of about 10 to 80 탆 and the precipitated nickel particles were spherical and had a diameter of about 2 to 6 탆.

실시예 3: 귀금속 환원층 형성 및 양극재의 제조 Example 3: Formation of noble metal reduction layer and production of cathode material

상기 실시예 1 및 2에서 제조된 니켈 폼 구조체 및 구리 폼 구조체를 각 귀금속의 전구체 수용액에 침지하고 일정 시간 방치하여 귀금속 양이온 환원 반응(갈바닉 치환 반응)을 수행하였다. 각 실시예에 있어서 사용된 원재료와 반응 조건은 하기 표 1과 같다.
The nickel foam structure and the copper foam structure prepared in Examples 1 and 2 were immersed in a precursor aqueous solution of each noble metal and allowed to stand for a predetermined time to perform a noble metal cation reduction reaction (galvanic substitution reaction). The raw materials and the reaction conditions used in the respective Examples are shown in Table 1 below.

실시예Example 사용금속Used metal 전 구체 농도Total spherical concentration 반응시간Reaction time 치환 후 금속 성분(EDS)The metal component after substitution (EDS) 실시예 3-1Example 3-1 구리Copper 1mM Na2PdCl4 1mM Na 2 PdCl 4 30min30min 구리 89.66wt%
팔라듐 3.2wt%
Copper 89.66 wt%
Palladium 3.2wt%
실시예 3-2Example 3-2 구리Copper 1mM K2PtCl6 1 mM K 2 PtCl 6 60min60min 구리 81.19wt%
백금 3.94wt%
Copper 81.19 wt%
Platinum 3.94 wt%
실시예 3-3Example 3-3 구리Copper 1mM KAuCN2 1 mM KAuCN 2 10min10 min 구리 83.09wt%
금 1.32wt%
Copper 83.09wt%
Gold 1.32wt%
실시예 3-4Example 3-4 니켈nickel 1mM Na2PdCl4 1mM Na 2 PdCl 4 30min30min 니켈 88.18wt%
팔라듐 6.68wt%
Nickel 88.18wt%
Palladium 6.68 wt%
실시예 3-5Example 3-5 니켈nickel 5mM K2PtCl6 5 mM K 2 PtCl 6 60min60min 니켈 90.82wt%
백금 0.94wt%
Nickel 90.82 wt%
Platinum 0.94 wt%
실시예 3-6Examples 3-6 니켈nickel 1mM HAuCl4 1 mM HAuCl 4 30min30min 니켈 88.90wt%
금 3.62wt%
Nickel 88.90wt%
Gold 3.62wt%
실시예 3-7Examples 3-7 니켈nickel 5mM Na2PdCl4 5mM Na 2 PdCl 4 >10hr> 10hr 니켈 18.69wt%
팔라듐 75.06wt%
Nickel 18.69 wt%
Palladium 75.06 wt%
실시예 3-8Examples 3-8 니켈nickel 5mM RuCl3 in H2O+Ethanol (v/v=2:1)5 mM RuCl 3 in H 2 O + ethanol (v / v = 2: 1) >10hr> 10hr 니켈 73.24wt%
루테늄 8.78wt%
Nickel 73.24 wt%
Ruthenium 8.78 wt%

실험 예 1: 귀금속 환원층이 형성된 양극재 표면 확인Experimental Example 1: Determination of the surface of a cathode material having a noble metal reduction layer

도 5는 실시예 3-7에서 제조된 양극재 표면의 SEM 이미지이다. 이에 따르면 환원된 팔라듐 금속은 대부분 수지상(dendrite) 형태를 가지며 일부는 응집하여 뭉친 모습을 보인다. 갈바닉 치환 반응에 의한 팔라듐 환원에 의해서도 원래 니켈 폼 구조체의 형태는 크게 바뀌지 않은 것을 확인하였다. 최종적으로 제조된 전극은 가장 밑에 층에 니켈 폼 구조체, 중간층은 니켈 구조체 표면에 팔라듐 촉매입자가 도금된 합금상태 그리고 뭉쳐진 팔라듐 입자가 풍부한 바깥표면 층 등 세 층으로 구분될 수 있다.5 is an SEM image of the surface of the cathode material prepared in Examples 3-7. According to this, most of the reduced palladium metal has a dendrite shape, and a part of the palladium metal is aggregated and aggregated. It was confirmed that the shape of the original nickel foam structure was not largely changed even by palladium reduction by the galvanic substitution reaction. The finally fabricated electrode can be divided into three layers: a nickel foam structure on the bottom layer, an alloy layer on the surface of the nickel structure plated with palladium catalyst particles, and an outer surface layer rich in agglomerated palladium particles.

