KR101721968B1 - HIERARCHICAL MATERIAL INCLUDING URCHIN SHAPED MnO2, METHODE FOR SYNTHESIS THE SAME, AND AIR ELECTRODE AND METAL-AIR BATTERY INCLUDING THE SAME - Google Patents

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박승영
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Abstract

The present invention relates to a material comprising ultrafine carbon fiber coated with reduced graphene oxide, and urchin-shaped MnO_2 nanowire positioned on a surface of the ultrafine carbon fiber coated with reduced graphene oxide, a method for producing the same, an air electrode of a metal-air battery including the material, and a metal-air battery including the air electrode.

Description

성게 모양의 MnO2를 포함하는 계층적 구조의 재료, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 공기극 및 금속-공기 전지{HIERARCHICAL MATERIAL INCLUDING URCHIN SHAPED MnO2, METHODE FOR SYNTHESIS THE SAME, AND AIR ELECTRODE AND METAL-AIR BATTERY INCLUDING THE SAME}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a material having a stratified structure including sea urchin-shaped MnO2, a method for producing the same, a cathode and a metal-air battery including the same, SAME}

성게 모양의 MnO2를 포함하는 계층적 구조의 재료, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 공기극 및 금속-공기 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a material having a hierarchical structure including sea urchin-shaped MnO 2 , a method for producing the same, a cathode and a metal-air cell including the same.

에너지 저장장치는 에너지 의존적 사회에서 매우 중요한 역할을 한다. 가장 광범위하게 사용되는 에너지 저장장치인 리튬 이온 배터리(LIBs)는 휴대폰, 카메라 및 랩탑 컴퓨터 등 휴대용 전자기기 시장에서 광범위하게 사용되고 있으며, 전기자동차 및 하이브리드 전기 자동차용 에너지 저장장치로도 사용될 수 있다. 그러나 리튬 이온 배터리의 용량은 100 내지 200 Whkg- 1으로 가솔린계 자동차에서 요구되는 용량보다 3배 내지 10배 가량 낮다. 한편 리튬-공기 배터리(LABs)는 약 5200 Whkg-1의 용량을 가져 고에너지 장치에 사용될 수 있으나, 낮은 리튬의 양, 열악한 사이클 안정성 및 높은 과전압 때문에 실용적이지 않다. 따라서 리튬계 배터리를 대체할 수 있는 경제적이고 휴대가 간편하며 안전한 새로운 종류의 에너지 저장장치의 개발이 필요하다.Energy storage devices play an important role in energy-dependent societies. Lithium-ion batteries (LIBs), the most widely used energy storage devices, are widely used in portable electronic devices such as mobile phones, cameras and laptop computers and can also be used as energy storage devices for electric vehicles and hybrid electric vehicles. However, the capacity of a lithium-ion battery is 100 to 200 Whkg - 1 , which is three to ten times lower than the capacity required in a gasoline-powered automobile. Lithium-air batteries (LABs), on the other hand, have a capacity of about 5200 Whkg- 1 and can be used in high energy devices, but are not practical due to the low amount of lithium, poor cycle stability and high overvoltage. Therefore, it is necessary to develop a new type of energy storage device that is economical, portable and safe to replace lithium-based batteries.

나트륨-공기 배터리는 이론적 용량이 1683 Whkg- 1으로 고용량이고 경제적이며 친환경적인 새로운 유형의 에너지 저장장치이다. 또한 나트륨계 시스템 내에서 수계 환경, 비수계 환경 및 고체 전해질 내에서 높은 이온전도성을 가진다. 전형적인 나트륨-공기 배터리는 음극인 금속 나트륨 및 공기극인 고다공성 전극으로 구성되고, 상기 음극 및 공기극은 세퍼레이터에 의해 분리되며 전해질에 함침되어있다. A sodium - air battery is a new type of energy storage device that has a theoretical capacity of 1683 Whkg - 1 and is economical and environmentally friendly. It also has a high ionic conductivity in aqueous environments, non-aqueous environments and solid electrolytes within sodium based systems. A typical sodium-air battery is composed of metallic sodium, which is a negative electrode, and a high-porosity electrode, which is an air electrode, and the negative electrode and the air electrode are separated by a separator and impregnated with an electrolyte.

이전 보고들에 따르면, 재충전 가능한 배터리는 전기촉매로 알려진 공기극의 선택 및 증착에 따라 디자인될 수 있다. 상기 전기촉매는 배터리가 방전되는 동안 산소환원반응(ORR)을 통해 산소를 소비한다. 반면 충전 시에 고전압에서 산소발생반응(OER)을 통해 산소를 발생시킨다. Pt, Pd, Ru, Au 및 Ag와 같은 신규한 금속들은 훌륭한 촉매 활성을 가지나, 저용량 및 고비용에 의해 휴대용으로 사용하기 어려워 실용화되지 못하였다. 최근 들어서는 경제적인 MnO2, Co3O4 및 Fe3O4 등의 전이금속 산화물 촉매 등에 연구가 집중되고 있다. 이들 중 MnO2가 훌륭한 촉매 활성을 가지기 때문에 전기촉매로서 매력적이다. 또한, 상기 MnO2는 금속-공기 배터리의 다른 모폴로지를 디자인하는데 최적화될 수 있다.According to previous reports, rechargeable batteries can be designed according to the selection and deposition of a cathode known as an electrocatalyst. The electrocatalyst consumes oxygen through an oxygen reduction reaction (ORR) while the battery is being discharged. On the other hand, when charging, oxygen is generated through an oxygen generating reaction (OER) at a high voltage. New metals such as Pt, Pd, Ru, Au and Ag have excellent catalytic activity but are difficult to use because of their low capacity and high cost. In recent years, research has focused on economical transition metal oxide catalysts such as MnO 2 , Co 3 O 4 and Fe 3 O 4 . Of these, MnO 2 is attractive as an electrocatalyst since it has excellent catalytic activity. In addition, the MnO 2 can be optimized for designing different morphologies of metal-air batteries.

한편 그래핀과 그 유도체는 높은 전기 전도도와 빠른 전하 수송력, 높은 비표면적 등으로 인해 훌륭한 촉매로 인정되고 있다. 또한 그래핀은 전기화학적 안정성이 높기 때문에 다른 촉매의 보조제로도 사용된다. On the other hand, graphene and its derivatives are recognized as excellent catalysts due to their high electrical conductivity, fast charge transport ability and high specific surface area. Graphene is also used as an adjunct to other catalysts because of its high electrochemical stability.

전하의 이동을 유리하게 하고 전해질의 확산, 산소의 확산 및 전자의 이동 등에 탁월한 소재와 이의 제조 방법을 제공하고, 재충전성과 전기화학적 특성이 뛰어나고 단단하고 저비용 고용량인 전극 및 금속-공기 전지를 제공한다. The present invention provides an electrode and a metal-air battery excellent in rechargeability and electrochemical characteristics, hard, low-cost, and high-capacity, by providing a material excellent in charge transfer, diffusion of electrolyte, diffusion of oxygen and electron transfer, .

본 발명의 일 구현예에서는 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유, 및 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유의 표면에 위치하는 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 포함하는 재료를 제공한다. In one embodiment of the present invention, ultrafine carbon fiber coated with reduced oxidized graphene, and urchin-like MnO 2 located on the surface of the reduced graphene-coated ultrafine carbon fiber A material comprising a nanowire is provided.

상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 바인더 없이 상기 환원된 산화그래핀에 직접 연결되어 있는 것일 수 있다. The sea urchin-like MnO 2 The nanowire may be directly connected to the reduced oxidized graphene without a binder.

구체적으로, 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유는 성게 모양의 마이크로스피어로 코팅되어 있고 상기 성게 모양의 마이크로스피어는 방사상으로 정렬되어 있는 MnO2 나노와이어로 구성되는 것일 수 있다. Specifically, the ultrafine carbon fiber coated with the reduced oxidized graphene is coated with urchin-shaped microspheres, and the urchin-shaped microspheres are coated with radially aligned MnO 2 And may be composed of nanowires.

상기 마이크로스피어의 평균 직경은 1㎛ 내지 15㎛일 수 있다. The average diameter of the microspheres may be between 1 탆 and 15 탆.

상기 MnO2 나노와이어의 단면의 평균 직경은 5 nm 내지 50 nm일 수 있다. The MnO 2 The average diameter of the cross-section of the nanowire may be between 5 nm and 50 nm.

상기 환원된 산화그래핀은 다공성일 수 있다. The reduced oxidized graphene may be porous.

상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 알파상의 MnO2 (α- MnO2) 나노와이어일 수 있다. The sea urchin-like MnO 2 The nanowires may be MnO 2 (α- MnO 2) nanowires on alpha.

상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 V-타입의 채널을 형성하는 것일 수 있다. The sea urchin-like MnO 2 The nanowire may be one that forms a V-type channel.

상기 재료의 BET 비표면적은 10 m2/g 내지 30 m2/g일 수 있다.The BET specific surface area of the material may be from 10 m 2 / g to 30 m 2 / g.

