KR101982629B1 - Plant-derived pyrogallol-conjugated electrode binder and its manufacturing method for enhancing performance of lithium secondary battery - Google Patents

Plant-derived pyrogallol-conjugated electrode binder and its manufacturing method for enhancing performance of lithium secondary battery Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬이온 전지 성능 개선을 위한, 겔 형태의 자가 회복성 특징을 갖는 이차 전지 음극재 바인더와 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 식물에 많이 존재하는 피로갈롤(pyrogallol) 작용기를 고분자에 도입함으로써, 기존 고분자 바인더에 젤 형태로의 자가 변화 및 자가 회복 능력을 부여하고, 이를 통해 음극재의 내구성을 높임으로서, 결과적으로 실리콘 기반의 음극재를 이용한 차세대 이차전지의 성능을 크게 향상시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery negative electrode material binder having a gel-type self-healing feature for improving lithium ion battery performance and a method of manufacturing the same. More specifically, by introducing pyrogallol functional groups, which are present in a large number of plants, into polymers, the polymer binders can be self-changed and self-healing in the form of gels, thereby increasing the durability of the negative electrode material. The present invention relates to a method of greatly improving the performance of a next-generation secondary battery using a silicon-based negative electrode material.

Description

리튬 이온 전지 성능 개선을 위한 식물 유래 피로갈롤 작용기가 도입된 실리콘 음극재 바인더 및 그 제조방법 {Plant-derived pyrogallol-conjugated electrode binder and its manufacturing method for enhancing performance of lithium secondary battery}Plant-derived pyrogalol functional group silicon negative electrode binder for improving lithium ion battery performance and its manufacturing method {Plant-derived pyrogallol-conjugated electrode binder and its manufacturing method for enhancing performance of lithium secondary battery}

본 발명은 리튬이온 전지 성능 개선을 위한, 겔 형태의 자가 회복성 특징을 갖는 이차 전지 음극재 바인더와 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 식물에 많이 존재하는 피로갈롤(pyrogallol) 작용기를 고분자에 도입함으로써, 기존 고분자 바인더에 젤 형태로의 자가 변화 및 자가 회복 능력을 부여하고, 이를 통해 음극재의 내구성을 높임으로서, 결과적으로 실리콘 기반의 음극재를 이용한 차세대 이차전지의 성능을 크게 향상시키는 방법이다.The present invention relates to a secondary battery negative electrode material binder having a gel-type self-healing feature for improving lithium ion battery performance and a method of manufacturing the same. More specifically, by introducing pyrogallol functional groups, which are present in a large number of plants, into polymers, the polymer binders can be self-changed and self-healing in the form of gels, thereby increasing the durability of the negative electrode material. It is a method to greatly improve the performance of the next-generation secondary battery using a silicon-based negative electrode material.

최근, 리튬-탄소 기반의 전지의 성능보다 훨씬 뛰어난 차세대의 이차 전지를 개발하고 그 성능을 안정적으로 개선하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 차세대 이차 전지의 연구는 기존 리튬-탄소 기반의 전지의 성능 향상이 아닌, 전지의 전극재 자체를 바꾸어 줌으로써 기존 리튬 혹은 탄소가 가지고 있는 전지의 능력보다 뛰어난 전지를 개발하는 방향으로 진행되고 있다. 이 중에, 탄소 소재의 음극을 실리콘 소재의 음극재로 바꾼 리튬-실리콘 계열의 배터리가 큰 주목을 받고 있는데, 이는 실리콘이 탄소에 비해 단위 질량 당 약 10배 이상의 전지 충전 효율을 가지고 있어, 전지의 소형화/고용량 화에 큰 기여를 할 수 있기 때문이다.Recently, researches are being actively conducted to develop a next-generation secondary battery far superior to that of a lithium-carbon based battery and to stably improve its performance. The research of the next-generation secondary battery is progressing toward developing a battery that is superior to the capacity of the existing lithium or carbon battery by changing the electrode material itself, rather than improving the performance of the existing lithium-carbon based battery. Among these, lithium-silicon-based batteries which have replaced the negative electrode of the carbon material with the negative electrode material of the silicon material have received great attention, which has a battery charging efficiency of about 10 times or more per unit mass of the silicon compared to the carbon, This is because it can greatly contribute to miniaturization and high capacity.