도 9a 내지 도 9c는 구리 폼(foam) 구조체의 표면에 각각 팔라듐(실시예 3-1), 백금(실시예 3-2) 및 금(실시예 3-3)의 귀금속 환원층이 형성된 양극재의 SEM 이미지이고, 도 9d 내지 9f는 니켈 폼(foam) 구조체 표면에 각각 팔라듐(실시예 3-4), 백금(실시예 3-5) 및 금(실시예 3-6)의 귀금속 환원층이 형성된 양극재의 SEM 이미지이다. 상기 도 9`a 및 9b를 살펴보면 구리 폼 구조체에 전착된 팔라듐과 백금은 구리 폼 구조체 상에 불균일하게 20∼100nm의 크기로 전착되며, 팔라듐 금속끼리, 백금끼리 뭉치는 경향을 보인다. 반면에 도 9c의 경우에는 본래 형성된 나선상의 구리 폼 구조체의 표면에 약 30nm 크기로 금 입자가 균일하게 형성되는 것을 확인하였다. 한편, 도 9d 내지 도 9f에서 확인되는 바와 같이 니켈 폼 구조체를 이용하여 제조된 양극재는 귀금속 종류에 관계없이 유사한 외관을 나타냈다. FIGS. 9A to 9C are graphs showing the results of measurement of the surface roughness of the positive electrode material having the noble metal reducing layer of palladium (Example 3-1), platinum (Example 3-2), and gold (Example 3-3) formed on the surface of the copper foam structure, 9D to 9F are graphs showing the results of the SEM image of the noble metal reduced layer of palladium (Example 3-4), platinum (Example 3-5), and gold (Example 3-6) formed on the surface of the nickel foam structure, respectively SEM image of the anode material. Referring to FIGS. 9A and 9B, palladium and platinum electrodeposited on the copper foam structure are electrodeposited on the copper foam structure in a nonuniform size of 20 to 100 nm, and tend to aggregate between palladium metal and platinum. On the other hand, in the case of FIG. 9C, it was confirmed that the gold particles were uniformly formed in a size of about 30 nm on the surface of the spiral-shaped copper foaming structure originally formed. On the other hand, as shown in FIGS. 9D to 9F, the cathode material manufactured using the nickel foam structure exhibited a similar appearance regardless of the kind of the noble metal.

도 10 및 도 11은 실시예 3-3에서 제조된 양극재의 구리 입자 상의 금 입자 분포를 TEM EDS 매핑으로 확인한 것으로 입자 표면에 금 입자가 치환된 것을 확인할 수 있었다. 도 12는 실시예 3-8에서 제조된 전극으로 루테늄이 니켈 폼 구조체 위에 치환된 SEM 사진이다. 도금된 귀금속입자의 크기를 구분할 수 있었던 다른 실시예들과는 달리 본 배율 사진에서는 루테늄 입자의 크기를 확인하기 어려우며 니켈표면은 루테늄 전구체에 의해 산화되어 분화구 형태처럼 거친 표면을 보여주는데 이는 다른 실시예들로 제조된 전극의 모습과는 다르다.
FIG. 10 and FIG. 11 show the distribution of gold particles on the copper particles of the cathode material prepared in Example 3-3 by TEM EDS mapping, confirming that gold particles were substituted on the surface of the particles. 12 is a SEM photograph of the electrode prepared in Example 3-8 in which ruthenium is substituted on the nickel foam structure. Unlike the other embodiments in which the size of the plated noble metal particles can be distinguished, it is difficult to confirm the size of the ruthenium particles in this magnification photograph, and the nickel surface is oxidized by the ruthenium precursor to show a rough surface like a crater shape, Which is different from the shape of the electrode.

실험 예 2: 금속 공기 전지의 제조 및 충방전 프로파일 측정Experimental Example 2: Preparation of metal air cell and measurement of charge / discharge profile

금속 공기 전지를 제조하여 이의 사이클 특성을 확인하였다. 상기 실시예 3-4에서 제조된 팔라듐/니켈 필름을 양극재로, 리튬 박막(lithium foil)을 음극재로, LiNO3 1M 농도의 DMAc를 전해질로, 글레스파이버 (glass fiber)를 분리막으로 사용하여 코인형 리튬 공기 전지를 조립하였다. 전체 전지의 조립과정은 아르곤 가스가 채워진 글로브박스에서 진행되었다. 상기에서 제조된 리튬 공기 전지를 1.5 bar의 산소압력 하에서 2∼4.2V 전압범위 내 40mA/g의 전류밀도로 충방전하고 이의 프로파일을 도 6에 나타내었다. 방전시 약 2.7V에서, 충전시 약 3.55V에서 안정된 전압을 보였고 완전 방전한 용량은 약 2250mAh/g였다.
A metal air cell was manufactured and its cycle characteristics were confirmed. The palladium / nickel film prepared in Example 3-4 was used as a cathode material, a lithium foil was used as an anode material, a 1M LiCoO 2 concentration was used as an electrolyte, and a glass fiber was used as a separator A coin-shaped lithium air cell was assembled. The assembly process of the entire cell was carried out in a glove box filled with argon gas. The lithium air cell prepared above was charged and discharged at a current density of 40 mA / g in a voltage range of 2 to 4.2 V under an oxygen pressure of 1.5 bar, and its profile is shown in FIG. At discharge, stable voltage was observed at about 2.7V, about 3.55V at charging, and the fully discharged capacity was about 2250mAh / g.