본 발명의 다른 일 구현예에서는 초미세 탄소섬유에 환원된 산화그래핀을 코팅하는 단계, 및 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 재료의 제조 방법을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube structure, comprising the steps of: coating ultrafine carbon fiber with reduced oxidized graphene; and forming urchin-shaped MnO 2 nanowires on the reduced oxidized graphene- The method comprising the steps of:

상기 초미세 탄소섬유에 환원된 산화그래핀을 코팅하는 단계는 산화그래핀 분산액에 에칭 입자을 첨가하는 단계, 제조된 혼합액에 초미세 탄소섬유를 첨가하여 열처리하는 단계, 및 상기 에칭 입자를 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.The step of coating the reduced graphene oxide graphene on the ultrafine carbon fiber may include the steps of adding etchant particles to the graphene oxide dispersion, adding ultrafine carbon fiber to the mixed solution to heat treatment, and etching the etchant particles . ≪ / RTI >

상기 에칭 입자는 폴리스티렌, 실리카, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The etchant particles may comprise polystyrene, silica, or a combination thereof.

상기 열처리는 100℃ 내지 200℃에서 6시간 내지 24시간 동안 하는 것일 수 있다. The heat treatment may be performed at 100 캜 to 200 캜 for 6 hours to 24 hours.

상기 에칭 입자를 에칭하는 단계는 코팅된 초미세 탄소섬유를 에칭 용액에 담그는 단계를 포함하고, 상기 에칭 용액은 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 자일렌(xylene), 디클로로메탄(dichloromethane), 클로로폼(chloroform), 카본 테트라클로라이드(carbon tetrachloride), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The step of etching the etchant particles comprises immersing the coated ultrafine carbon fibers in an etch solution, wherein the etchant solution is selected from the group consisting of toluene, acetone, benzene, ethylbenzene, And may include xylene, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, tetrahydrofuran, or a combination thereof.

상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계는 수열 합성 방법에 의한 것일 수 있다. On the ultrafine carbon fiber coated with the reduced graphene oxide, sea urchin-shaped MnO 2 The step of forming the nanowire may be by a hydrothermal synthesis method.

상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계는 KMnO4를 포함하는 용액에 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유를 담그는 단계, 및 열처리 단계를 포함할 수 있다. On the ultrafine carbon fiber coated with the reduced graphene oxide, sea urchin-shaped MnO 2 The step of forming the nanowire may include the step of immersing the reduced graphene-coated ultrafine carbon fiber in a solution containing KMnO 4 , and a heat treatment step.

상기 열처리는 100℃ 내지 200℃에서 12시간 내지 48시간 동안 하는 것일 수 있다. The heat treatment may be performed at 100 ° C to 200 ° C for 12 hours to 48 hours.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는 상기 재료를 포함하는 금속-공기 전지의 공기극을 제공한다. Another embodiment of the present invention provides an air electrode of a metal-air battery including the above material.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는 상기 공기극, 상기 공기극과 접촉하는 수계 전해질, 알칼리 금속을 포함하는 음극, 상기 음극과 접촉하는 비수계 전해질, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 금속-공기 전지를 제공한다. According to still another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a lithium secondary battery, which comprises the above air electrode, an aqueous electrolyte in contact with the air electrode, a negative electrode including an alkali metal, a non-aqueous electrolyte contacting the negative electrode, and an electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode Metal-air battery.

상기 금속-공기 전지는 이차 수계 Na-O2 전지일 수 있다. The metal-air battery may be a secondary aqueous Na-O 2 battery.

일 구현예에 따른 성게 모양의 MnO2를 포함하는 계층적 구조의 재료는 전지에서 전하의 수송을 유리하게 하고 전지의 내구성 및 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 재료를 포함하는 공기극 및 금속-공기 전지는 재충전성이 뛰어나고 단단하며 전기화학적 성질이 우수하다.The material of the hierarchical structure including sea urchin MnO 2 according to an embodiment can facilitate the transport of electric charge in the cell and improve the durability and electrochemical characteristics of the cell. The air electrode and the metal-air battery including the above material are excellent in rechargeability, hard, and excellent in electrochemical properties.

도 1은 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양 MnO2 나노와이어가 형성된 재료의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 5는 실시예에서 제조한 재료에 대한 스캐닝 전자 현미경 분석 (SEM) 사진이다.
도 6 및 도 7은 실시예에서 제조한 재료에 대한 투과 전자 현미경 분석 (TEM) 사진이다.
도 8은 MnO2 나노와이어의 원소 맵핑 사진이다.
도 9는 실시예의 재료에 대한 엑스선 회절 분석 (XRD) 결과이다.
도 10은 실시예의 재료에 대한 라만 스펙트럼이다.
도 11은 실시예의 재료에 대한 엑스선 광전자 분광 분석 (XPS) 결과이다.
도 12는 실시예 및 비교예 전지에 대한 회전 링-디스크 전극 분석법에 따른 디스크 전극의 산소환원반응 분극 곡선이고, 도 13은 산소발생반응 분극 곡선이다.
도 14는 실시예의 나트륨-공기 전지와 Pt/C 공기극을 적용한 전지의 정전류 충방전 프로파일이다.
도 15는 실시예의 MGC 전극의 재충전 성능을 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유, 카본 블랙, 및 초미세 탄소섬유 전극의 경우와 비교한 그래프이다.
도 16은 실시예의 전지에 대한 율특성 (rate capability)을 평가한 그래프이다.
도 17은 전지 수행 메커니즘을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 18은 성게 모양의 MnO2를 적용한 전지와 플레이크 모양의 MnO2를 적용한 경우의 성능을 비교한 그래프이다.
도 19는 실시예 전지의 사이클에 따른 충방전 프로파일이다.
도 20은 실시예 전지의 충방전 사이의 전위 차를 나타낸 그래프이다.
도 21은 실시예 전극에 대한 20 사이클 후의 SEM 사진이다.
Figure 1 is a sea urchin on a reduced graphene oxide coated ultra fine carbon fiber-shaped MnO 2 And schematically illustrating a method for manufacturing a material in which a nanowire is formed.
Figures 2 to 5 are scanning electron microscope (SEM) photographs of the materials produced in the examples.
FIGS. 6 and 7 are transmission electron microscope (TEM) photographs of the materials produced in Examples. FIG.
8 is MnO 2 An elemental mapping picture of a nanowire.
9 is an X-ray diffraction (XRD) result for the material of the example.
10 is a Raman spectrum for the material of the example.
FIG. 11 is an X-ray photoelectron spectroscopic analysis (XPS) result for the material of the example.
FIG. 12 is an oxygen reduction polarization curve of a disk electrode according to a rotating ring-disk electrode analysis method for Examples and Comparative Examples, and FIG. 13 is an oxygen generation reaction polarization curve.
14 is a constant current charging / discharging profile of a battery to which a sodium-air battery and a Pt / C air electrode of the embodiment are applied.
FIG. 15 is a graph comparing the refilling performance of the MGC electrode of the embodiment with that of the ultrafine carbon fiber, carbon black, and ultrafine carbon fiber electrode coated with reduced oxidized graphene.
16 is a graph for evaluating a rate capability for a battery of the embodiment.
FIG. 17 is a simplified view of a battery performance mechanism. FIG.
FIG. 18 is a graph comparing the performance of a battery in which sea urchin-shaped MnO 2 is applied and a case in which flake-shaped MnO 2 is applied.
19 is a charge / discharge profile according to the cycle of the example battery.
20 is a graph showing the potential difference between charging and discharging of the example battery.
21 is a SEM photograph of the electrode of Example 20 after 20 cycles.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 발명의 일 구현예에서는 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide; rGO)이 코팅된 초미세 탄소섬유 (carbon microfiber), 및 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유의 표면에 위치하는 성게 모양의 MnO2 나노와이어 (nanowires)를 포함하는 계층적 (hierarchical) 구조의 재료 (즉, Urchin shaped MnO2 nanowires on rGO coated carbon microfiber; 이하 MGC로 표기)를 제공한다. In one embodiment of the present invention, there is provided a carbon microfiber coated with reduced graphene oxide (rGO), and a carbon microfiber coated on the surface of the reduced graphene oxide- Sea urchin-shaped MnO 2 (I.e., Urchin shaped MnO 2 nanowires on rGO coated carbon microfiber (hereinafter referred to as MGC)) containing nanowires.

일반적으로 전지의 전극에서 활물질과 집전체의 접착을 위해 바인더가 사용되는데, 이러한 바인더는 이온과 전지의 이동을 방해하여 전극 분극 현상을 유발하고 과전압을 높이며 재충전 효율을 떨어트리게 된다. 또한 바인더를 첨가할 경우 전극의 무게가 증가하고, 제조과정에서 재료들을 혼합하는 과정이 추가된다. Generally, a binder is used for bonding an active material and a current collector to an electrode of a battery. Such a binder interferes with the movement of the ions and the battery, causing electrode polarization, increasing the overvoltage, and reducing the efficiency of recharging. In addition, when the binder is added, the weight of the electrode is increased, and a process of mixing the materials in the manufacturing process is added.

반면 일 구현예에 따른 상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에서 직접 성장한 것으로, 상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 별도의 바인더 없이 상기 환원된 산화그래핀에 직접 연결된 것일 수 있다. 이에 따라 상기 MnO2 나노와이어, 환원된 산화그래핀 및 초미세 탄소섬유 사이에 높은 전기적 접촉이 형성될 수 있고, 상기 재료는 효과적인 이온과 전자 수송을 유도할 수 있다. 또한 상기 재료는 전지의 전극에 사용될 경우 단단한 전지의 제조 및 전지의 뛰어난 재충전성(rechargeability)과 사이클 안정성 등에 기여할 수 있다. 또한 상기 재료는 계층적 구조를 가지고 있어, 전지에서 전해질과 공기가 효과적으로 확산될 수 있도록 통로를 제공할 수 있다. 그리고 상기 재료는 성게 모양의 MnO2 나노와이어로 인해 넓은 활성 부위(active sites)를 가지고, 환원된 산화그래핀으로 인해 높은 전도성을 가진다. 상기 초미세 탄소섬유는 다른 집전체 (예를 들어 니켈 폼, 구리 호일, 알루미늄 호일, 티타늄 메쉬 등)에 비하여 경제적이고 가벼우며 높은 다공성을 가지는 이점이 있다.On the other hand, the urchin-like MnO 2 The nanowire may be grown directly on the reduced graphene-coated ultrafine carbon fiber, and the urchin-like MnO 2 nanowire may be directly connected to the reduced graphene graphene without a separate binder. Accordingly, the MnO 2 High electrical contact can be formed between the nanowire, reduced oxidized graphene, and ultrafine carbon fibers, which can lead to effective ion and electron transport. In addition, when used for an electrode of a battery, the material may contribute to the production of a rigid battery and excellent rechargeability and cycle stability of the battery. In addition, the material has a hierarchical structure, and it is possible to provide a passage so that the electrolyte and the air can be effectively diffused in the battery. The above material is an urchin-like MnO 2 Due to the nanowires, they have large active sites and have high conductivity due to reduced oxidized graphene. The ultrafine carbon fiber is advantageous in that it is economical, lightweight, and has high porosity as compared with other current collectors (for example, nickel foam, copper foil, aluminum foil, titanium mesh, etc.).

상기 재료의 계층적 구조를 구체적으로 설명하면, 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유는 성게 모양의 마이크로스피어(microspheres)로 코팅되어 있고, 상기 성게 모양의 마이크로스피어는 방사상으로 정렬되어 있는 MnO2 나노와이어로 구성될 수 있다. 도 2 내지 도 5는 후술할 실시예에서 제조한 재료에 대한 SEM 사진으로, 상기 재료의 계층적 모습을 잘 보여주고있다. 도 2는 초미세 탄소섬유의 초극세사 네트워크를 보여주며, 도 3은 초극세사 상의 성게 모양 마이크로스피어 (microspheres)를 보여주고, 도 4 및 도 5는 상기 마이크로스피어에 있는 MnO2 나노와이어를 보여준다.In detail, the ultrafine carbon fiber coated with reduced oxidized grains is coated with urchin-shaped microspheres, and the urchin-shaped microspheres are radially aligned The MnO 2 Nanowire. ≪ / RTI > FIGS. 2 to 5 are SEM photographs of the materials prepared in Examples to be described later, showing a hierarchical appearance of the materials. Fig. 2 shows a microfabric network of ultrafine carbon fibers, Fig. 3 shows sea urchin microspheres on microfibers, and Figs. 4 and 5 show MnO 2 Show nanowires.

상기 마이크로스피어의 평균 직경은 1㎛ 내지 15㎛, 구체적으로 5㎛ 내지 15㎛, 1㎛ 내지 1㎛, 또는 5㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 이 경우 상기 재료는 전극으로 사용될 경우 우수한 성능을 발휘할 수 있다. The average diameter of the microspheres may be 1 탆 to 15 탆, specifically 5 탆 to 15 탆, 1 탆 to 1 탆, or 5 탆 to 10 탆. In this case, the material can exhibit excellent performance when used as an electrode.

상기 MnO2 나노와이어의 단면의 평균 직경은 5 nm 내지 50 nm, 구체적으로 10 nm 내지 50 nm, 15 nm 내지 50 nm, 20 nm 내지 50 nm, 5 nm 내지 45 nm, 5 nm 내지 40 nm, 5 nm 내지 35 nm, 5 nm 내지 30 nm, 또는 5 nm 내지 25 nm 등일 수 있다. 이 경우 상기 재료는 전극으로 사용될 경우 우수한 성능을 발휘할 수 있다.The MnO 2 The average diameter of the cross section of the nanowire is in the range of 5 nm to 50 nm, specifically 10 nm to 50 nm, 15 nm to 50 nm, 20 nm to 50 nm, 5 nm to 45 nm, 5 nm to 40 nm, nm, 5 nm to 30 nm, or 5 nm to 25 nm, and the like. In this case, the material can exhibit excellent performance when used as an electrode.

상기 초미세 탄소섬유에 코팅된 환원된 산화그래핀은 다공성(porous)이고 결함(defect)을 가진 것일 수 있다. 이러한 환원된 산화그래핀은 MnO2 나노와이어가 성장하는데 중요한 역할을 한다. The reduced graphene oxide grains coated on the ultrafine carbon fiber may be porous and have a defect. These reduced graphene graphenes play an important role in the growth of MnO 2 nanowires.

상기 성게 모양의 MnO2는 성게 형상을 하고 있는 방사상으로 정렬된 고결정의 α-MnO2일 수 있다. 성게 형상으로 인하여 MnO2 나노와이어는 연속적인 V-타입 채널을 만들 수 있고 이는 활성 부위에 완전히 노출된다. V-타입 채널은 전지에서 전해질의 확산 및 공기극과 전해질의 원활한 접촉을 돕고 금속 이온과 전자의 이동을 촉진할 수 있다. 나아가 나노와이어 형상은 산화환원 과정에서 확산되어야 하는 금속 이온과의 거리를 좁혀주고 전극 분극을 감소시킬 수 있다. 이와 동시에 고결정의 MnO2 나노와이어는 O2의 확산과 전자의 이동에 잘 노출되어 산소환원과정을 훌륭히 도와줄 수 있다. 이로 인해 상기 재료를 적용한 전지는 뛰어난 전기화학적 성능을 나타낼 수 있다. The urchin-like MnO 2 may be a highly crystalline 慣 -MnO 2 arranged in a sea urchin shape and radially aligned. Due to the sea urchin geometry, the MnO 2 nanowires can create a continuous V-type channel, which is fully exposed to the active site. The V-type channel can facilitate diffusion of electrolyte in the cell and smooth contact between the air electrode and the electrolyte, and promote migration of metal ions and electrons. Furthermore, the nanowire shape can reduce the distance between the metal ions to be diffused in the redox process and the electrode polarization. At the same time, the highly crystalline MnO 2 nanowires are well exposed to the diffusion of O 2 and the transfer of electrons, which can greatly assist the oxygen reduction process. As a result, a battery using such a material can exhibit excellent electrochemical performance.

한편, 상기 재료의 BET 비표면적은 10 m2/g 내지 30 m2/g, 구체적으로 10 m2/g 내지 25 m2/g, 15 m2/g 내지 30 m2/g, 15 m2/g 내지 25 m2/g, 또는 20 m2/g 내지 25 m2/g일 수 있다. 이 경우 상기 재료는 전극으로 사용될 경우 우수한 성능을 발휘할 수 있다. On the other hand, BET specific surface area of the material is 10 m 2 / g to 30 m 2 / g, specifically 10 m 2 / g to 25 m 2 / g, 15 m 2 / g to 30 m 2 / g, 15 m 2 / g to 25 m 2 / g, or from 20 m 2 / g to 25 m 2 / g. In this case, the material can exhibit excellent performance when used as an electrode.

본 발명의 다른 일 구현예에서는 초미세 탄소섬유에 환원된 산화그래핀을 코팅하는 단계, 및 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 재료의 제조 방법을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube structure, comprising the steps of: coating ultrafine carbon fiber with reduced oxidized graphene; and forming urchin-shaped MnO 2 nanowires on the reduced oxidized graphene- The method comprising the steps of:

상기 제조 방법을 통하여 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어가 형성된 재료를 제조할 수 있다. 상기 재료는 전지의 전극으로 사용될 수 있는데, 상기 제조 방법에 의하면 별도의 바인더를 첨가하여 혼합하는 과정이 필요 없다. 이는 슬러리를 만들어서 제조하는 기존의 블레이드 코팅법이나 기계적 프레싱 방법과는 전혀 다른 획기적인 방법이다.On the ultrafine carbon fiber coated with the oxidized graphene reduced by the above-mentioned method, sea urchin-like MnO 2 A nanowire-formed material can be produced. The material can be used as an electrode of a battery. According to the manufacturing method, a separate binder is added and mixed. This is a completely different method from the conventional blade coating method or mechanical pressing method which is manufactured by making slurry.

첫 번째 단계인 상기 초미세 탄소섬유에 환원된 산화그래핀을 코팅하는 단계는 산화그래핀 분산액에 초미세 탄소섬유를 첨가하여 열처리하는 과정을 포함할 수 있다.The step of coating the reduced graphene graphene on the ultrafine carbon fiber as the first step may include a step of adding ultrafine carbon fiber to the graphene oxide graphene dispersion and heat-treating the graphene dispersion.

구체적으로 상기 첫 번째 단계는 산화그래핀 분산액에 에칭 (etching; 식각) 입자를 첨가하는 단계, 제조된 혼합액에 초미세 탄소섬유를 첨가하여 열처리하는 단계, 및 상기 에칭 입자를 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the first step includes a step of adding etching (etching) particles to the graphene oxide dispersion, a step of adding ultrafine carbon fibers to the mixed solution to heat treatment, and the step of etching the etching particles .

상기 에칭 입자가 에칭되면서 초미세 탄소섬유의 표면에 다공성이고 결함이 생긴 환원된 산화그래핀이 형성된다. 이러한 환원된 산화그래핀은 MnO2 나노와이어가 그래핀 표면에서 성장하는데 중요한 역할을 한다. MnO2 나노와이어의 성장 메커니즘은 후술할 실시예에서 자세히 설명하겠다.The etched particles are etched to form a reduced oxide graphene on the surface of the ultrafine carbon fiber, which is defective. These reduced graphene graphenes play an important role in the growth of MnO 2 nanowires on the graphene surface. The growth mechanism of the MnO 2 nanowires will be described in detail in Examples to be described later.