실험 예 3: 금속 공기 전지의 사이클 특성 확인Experimental Example 3: Determination of cycle characteristics of metal air cell

상기 실험 예 2에서 제조된 전지를 이용하여 사이클 특성을 확인하였다. 상기 방전용량의 약 10%에 해당하는 용량으로 제한하여 사이클 특성을 테스트 하였으며 그 결과를 플로팅하여 도 7에 나타내었다. 도 7의 결과에 따르면 과전압 상승이 있었으나 15사이클까지 일정하게 용량이 유지되었다.The cycle characteristics were confirmed using the battery prepared in Experimental Example 2. [ The cycle characteristics were tested by limiting the capacity to about 10% of the discharge capacity, and the results were plotted and shown in FIG. According to the results shown in FIG. 7, the overvoltage was increased but the capacity was kept constant up to 15 cycles.

Claims (10)

(S10) 전해 도금 방법에 의해 금속 또는 금속 산화물의 폼(foam) 구조체를 형성하는 단계; 및
(S20) 상기 (S10) 단계에서 형성된 폼(foam) 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 폼(foam) 구조체는 (S10) 단계에서 금속 또는 금속 산화물의 전해 및/또는 증착시 발생되는 수소 기포에 의해 3차원 입체 구조를 갖는 것을 특징으로 하며,
여기에서, 상기 (S10) 단계는 (S11) 도전성 금속 기질을 준비하는 단계; 및 (S12) 금속 또는 금속 산화물이 전해됨에 따라서 상기 도전성 금속 기질 상에 금속 또는 금속 산화물이 3차원 형상을 갖는 폼(foam) 구조체의 형태로 전착(電着)되는 단계; 를 포함하고,
상기 (S20) 단계는 (S21) 귀금속 함유 전구체 수용액을 준비하는 단계; 및 (S22) 상기 (S10) 단계의 폼 구조체를 상기 전구체 수용액에 침지하고 상기 폼 구조체의 표면에 귀금속 환원층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (S20)의 상기 금속 또는 금속 산화물은 구리 또는 구리 산화물 이고,
상기 (S22) 단계는 갈바닉 치환 반응(Galvanic displacement reaction)에 의해 수행되는 것이고,
상기 폼 구조체는 기공의 직경이 10㎛ 내지 80㎛으로 형성되는 것인 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법.
(S10) forming a metal or metal oxide foam structure by electrolytic plating; And
(S20) forming a noble metal reduction layer on the surface of the foam structure formed in step (S10), wherein the foam structure is formed by electrolysis and / or electrolysis of metal or metal oxide in step (S10) Dimensional structure due to hydrogen bubbles generated at the time of deposition,
Here, the step (S10) includes the steps of: (S11) preparing a conductive metal substrate; (S12) depositing a metal or a metal oxide on the conductive metal substrate in the form of a foam having a three-dimensional shape as the metal or the metal oxide is electrolyzed; Lt; / RTI >
The step (S20) includes the steps of: (S21) preparing an aqueous solution of a noble metal-containing precursor; And (S22) dipping the foam structure of the step (S10) in the precursor aqueous solution to form a noble metal reduction layer on the surface of the foam structure,
The metal or metal oxide of (S20) is copper or copper oxide,
The step (S22) is performed by a galvanic displacement reaction,
Wherein the foam structure has a pore diameter of 10 to 80 占 퐉.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 폼-구조체는 다공질 구조체, 수지상(dendrite) 구조체, 침상 구조체 또는 원추형 구조체인 것인, 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the foam-structure is a porous structure, a dendrite structure, a needle-shaped structure, or a cone-shaped structure.
제1항에 있어서,
상기 귀금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 은 (Ag), 루테늄(Ru)에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것인, 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the noble metal is at least one selected from palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), osmium (Os), silver (Ag), and ruthenium A method of manufacturing a cathode material for a battery.
제1항에 있어서,
상기 도전성 금속 기질은 스테인레스 스틸, 백금, 은, 구리, 니켈, 루테늄, 망간, 코발트, 주석, 납, 금, 팔라튬, 탄소 물질 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인, 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the conductive metal substrate is selected from the group consisting of stainless steel, platinum, silver, copper, nickel, ruthenium, manganese, cobalt, tin, lead, gold, palladium, carbon materials and mixtures of two or more thereof. A method of manufacturing a cathode material for a battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 귀금속 환원층의 두께는 20nm 내지 100nm인 것인, 금속 공기 전지의 양극재 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the noble metal reducing layer has a thickness of 20 nm to 100 nm.
제1항, 제4항, 제5항, 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 양극재를 포함하는 금속 공기 전지용 양극.
An anode for a metal air battery comprising a cathode material produced by the method according to any one of claims 1, 4, 5, 6 and 8.
제9항에 따른 양극을 포함하는 금속 공기 전지.
11. A metal air cell comprising a positive electrode according to claim 9.
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