상기 에칭 입자는 폴리스티렌(polystyrene nanoparticles), 실리카 (silica particles), 또는 이들의 조합일 수 있다.The etchant particles can be polystyrene nanoparticles, silica particles, or a combination thereof.

상기 열처리는 100℃ 내지 200℃에서 할 수 있고, 구체적으로 110℃ 이상, 120℃ 이상, 130℃ 이상, 또는 140℃ 이상의 온도에서 할 수 있으며 190℃ 이하, 또는 180℃ 이하의 온도에서 할 수 있다. 또한 상기 열처리는 6시간 내지 24시간 동안하는 것일 수 있다. The heat treatment may be performed at a temperature of 100 ° C to 200 ° C, specifically at 110 ° C or higher, 120 ° C or higher, 130 ° C or higher, 140 ° C or higher, 190 ° C or lower, or 180 ° C or lower . The heat treatment may be performed for 6 to 24 hours.

상기 재료의 제조 방법은 상기 열처리하는 단계 이후에 세척 단계 및/또는 건조 단계를 더 포함할 수 있다. The method of manufacturing the material may further include a washing step and / or a drying step after the heat treatment step.

상기 에칭 입자를 에칭하는 단계는 코팅된 초미세 탄소섬유를 에칭 용액에 담그는 단계를 포함할 수 있다. 상기 에칭 용액은 구체적으로 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 자일렌(xylene), 디클로로메탄(dichloromethane), 클로로폼(chloroform), 카본 테트라클로라이드(carbon tetrachloride), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The step of etching the etching particles may include immersing the coated ultrafine carbon fibers in an etching solution. The etching solution may specifically include at least one selected from the group consisting of toluene, acetone, benzene, ethylbenzene, xylene, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, tetrachloride, tetrahydrofuran, or combinations thereof.

두 번째 단계인 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계는 수열 합성 방법에 의한 것일 수 있다. 구체적으로, 두 번째 단계는 KMnO4를 포함하는 용액에 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유를 담그는 단계, 및 열처리 단계를 포함할 수 있다. In the second step, on the reduced graphene-coated ultrafine carbon fiber, sea urchin-shaped MnO 2 The step of forming the nanowire may be by a hydrothermal synthesis method. Specifically, the second step may include a step of immersing the reduced graphene-coated ultrafine carbon fiber in a solution containing KMnO 4 , and a heat treatment step.

상기 열처리는 100℃ 내지 200℃에서 할 수 있으며, 구체적으로 110℃ 이상, 또는 120℃ 이상의 온도에서 할 수 있고, 190℃ 이하, 180℃ 이하, 170℃ 이하, 160℃ 이하의 온도에서 할 수 있다. 또한 상기 열처리는 12시간 내지 48시간 동안 하는 것일 수 있다. 이러한 열처리 온도와 시간은 성게 모양의 MnO2 나노와이어가 균일하게 형성되는 데 중요한 역할을 한다.The heat treatment may be performed at a temperature of 100 ° C to 200 ° C, specifically at a temperature of 110 ° C or more, or 120 ° C or more, and at a temperature of 190 ° C or less, 180 ° C or less, 170 ° C or less, . The heat treatment may be performed for 12 to 48 hours. The heat treatment temperature and time were urchin-shaped MnO 2 It plays an important role in the uniform formation of nanowires.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는 상기 재료를 포함하는 금속-공기 전지의 공기극을 제공한다. 상기 재료는 추가적인 바인더나 전도체 없이 금속-공기 전지의 공기극으로 사용 가능하다. 이 경우 상기 공기극은 MnO2, 그래핀 및 전도성 카본 페이퍼 사이에 높은 전기적 접촉이 형성되어 있고 단단하여 이를 적용한 전지의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있고 뛰어난 재충전성을 확보할 수 있다. 이와 같이 튼튼하고 바인더가 필요없으며 (binder-free) 고성능을 발휘하는 상기 전극은 수퍼커패시터, 금속-이온 전지, 금속-공기 전지, 연료 전지 등 저비용 고용량의 에너지 저장 기기에 사용될 수 있다. Another embodiment of the present invention provides an air electrode of a metal-air battery including the above material. The material can be used as the air electrode of a metal-air battery without additional binder or conductor. In this case, the air electrode has high electrical contact between MnO 2 , graphene, and conductive carbon paper, and it can be hardened to improve the electrochemical performance of the battery and to ensure excellent rechargeability. Such robust, binder-free and high-performance electrodes can be used in low-cost, high-capacity energy storage devices such as supercapacitors, metal-ion batteries, metal-air batteries, and fuel cells.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는 상기 공기극, 상기 공기극과 접촉하는 수계 전해질, 알칼리 금속을 포함하는 음극, 상기 음극과 접촉하는 비수계 전해질, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 금속-공기 전지를 제공한다. According to still another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a lithium secondary battery, which comprises the above air electrode, an aqueous electrolyte in contact with the air electrode, a negative electrode including an alkali metal, a non-aqueous electrolyte contacting the negative electrode, and an electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode Metal-air battery.

상기 금속-공기 전지는 수계 전지일 수 있으며, 재충전 가능한 이차 전지일 수 있다. 일 예로 상기 금속-공기 전지는 나트륨-공기 전지일 수 있으며, 구체적으로 이차 수계 나트륨-공기 전지일 수 있다. The metal-air battery may be an aqueous battery or a rechargeable secondary battery. For example, the metal-air battery may be a sodium-air battery, specifically, a secondary water-based sodium-air battery.

일 구현예에 따른 금속-공기 전지는 재충전성이 매우 우수하고 수명 특성 등 전기화학적 특성이 뛰어나다. 또한 상기 전기는 저비용 고용량의 실용적인 에너지 저장 장치로, 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차 등에 사용될 수 있다. The metal-air battery according to an embodiment has excellent rechargeability and excellent electrochemical characteristics such as lifetime characteristics. The electricity is a low-cost, high-capacity practical energy storage device, and can be used in electric vehicles and hybrid electric vehicles.

[[ 실시예Example ]]

환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상의 성게 모양 α-MnO2은 일 예로 다음과 같이 합성할 수 있다. 도 1에 개략적인 제조 과정을 나타내었다. The urchin-like α-MnO 2 on ultrafine carbon fiber coated with reduced oxidized graphene can be synthesized as follows. A schematic manufacturing process is shown in Fig.

(1) 제1단계: 환원된 (1) Step 1: Reduced 산화그래핀이Oxidized graphene 코팅된 초미세  Coated ultrafine 탄소섬유의Carbon fiber 제조 Produce

수정된 허머스 방법 (modified Hummers method)을 통해 산화그래핀 (Graphene oxide; GO)을 제조하였다. 0.05g의 GO를 초음파 처리를 통해 10mL의 물에 분산시킨 후 500㎕의 폴리스티렌 용액 (Polysciences Inc.)을 첨가하였고 1시간 동안 초음파 처리를 계속하였다. 상기 용액 2mL를 피라나(piranha) 처리된 2 x 2 초미세 탄소섬유 (JNT20, JNTG Co., Ltd. Korea)가 있는 테플론 코팅된 스테인리스스틸 오토클레이브로 옮겼다. 전체 반응 혼합물을 30분 동안 초음파 처리하였고 뜨거운 공기 오븐으로 옮겨 160℃에서 12시간 동안 열처리하였다. 반응 후 오토클레이브를 실온으로 자연적으로 식힌 후 초미세 탄소섬유를 꺼냈다. 상기 카본 페이퍼를 불순물 제거를 위해 물과 에탄올로 세척하고 오븐에서 4시간 동안 60℃에서 건조하였다. 건조 후 폴리스티렌을 에칭하기 위해 상기 초미세 탄소섬유를 톨루엔 용액에 담갔고 다시 건조하였다. Graphene oxide (GO) was fabricated by the modified Hummers method. 0.05 g of GO was dispersed in 10 mL of water through ultrasound treatment, and then 500 의 of polystyrene solution (Polysciences Inc.) was added and sonication was continued for 1 hour. 2 mL of the solution was transferred to a Teflon coated stainless steel autoclave with piranha treated 2 x 2 micro carbon fibers (JNT20, JNTG Co., Ltd. Korea). The entire reaction mixture was sonicated for 30 minutes, transferred to a hot air oven and heat treated at 160 < 0 > C for 12 hours. After the reaction, the autoclave was naturally cooled to room temperature, and ultrafine carbon fibers were taken out. The carbon paper was washed with water and ethanol to remove impurities and dried at 60 DEG C for 4 hours in an oven. The microfine carbon fibers were immersed in a toluene solution and then dried again to etch polystyrene after drying.

(2) 제2단계: 환원된 산화그래핀 코팅된 초미세 탄소섬유 상의 성게 모양 α -MnO 2 의 제조 (2) Step 2: Preparation of sea urchin α- MnO 2 on reduced oxide graphene- coated ultrafine carbon fibers

1.5 mmol KMnO4 (Sigma Aldrich)를 2.5 mmol의 농축 HCl (DaeJung Chemicals, Korea)과 15 mL 증류수에 용해시켰다. 보라색 용액이 형성될 때까지 상기 혼합물을 몇 분 동안 격렬히 섞었다. 앞서 만든 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유를 상기 용액에 담갔고 전체 반응 혼합물을 테플론 코팅된 스테인리스스틸 오토클레이브로 옮겨 뜨거운 공기 오븐에서 4시간 동안 90℃에서 열처리하였다. 그 뒤에 오븐 온도를 140℃로 올려 24시간 동안 유지했다. 반응 후, 오토클레이브를 실온으로 자연적으로 식힌 후 초미세 탄소섬유를 꺼냈다. 상기 카본 페이퍼를 불순물 제거를 위해 물과 에탄올로 여러번 세척하고 오븐에서 3시간 동안 60℃에서 건조하였다.1.5 mmol KMnO 4 (Sigma Aldrich) was dissolved in 2.5 mmol of concentrated HCl (Daejung Chemicals, Korea) and 15 mL of distilled water. The mixture was vigorously stirred for several minutes until a purple solution formed. The ultrafine carbon fiber coated with the reduced graphene grains previously prepared was immersed in the solution, and the entire reaction mixture was transferred to a Teflon coated stainless steel autoclave and heat-treated at 90 ° C for 4 hours in a hot air oven. The oven temperature was then raised to 140 ° C and held for 24 hours. After the reaction, the autoclave was naturally cooled to room temperature, and ultrafine carbon fibers were taken out. The carbon paper was washed several times with water and ethanol to remove impurities and dried at 60 DEG C for 3 hours in an oven.

(3) 재료의 합성 메커니즘(3) Synthesis mechanism of materials

구체적으로, 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에서 성게 모양의 MnO2가 성장하는 메커니즘은 MnO2 나노결정체의 버블-템플릿 집합체가 구형으로 형성된 후 MnO2 나노와이어가 방사상으로 성장하는 과정으로 설명될 수 있다. 상기 환원된 산화그래핀은 표면에 환원되지 않은 부분을 가지고 있고, 환원된 산화그래핀 시트 상의 환원되지 않은 작용기는 용액 내에서 CO2, CO, 및 H2 등의 가스를 만든다. 만들어진 가스 버블은 그래핀 표면의 결함 부분에 붙잡히게 되고, 액체/기체 경계면에서 계면 에너지를 최소화한 결과로 MnO2 나노결정체의 집합체가 유도된다. 이러한 집합체 형성과정은 KMnO4이 MnO2 나노결정체로 환원되는 수열합성 과정 동안 일어난다. 그 다음, 구형으로 집합된 MnO2 나노결정체는 특성 조건에서 방사상의 나노와이어로 성장하여 성게 모양의 MnO2 나노와이어가 된다. Specifically, the mechanism by which urchin-shaped MnO 2 grows on the reduced graphene-coated ultrafine carbon fiber is a mechanism in which MnO 2 nanowires grow radially after the bubble-template aggregate of MnO 2 nanocrystals is formed into spheres . The reduced graphene graphene has unreduced portions on the surface and the unreduced functional groups on the reduced oxidized graphene sheet produce gases such as CO 2 , CO, and H 2 in the solution. The resulting gas bubbles are caught in the defective part of the graphene surface and the aggregate of MnO 2 nanocrystals is induced as a result of minimizing the interfacial energy at the liquid / gas interface. This aggregation process occurs during the hydrothermal synthesis process in which KMnO 4 is reduced to MnO 2 nanocrystals. Then, the spherically gathered MnO 2 nanocrystals grow into radial nanowires under characteristic conditions to become sea urchin-shaped MnO 2 nanowires.

나노와이어가 성장하는 단계에서, 반응 시간 (실시예에서는 약 24시간)은 MnO2 나노와이어가 균일하게 형성되는 데 중요한 역할을 한다. 6시간 반응시킨 경우 플레이크 모양이 만들어지고 12시간의 경우 플레이크와 나노와이어가 혼합된 형태가 만들어졌으며, 48시간 반응시킨 경우 더 두꺼운 나노와이어가 생성되었다.At the nanowire growth stage, the reaction time (about 24 hours in the example) plays an important role in the uniform formation of MnO 2 nanowires. When reacted for 6 hours, a flake shape was formed. For 12 hours, mixed flake and nanowire was formed. When reacted for 48 hours, thicker nanowires were formed.

한편, 그래핀으로 코팅하지 않은 초미세 탄소섬유를 사용한 경우에는 무작위로 얽힌 MnO2 나노와이어 네트워크가 생성되었다. On the other hand, when ultrafine carbon fibers not coated with graphene were used, a randomly entangled MnO 2 nanowire network was formed.

(4) 이차 수계 Na-O(4) Secondary water system Na-O 22 전지의 제조  Manufacture of batteries

바인더나 전도체 첨가물이 전혀 포함되지 않은 MGC 전극을 Na-O2 전지 어셈블리의 공기극에 직접 사용하였다. 음극 구획을 만들기 위해 금속 나트륨 (Sigma Aldrich)를 니켈 폼(Ni foam)에 붙였고 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (tetraethylene glycol dimethyl ether; TEGDME) 용매의 NaCF3SO3 (Sigma Aldrich)를 애노드액으로 사용하였다. 다른 구획에서, 준비된 MGC 공기극을 집전체인 Ti 메쉬에 붙였고 0.1 M NaOH 용액을 캐소드액으로 사용하였다. 공기의 통과를 위해 공기극의 왼쪽은 노출시켰다. 이 두 구획된 부분은 고체 전해질 막 NASICON (Na3Zr2Si2PO12)으로 분리시켰다. An MGC electrode without any binder or conductor additive was used directly on the cathode of the Na-O 2 cell assembly. To make the cathode compartment, metal sodium (Sigma Aldrich) was attached to Ni foam and NaCF 3 SO 3 (Sigma Aldrich) in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) solvent was used as the anode liquid. In another compartment, the prepared MGC air electrode was attached to a Ti mesh as a collector and a 0.1 M NaOH solution was used as the cathode solution. The left side of the air electrode was exposed for the passage of air. These two compartments were separated by a solid electrolyte membrane NASICON (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ).

(5) 재료 특성 및 전기화학 특성 평가의 방법과 기준(5) Methods and criteria for evaluation of material properties and electrochemical properties

재료의 표면 구조를 분석하기 위하여 파우더 엑스선 회절 분석 (Powder X-ray diffraction; XRD)을 Cu K? 방사선 (?= 0.154 nm) 원료를 사용한 브루커 D8으로 15° ~ 60°의 2? 범위에서 실시하였다. 화학결합과 작용기를 조사하기 위하여 엑스선 광전자 분광기 (X-ray Photoelectron Spectrometer; XPS; K-alpha, Thermo Fisher, UK)와 532 nm의 여기 파장을 가지는 공초점 라만 현미경 (confocal Raman microscope; alpha 300R, WITec, Germany)을 사용하였다. 샘플의 표면 형상을 관찰하기 위해 10 kV 동작전압에서 분야방사 스캐닝 전자 현미경 검사 (Field Emission Scanning Electron Microscopy; FE-SEM; Hitachi, S-4800)를 실시하였다. 투과 전자 현미경 검사 (transmission electron microscopy; TEM)를 위한 샘플은 전극의 작은 조각을 잘라내어 에탄올에서 초음파 처리한 후 탄소 코팅된 Cu 격자판 (200 메쉬)에 상기 에탄올 분산체에서 채취한 작은 방울을 떨어트리고 건조시켜 준비하였다. TEM과 선택 영역 전자 회절 분석 (selected area electron diffraction; SAED)은 200 kV의 가속 전압을 사용한 JEOL JEM 2100 고해상도 투과 전자 현미경으로 분석하였다. 에너지 분산형 엑스선 분광법 (EDX)과 원소 맵은 HR-TEM에 부착된 기구 (INCA, Oxford Instruments)로 분석하였다. BET 비표면적은 Micromeritics ASAP 2020 질소 흡착 기구를 이용하여 액체 질소 온도에서 질소 흡착법을 통해 분석하였다. Powder X-ray diffraction (XRD) was performed on Cu K? Radiation (? = 0.154 nm) with Bruker D8 using raw material 15? Lt; / RTI > X-ray photoelectron spectrometer (XPS; K-alpha, Thermo Fisher, UK) and a confocal Raman microscope (alpha 300R, WITEC , Germany) were used. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM; Hitachi, S-4800) was performed at 10 kV operating voltage to observe the surface morphology of the sample. Samples for transmission electron microscopy (TEM) were prepared by cutting a small piece of the electrode and ultrasonicating it in ethanol, dropping a small droplet from the ethanol dispersion on a carbon coated Cu lattice (200 mesh) Respectively. TEM and selected area electron diffraction (SAED) were analyzed with a JEOL JEM 2100 high resolution transmission electron microscope using an accelerating voltage of 200 kV. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and elemental maps were analyzed with an instrument attached to HR-TEM (INCA, Oxford Instruments). BET specific surface area was analyzed by nitrogen adsorption method at liquid nitrogen temperature using Micromeritics ASAP 2020 nitrogen adsorption mechanism.

전지에 대한 전기화학적 평가는 원아테그 워크스테이션 (WonATech workstation; WBCS3000L)으로 수행하였다. The electrochemical evaluation of the cell was performed with a WonATech workstation (WBCS3000L).

[[ 평가예Evaluation example ]]

(1) (One) MGCMGC 재료의 표면 형상 분석 Analysis of surface morphology of materials

도 2 내지 도 5는 실시예에서 제조한 MGC 전극의 계층적 구조를 보여주는 SEM 사진이다. 도 2는 초미세 탄소섬유의 초극세사 네트워크를 보여주며, 도 3은 초극세사 상의 성게 모양 마이크로스피어 (microspheres)를 보여주고, 도 4 및 도 5는 상기 마이크로스피어에 있는 MnO2 나노와이어를 보여준다. 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유는 성게 모양의 마이크로스피어 (직경 5 ㎛ ~ 10 ㎛)로 균일하게 코팅되어 있고, 상기 마이크로스피어는 방사상으로 정렬되어 있는 MnO2 나노와이어 (직경 20 nm ~ 25 nm)로 구성되어 있다. 상기 MnO2 나노와이어는 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소 섬유에 균일하게 성장되어 있다.2 to 5 are SEM photographs showing the hierarchical structure of the MGC electrode manufactured in the embodiment. Fig. 2 shows a microfabric network of ultrafine carbon fibers, Fig. 3 shows sea urchin microspheres on microfibers, and Figs. 4 and 5 show MnO 2 Show nanowires. Ultrafine carbon fibers coated with reduced oxidized graphene are uniformly coated with urchin-shaped microspheres (diameter 5 탆 to 10 탆), and the microspheres are coated with radially aligned MnO 2 And nanowires (20 nm to 25 nm in diameter). The MnO 2 The nanowires are uniformly grown on the ultrafine carbon fibers coated with the reduced oxidized graphene.

도 6 및 도 7은 제조된 MGC의 TEM 사진으로, MnO2 나노와이어가 높은 결정 구조를 가진다는 것을 보여준다. 도 7은 MnO2 나노와이어의 성장이 0.49nm의 간격을 가지는 (200) 면을 따라 일어남을 보여준다. FIGS. 6 and 7 are TEM photographs of the produced MGC, and MnO 2 It shows that the nanowire has a high crystal structure. Figure 7 shows that the growth of MnO 2 nanowires occurs along the (200) plane with a spacing of 0.49 nm.

도 8은 MnO2 나노와이어의 원소 맵핑 사진으로, Mn과 O의 존재를 보여준다. 8 is MnO 2 An elemental mapping picture of the nanowire, showing the presence of Mn and O.

(2) (2) MGCMGC 재료의 표면 구조 분석 Surface structure analysis of materials

MGC 재료에 대한 XRD 실험을 하여, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 엑스레이 분석을 통해 순수한 알파상 MnO2가 형성되었음을 확인할 수 있으며 도면에 표시된 모든 피크가 표준 JCPDS 값 (JCPDS card No. 44-0141)과 일치함을 알 수 있다. 합성물의 결정화가 잘 이루어졌으며 분석결과가 결정 적자 파라미터 a = b = 0.97847; c = 0.28630 nm를 가지는 정방형 구조에 완벽하게 일치함은 분명하다. 환원된 산화그래핀 코팅층에 의한 것으로 보이는 26° 근처의 2?에서의 피크를 제외하고는 불순물 피크는 관찰되지 않았다.An XRD experiment was conducted on the MGC material, and the results are shown in Fig. X-ray analysis shows that pure alpha-phase MnO 2 is formed and all peaks shown in the figure correspond to the standard JCPDS value (JCPDS card No. 44-0141). The crystallization of the compound was well performed and the analytical result was determined by the determination deficit parameter a = b = 0.97847; It is clear that this is perfectly matched to a square structure with c = 0.28630 nm. No impurity peaks were observed except for the peak at 2 < [deg.] ≫ near 26 DEG which appeared to be due to the reduced oxidized graphene coating layer.

(3) (3) MGCMGC 재료의 화학 구조 분석 Chemical structure analysis of materials

또한 MGC 재료의 화학 결합 상태를 라만 분석과 XPS를 통해 조사하였다. 도 10에서 라만 스펙트럼을 통해 MGC 재료를 분석하였고 라만 밴드는 570 cm-1 및 650 cm-1에서 나타났다. 570 cm-1에서의 라만 밴드는 MnO6 시트의 기저 면에서의 Mn-O 신축 진동에 의한 것이고, 650 cm-1에서의 라만 밴드는 MnO6 그룹의 M-O 대칭 신축 진동과 관련된 것이다. MGC 재료의 라만 스펙트럼에서 D 밴드와 G 밴드는 관찰되지 않았고 이는 초미세 탄소섬유가 MnO2 나노와이어로 완전히 가려져있다는 것을 의미한다. The chemical bonding state of MGC materials was investigated by Raman analysis and XPS. In FIG. 10, the MGC material was analyzed through Raman spectrum and Raman bands were observed at 570 cm -1 and 650 cm -1 . The Raman band at 570 cm -1 is due to the Mn-O stretching vibration at the basal plane of the MnO 6 sheet and the Raman band at 650 cm -1 relates to the MO symmetric stretching vibration of the MnO 6 group. D band and G band were not observed in the Raman spectrum of the MGC material, which means that the ultrafine carbon fiber is completely covered with the MnO 2 nanowire.

도 11에 나타난 XPS 분석 결과는 제조한 MGC 재료에 Mn, O 및 C 원소가 존재함을 명확히 보여준다.The XPS analysis results shown in Figure 11 clearly show that Mn, O and C elements are present in the MGC material produced.

(4) (4) MGCMGC 전극의 전기촉매 성능 평가 Electrocatalytic performance evaluation of electrode

금속-공기 전지에서 산소환원반응 (ORR) 및 산소발생반응 (OER)의 활성 에너지를 낮추기 위한 전기촉매의 이중 기능은 매우 중요하다. 실시예에서 제조한 MGC 전극의 전기촉매적 ORR, OER 활성도를 조사하기 위해, O2 포화된 0.1 M NaOH 전해질 용액에서 1600 rpm으로 Hg/HgO 기준 전극과 함께 회전 링-디스크 전극 (rotating ring-disk electrode; RRDE) 분석법을 실시하였고, Pt/C, rGO 및 플레이크 모양의 MnO2 전극과 비교하였다.The dual function of the electrocatalyst to lower the activation energy of the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen generation reaction (OER) in metal-air cells is very important. In order to investigate the electrocatalytic ORR and OER activity of the MGC electrode prepared in the example, a rotating ring-disk electrode with an Hg / HgO reference electrode at 1600 rpm in an O 2 saturated 0.1 M NaOH electrolyte solution RRDE) and compared with Pt / C, rGO and flake - shaped MnO 2 electrodes.

도 12는 디스크 전극의 ORR 분극 곡선으로, 실시예의 MGC 전극의 활성도가 전위 상승에 따라 급격히 증가하였음을 보여준다. 0.8 V vs Hg/HgO 전위에서 MGC 전극은 5.7 mAcm-2의 ORR 피크 전류밀도를 보였는데, 이는 Pt/C 전극 (6.5 mAcm- 2)에 견줄만한 결과이다. 또한 MGC 전극은 rGO 전극(-3.9 mAcm-2) 및 MnO2 플레이크 전극 (-4.5 mAcm- 2)에 비하여 더 높은 출발 전위와 전류밀도를 나타내었다. MnO2 플레이크 전극에 비하여 MGC 전극이 더 높은 촉매 활성도를 가지는 것은 MGC 재료가 계측적 성게 형상에 의해 광범위한 활성 부위를 가지기 때문인 것으로 생각된다. FIG. 12 shows the ORR polarization curve of the disk electrode, showing that the activity of the MGC electrode of the embodiment increased sharply with increasing the potential. MGC electrode from 0.8 V vs Hg / HgO potential is the ORR was Bo peak current density of 5.7 mAcm -2, which Pt / C electrode, the results of a comparable (6.5 mAcm 2). MGC electrode showed higher starting potential and current density than rGO electrode (-3.9 mAcm -2 ) and MnO 2 flake electrode (-4.5 mAcm - 2 ). The higher catalytic activity of the MGC electrode compared to the MnO 2 flake electrode is believed to be due to the fact that the MGC material has a wide active site due to the meteorological ellipsoidal shape.

이중 기능적 전기촉매는 효율적인 전기촉매적 활성도를 위해, 전해질 이온을 잘 흡착해야 하고, 전해질 이온과 공기를 촉매 표면으로 잘 확산시켜야 하며 높은 이온 및 전하 수송 능력을 가져야 한다. 실시예의 MGC 전극에서 고 결정도의 성게 모양 MnO2는 이와 같은 이중 기능적 전기촉매의 필수적 조건을 충분히 만족하는 것으로 평가된다.Dual functional electrocatalysts must have good adsorption of electrolyte ions, good diffusion of electrolyte ions and air to the catalyst surface, and high ion and charge transport capability for efficient electrocatalytic activity. In the MGC electrode of the embodiment, the highly crystalline urchin MnO 2 is evaluated to satisfy the essential conditions of such a bifunctional electrocatalyst.

도 13은 MGC 전극의 OER 전기촉매 활성도를 나타낸 그래프이다. 도 13에 나타난 바와 같이, MGC 전극은 뛰어난 OER 전기촉매 활성도 (가장 높은 OER 피크 전류밀도 및 가장 낮은 OER 출발 전위)를 가진다는 것을 확인할 수 있다. 이는 전극의 계층적 성계 형상과 rGO에 의한 것으로 생각된다.13 is a graph showing the OER electrocatalytic activity of the MGC electrode. As shown in Fig. 13, it can be seen that the MGC electrode has excellent OER electrocatalytic activity (highest OER peak current density and lowest OER starting potential). This is thought to be due to the hierarchical sex configuration of the electrodes and rGO.

결론적으로, MGC 전극은 뛰어난 ORR 및 OER 전기촉매 활성도를 가지며, 금속-공기 전지의 이중 기능적 전기촉매로 사용되기에 적합하다. 이러한 MGC 전극은 전지에서 전극 분극 현상을 줄일 수 있다. In conclusion, the MGC electrode has excellent ORR and OER electrocatalytic activity and is suitable for use as a dual functional electrocatalyst in metal-air cells. Such an MGC electrode can reduce electrode polarization phenomenon in a battery.

(5) 전지의 (5) 재충전성Rechargeability 평가 evaluation

도 14는 실시예의 나트륨-공기 전지와 Pt/C 공기극을 적용한 전지의 15 mAg-1에서 25시간 동안의 정전류 충전 (OER 과정)과 방전 (ORR 과정) 프로파일이다. MGC 전극을 사용한 셀의 충전할 때 충전압은 2.70 V이었고 10시간 후 3.59 V에 다다랐고 그 후 전위 상승은 없었다. 방전 중에 전위는 2.9V에 달했다. 전지의 이론적 산화환원 전위 (3.11 V)와 비교했을 때 충전 과전압 (chg)은 ~0.5 V이고, 방전 과전압 (dis)은 ~0.2 V이다. 따라서 충방전 전위차 (과전압 차)는 오직 0.7 V이고 왕복 효율은 81%과 같다. MGC 전극을 적용한 실시예의 나트륨-공기 전지의 전기화학적 성능은 상용 Pt/C 전극을 적용한 경우와 유사하며 리튬-산소 전지나 비수계 나트륨-공기 전지보다 우수하게 나타났다. FIG. 14 is a profile of constant current charging (OER process) and discharging (ORR process) at 15 mAg -1 for 25 hours in a cell to which a sodium-air battery and a Pt / C air electrode of the embodiment are applied. When the cell was charged using the MGC electrode, the charging pressure was 2.70 V and reached 3.59 V after 10 hours and there was no increase in potential. During the discharge, the potential reached 2.9V. The charging overvoltage ( chg ) is ~ 0.5 V and the discharging overvoltage ( dis ) is ~ 0.2 V as compared with the theoretical redox potential (3.11 V) of the battery. Therefore, the charging / discharging potential difference (overvoltage difference) is only 0.7 V and the round trip efficiency is equal to 81%. The electrochemical performance of the sodium-air cell of the MGC electrode application was similar to that of the commercial Pt / C electrode and was superior to that of the lithium-oxygen battery and the non-aqueous sodium-air battery.

도 15는 실시예의 MGC 전극의 재충전 성능을 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유, 카본 블랙, 및 초미세 탄소섬유 전극의 경우와 비교한 그래프이다. 도 15를 통해 실시예의 전지가 월등한 성능을 보인다는 것을 확인할 수 있다. FIG. 15 is a graph comparing the refilling performance of the MGC electrode of the embodiment with that of the ultrafine carbon fiber, carbon black, and ultrafine carbon fiber electrode coated with reduced oxidized graphene. It can be seen from FIG. 15 that the battery of the embodiment shows superior performance.

도 16은 실시예의 전지에 대한 10 mAg-1부터 20 mAg-1까지 다양한 전류 밀도에서의 충방전을 통한 율특성 (rate capability)을 평가한 그래프이다. 도 16을 참고하면 과전압 차는 전류밀도 상승에 따라 미세하게 증가하였고, 이는 전해질 이온의 빠른 확산에 의한 것으로, MGC 전극이 우수한 율특성을 가진다는 것을 증명하는 것이다. FIG. 16 is a graph for evaluating the rate capability through charging and discharging at various current densities from 10 mAg -1 to 20 mAg -1 for the battery of the embodiment. Referring to FIG. 16, the overvoltage difference slightly increased with increasing current density, which is due to the rapid diffusion of electrolyte ions, demonstrating that the MGC electrode has excellent rate characteristics.

(6) 전지 메커니즘 분석(6) Analysis of battery mechanism

MGC 공기극을 적용한 나트륨-공기 전지의 뛰어난 재충전성은 성게 모양의 MnO2 및 MGC 재료의 우수한 전기촉매 활성도에 의한 것으로 생각된다. 성게 모양 MGC 전극의 우수한 성능을 설명할 수 있는 전지 수행 메커니즘을 도 17에 나타내었다. The superior rechargeability of sodium - air cells using MGC cathode is believed to be due to the excellent electrocatalytic activity of sea urchin MnO 2 and MGC materials. FIG. 17 shows a cell performance mechanism that can explain the superior performance of the sea urchin-shaped MGC electrode.

방전 중에 음극에서 양성의 Na 금속은 Na+ 이온으로 산화되어 (Na(s) Na+ + e-) 전해질을 통해 양극으로 이동하며 생성된 전자는 외부회로를 통해 이동하고, 충전 시 나트륨은 음극에 재부착된다. 생성된 전자는 산소환원반응(ORR) 과정을 통해 산소를 환원하고 환원된 산소는 공기극의 표면에서 나트륨 이온과 만난다. 공기극은 성게 형상을 하고 있는 방사상으로 정렬된 고결정의 MnO2로 이루어져있다. 성게 형상으로 인하여 MnO2 나노로드는 연속적인 V-타입 채널을 만들고 이는 활성 부위에 완전히 노출된다. 공기극의 V-타입 채널은 전해질의 확산 및 공기극과 전해질의 원활한 접촉을 돕고 Na+ 이온과 전자의 이동을 촉진한다. 앞서 말했듯이, 훌륭한 전기촉매는 전해질 이온을 잘 흡착하고 전극 표면으로 공기를 잘 확산시킨다. V-타입 채널은 MGC 전극의 전기촉매 활성도를 강화시키고 전지가 재충전 가능하도록 한다고 볼 수 있다. 나아가, 나노와이어 형상은 산화환원 과정에서 확산되어야 하는 Na+ 이온과의 거리를 좁혀주고 전극 분극을 감소시킨다. 이와 동시에 고결정의 MnO2 나노와이어는 O2 확산과 전자의 이동에 잘 노출되어 산소환원반응 (ORR) 과정을 훌륭히 도와준다. 따라서 성게 모양의 MnO2에 의해 MGC 전극은 우수한 재충전 성능을 발휘할 수 있는 것이다. 이를 입증하기 위해, 성게 모양의 MnO2를 적용한 전지의 성능을 플레이크 모양의 MnO2를 적용한 경우와 비교하였고, 도 18에 나타난 바와 같이 성게 모양의 MnO2는 플레이크 모양에 비해 월등한 결과를 보였다. During the discharge, the positive Na metal in the cathode is oxidized to Na + ions and moves to the anode through the (Na (s) Na + + e - ) electrolyte. The generated electrons move through the external circuit, Lt; / RTI > The generated electrons reduce oxygen through an oxygen reduction reaction (ORR) process, and the reduced oxygen meets sodium ions at the surface of the air electrode. The air electrode consists of high-crystalline MnO 2 arranged in a radially-aligned shape. Due to the sea urchin shape, the MnO 2 nanorods create a continuous V-type channel, which is completely exposed to the active site. The V-type channel of the air electrode facilitates diffusion of the electrolyte and smooth contact between the air electrode and the electrolyte and promotes the movement of Na + ions and electrons. As mentioned earlier, good electrocatalysts adsorb electrolyte ions well and spread air well over the electrode surface. The V-type channel can enhance the electrocatalytic activity of the MGC electrode and make the cell rechargeable. Furthermore, the nanowire shape narrows the distance to Na + ions that must be diffused in the redox process and reduces electrode polarization. At the same time, the high-crystalline MnO 2 nanowires are well exposed to O 2 diffusion and electron transport, which greatly facilitates the oxygen reduction (ORR) process. Therefore, the MgC electrode can exhibit excellent rechargeability by the urchin-shaped MnO 2 . In order to verify this, the performance of the cell with the sea urchin-shaped MnO 2 was compared with that of the case where the flake-like MnO 2 was applied. As shown in FIG. 18, the sea urchin-shaped MnO 2 was superior to the flake shape.

이에 더하여, 알파상의 MnO2, 전도성과 친수성을 높이는 환원된 산화그래핀, 바인더가 필요 없다는 장점, 및 높은 비표면적 (22m2g-1) 등이 일 구현예에 따른 나트륨-공기 전지의 훌륭한 성능에 기여한다고 보인다. In addition, the advantages of alpha-phase MnO 2 , reduced oxide graphene to enhance conductivity and hydrophilicity, the absence of a binder, and high specific surface area (22 m 2 g -1 ) .

(7) 전지의 수명 특성 평가(7) Evaluation of battery life characteristics

실시예의 전지에 대하여 20 사이클까지 충방전을 실험하였고, 도 19에 각 사이클에 따른 충방전 프로파일을 나타내었다. 15 mAg-1에서 1000시간 동안의 연속적인 충방전 실험 동안 현저한 전위 하락은 보이지 않았다. 또한 도 20에서 MGC 전극의 충방전 사이의 전위 차를 그래프로 나타내었고, 0.7 V에서 0.84 V로 미세한 전위차 증가만 관찰되었다. 도 20을 참고하면, 20 사이클 후 충방전 효율은 78% 내지 81%임을 알 수 있고 이는 실시예의 성게 모양 MnO2 공기극을 적용한 수계 나트륨-공기 전지의 재충전성이 우수함을 의미한다.Charging and discharging of the batteries of the examples were carried out up to 20 cycles, and FIG. 19 shows charging / discharging profiles according to each cycle. No significant drop in potential was observed during the continuous charge / discharge test for 1000 hours at 15 mAg -1 . In FIG. 20, the potential difference between charge and discharge of the MGC electrode is shown graphically, and only a minute potential difference increase is observed at 0.7 V to 0.84 V. Referring to FIG. 20, it can be seen that the charge-discharge efficiency after 20 cycles is 78% to 81%, which means that the water-based sodium-air battery using the urchin-shaped MnO 2 air electrode of the embodiment is excellent in rechargeability.

MGC 전극의 뛰어난 재충전 성능은 합리적인 전극 디자인 (성게 모양, 환원된 산화그래핀의 지지, 및 바인더가 필요 없는 성질 등)과 ORR 및 OER 과정에 대한 우수한 전기촉매 활성도에 의한 것으로 보인다. 앞서 논의한 바와 같이, Pt/C 전극과 비교했을 때 MGC 전극은 ORR 활성도에서 유사한 성능을, OER 활성도에서 더 뛰어한 성능을 보였으며, 이에 따라 고도의 반복 가능한 산화환원 과정을 유도할 수 있어 우수한 충방전 반복 성능을 발휘할 수 있다. The excellent recharging performance of the MGC electrode appears to be due to its rugged electrode design (urchin shape, support of reduced graphene grains, and binder-free properties) and excellent electrocatalytic activity for ORR and OER processes. As discussed above, the MGC electrode exhibits similar performance in ORR activity and superior performance in OER activity as compared to the Pt / C electrode, thereby leading to a highly repeatable redox process, Discharge repetition performance can be exhibited.

한편 MGC 전극의 튼튼한 성질도 우수한 재충전성에 기여한다고 보인다. MGC 전극의 튼튼한 성질은 MGC 전극의 전기화학적 충방전 실험 전과 후의 SEM 사진을 비교함으로써 증명할 수 있다. 도 21은 MGC 전극의 20 사이클 후 (15 mAg-1에서 1000시간)의 SEM 사진으로, 전극 형상에 변화가 거의 없다는 것이 확인된다. 이는 활물질과 집전체가 강력히 접착되어 있다는 것을 의미한다. On the other hand, the robust nature of the MGC electrode also seems to contribute to excellent rechargeability. The robust nature of the MGC electrode can be demonstrated by comparing the SEM images before and after the electrochemical charge and discharge experiments of the MGC electrode. Fig. 21 is a SEM photograph of the MGC electrode after 20 cycles (at 15 mAg < -1 > for 1000 hours) showing almost no change in electrode shape. This means that the active material and the collector are strongly bonded.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (20)

초미세 탄소섬유 (carbon microfiber), 환원된 산화그래핀(rGO), 및 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 포함하는 계층적(hirerarchical) 구조의 재료이되,
상기 계층적(hirerarchical) 구조는,
상기 초미세 탄소섬유 (carbon microfiber)가 상기 환원된 산화그래핀(rGO)로 코팅되고,
상기 환원된 산화그래핀(rGO)이 코팅된 초미세섬유가 상기 성게 모양의 마이크로스피어(microspheres)로 코팅되고,
상기 성게 모양의 마이크로스피어는 방사상으로 정렬되어 있는 MnO2 나노와이어로 구성되는 것인,
재료.
Which is a material of a hirerarchical structure including carbon microfiber, reduced oxidized graphene (rGO), and sea urchin MnO 2 nanowire,
The hirerarchical structure may be a < RTI ID = 0.0 >
Wherein the carbon microfiber is coated with the reduced oxidation graphene (rGO)
The ultrafine fibers coated with the reduced oxidized graphene (rGO) are coated with the urchin-shaped microspheres,
Wherein said urchin-like microspheres are comprised of radially aligned MnO 2 nanowires.
material.
제1항에서,
상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 바인더 없이 상기 환원된 산화그래핀에 직접 연결되어 있는 것인 재료.
The method of claim 1,
The sea urchin-like MnO 2 Wherein the nanowire is directly connected to the reduced graphene graphene without a binder.
삭제delete 제1항에서,
상기 마이크로스피어의 평균 직경은 1㎛ 내지 15㎛인 재료.
The method of claim 1,
Wherein the average diameter of the microspheres is 1 占 퐉 to 15 占 퐉.
제1항에서,
상기 MnO2 나노와이어의 단면의 평균 직경은 5 nm 내지 50 nm인 재료.
The method of claim 1,
Wherein the average diameter of the cross-section of the MnO 2 nanowire is 5 nm to 50 nm.
제1항에서,
상기 환원된 산화그래핀은 다공성인 재료.
The method of claim 1,
Wherein the reduced graphene graphene is porous.
제1항에서,
상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 알파상의 MnO2 (α- MnO2) 나노와이어인 재료.
The method of claim 1,
The sea urchin-like MnO 2 Nanowires are materials that are alpha-phase MnO 2 (α-MnO 2 ) nanowires.
제1항에서,
상기 성게 모양의 MnO2 나노와이어는 V-타입의 채널을 형성하는 것인 재료.
The method of claim 1,
The sea urchin-like MnO 2 Wherein the nanowire forms a V-type channel.
제1항에서,
상기 재료의 BET 비표면적은 10 m2/g 내지 30 m2/g인 재료.
The method of claim 1,
Wherein the BET specific surface area of the material is from 10 m 2 / g to 30 m 2 / g.
초미세 탄소섬유에 환원된 산화그래핀을 코팅하는 단계, 및
환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하되,
상기 초미세 탄소섬유에 환원된 산화그래핀을 코팅하는 단계는, 산화그래핀 분산액에 에칭 입자를 첨가하는 단계, 제조된 혼합액에 초미세 탄소섬유를 첨가하여 열처리하는 단계, 및 상기 에칭 입자를 에칭하는 단계를 포함하고,
상기 제조된 혼합액에 초미세 탄소섬유를 첨가하여 열처리하는 단계에서, MnO2 나노결정체의 버블-템플릿 집합체가 구형으로 형성된 후, 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 MnO2 나노와이어가 방사상으로 성장하는 것인,
는 재료의 제조 방법.
Coating the reduced grafted carbon fiber with reduced oxidized graphene, and
And forming urchin-like MnO 2 nanowires on the ultrafine carbon fiber coated with reduced oxidized graphene,
The step of coating the reduced graphene oxide graphene on the ultrafine carbon fiber may include the steps of adding etchant particles to the graphene oxide dispersion, adding ultrafine carbon fiber to the prepared mixed solution and heat treating the etchant, , ≪ / RTI >
In the step of heat treatment by the addition of ultrafine carbon fiber in the prepared mixture solution, MnO 2 bubbles of the nano-crystals - after the template assembly is formed in a spherical shape, the reduced oxidation graphene MnO 2 on the coated ultra-fine carbon fiber nano Wherein the wire is radially grown,
Lt; / RTI >
삭제delete 제10항에서,
상기 에칭 입자는 폴리스티렌, 실리카, 또는 이들의 조합을 포함하는 재료의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the etchant particles comprise polystyrene, silica, or a combination thereof.
제10항에서,
상기 열처리는 100℃ 내지 200℃에서 6시간 내지 24시간 동안 하는 것인 재료의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the heat treatment is performed at 100 占 폚 to 200 占 폚 for 6 hours to 24 hours.
제10항에서,
상기 에칭 입자를 에칭하는 단계는 코팅된 초미세 탄소섬유를 에칭 용액에 담그는 단계를 포함하고,
상기 에칭 용액은 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 자일렌(xylene), 디클로로메탄(dichloromethane), 클로로폼(chloroform), 카본 테트라클로라이드(carbon tetrachloride), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 재료의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of etching the etchant particles comprises immersing the coated ultrafine carbon fibers in an etching solution,
The etching solution may be an organic solvent such as toluene, acetone, benzene, ethylbenzene, xylene, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, , Tetrahydrofuran, or a combination thereof.
제10항에서,
상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계는 수열 합성 방법에 의한 것인 재료의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
On the ultrafine carbon fiber coated with the reduced graphene oxide, sea urchin-shaped MnO 2 Wherein the step of forming the nanowires is by a hydrothermal synthesis method.
제10항에서,
상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유 상에 성게 모양의 MnO2 나노와이어를 형성하는 단계는
KMnO4를 포함하는 용액에 상기 환원된 산화그래핀이 코팅된 초미세 탄소섬유를 담그는 단계, 및 열처리 단계를 포함하는 재료의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
On the ultrafine carbon fiber coated with the reduced graphene oxide, sea urchin-shaped MnO 2 The step of forming the nanowire
Immersing the ultra-fine carbon fiber coated with the reduced oxidized graphene in a solution containing KMnO 4 , and a heat treatment step.
제16항에서,
상기 열처리는 100℃ 내지 200℃에서 12시간 내지 48시간 동안 하는 것인 재료의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the heat treatment is performed at 100 占 폚 to 200 占 폚 for 12 hours to 48 hours.
제1항, 제2항, 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 재료를 포함하는 금속-공기 전지의 공기극.An air electrode of a metal-air battery comprising a material according to any one of claims 1, 2 and 4 to 9. 제18항의 공기극,
상기 공기극과 접촉하는 수계 전해질,
알칼리 금속을 포함하는 음극,
상기 음극과 접촉하는 비수계 전해질, 및
상기 공기극과 상기 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 금속-공기 전지.
The air electrode of claim 18,
A water-based electrolyte in contact with the air electrode,
A negative electrode containing an alkali metal,
A non-aqueous electrolyte in contact with the negative electrode, and
And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the cathode.
제19항에서,
상기 금속-공기 전지는 이차 수계 Na-O2 전지인 금속-공기 전지.
20. The method of claim 19,
The metal-air battery is a secondary aqueous Na-O 2 battery.
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