그러나 실리콘 음극재는 전지의 충/방전 순환에 의해 부피가 크게 팽창/수축하기 때문에, 전극의 균열, 조각화가 쉽게 발생하게 되어 긴 순환수명을 유지하기 힘들다는 큰 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 음극재를 보호하는 다양한 전략이 제시되고 있는데, 그 중 고분자 물질을 전극 제작 단계에서 섞어주어 전극의 형태를 유지시키는데 도움을 주는 이른바 '고분자 바인더' 전략이 가장 각광받고 있다. 그러나 기존에 제시되고 있는 일반적인 고분자 바인더 전략 역시 단순히 전극 자체의 형태를 잡아주는 정도의 개선은 가능하나, 다수의 충/방전 순환에 의한 전극 손상 자체를 근본적으로는 해결할 수 없다는 한계점에 대해서는 여전히 해결이 불가능하다.However, since the silicon negative electrode material expands / contracts largely due to the charge / discharge cycle of the battery, cracking and fragmentation of the electrode easily occur, which makes it difficult to maintain a long cycle life. In order to solve these shortcomings, various strategies for protecting the negative electrode material have been proposed. Among them, a so-called 'polymer binder' strategy that helps to maintain the shape of the electrode by mixing the polymer material at the electrode manufacturing stage has been in the spotlight. However, the conventional polymer binder strategy, which has been proposed, can be improved by simply taking the shape of the electrode itself. However, the limitation that the electrode damage itself due to the multiple charge / discharge cycles cannot be solved fundamentally is still solved. impossible.

겔화(gelation)는 용액 내에서 고분자가 가지는 특성 중의 하나로, 주로 수용액 내에서 고분자가 약한 가교결합(cross-linking) 상황에 의해 액체가 가지는 흐름 현상이 약해지고 고체 상에 더 가까운 특징을 보여주는 상 변이이다. 이러한 겔 형태의 고분자는 주로 소형 약물 전달 캡슐, 인공 조직 및 장기의 3차원 스캐폴드 (scaffold)등 생체/의료 목적의 용도로 시작하여 산업 전반에서 매우 폭넓게 활용되고 있다.Gelation is one of the characteristics of polymers in solution. It is a phase transition that shows the weaker flow phenomenon of liquid and closer to solid phase mainly due to weak cross-linking situation in polymer solution in aqueous solution. . These gel-type polymers have been widely used throughout the industry, mainly for use in bio / medical purposes such as small drug delivery capsules, artificial tissues and organ three-dimensional scaffolds.

그러나, 고분자의 겔화에는 고분자의 종류와 농도, 고분자의 평균 분자량, 고분자 간의 화학적/물리적 영향 정도, 수화 상태에서의 수용액 내 물질들 과의 상호 작용 등 영향을 미치는 요소가 다수 존재하기 때문에, 대다수의 고분자는 고분자 자체로써 겔화 시키기 매우 어렵거나 그 조건이 매우 까다롭다. 따라서, 특정 활용 목적에 매우 최적화되어 있는 고분자일지라도, 그 고분자를 겔화 시켜 사용하는 데에 제약이 많다. 이에, 고분자에 잔기를 부여하거나 기존 잔기를 치환시키는 방법, 혹은 화합물 처리를 통해 강제로 고분자를 상호 연결 시키는 등의 방법 등 고분자의 겔화를 유도하는 다양한 연구 방향이 제시되고 있다. However, the gelation of the polymer has a number of factors that affect the type and concentration of the polymer, the average molecular weight of the polymer, the degree of chemical and physical effects between the polymer, the interaction with the substances in the aqueous solution in the hydrated state, Polymers are very difficult to gelate themselves or are very demanding. Therefore, even if the polymer is highly optimized for a particular application purpose, there are many limitations in using the gelled polymer. Accordingly, various research directions for inducing gelation of polymers, such as a method of imparting a residue to a polymer or replacing an existing residue, or forcibly interconnecting a polymer through a compound treatment, have been proposed.

식물은 광합성 중 발생하는 활성 전자 등의 위험 물질로부터 자신들을 스스로 보호하기 위해, 빠르게 스스로 산화하여 다른 주요 물질들을 산화반응으로부터 보호하는 항산화물질을 가지고 있다. 이러한 항산화물질은 주로 카테킨, 탄닌 등의 물질로서, 피로갈롤이라는 작용기의 유도체 물질이다. 피로갈롤이라는 작용기는 공기 중 산소의 노출만으로도 쉽게 스스로 산화할 수 있는 물질이기 때문에, 이러한 식물 유래의 피로갈롤 유도체 물질을 활용하고자 하는 시도가 활발히 진행되고 있다.Plants have antioxidants that quickly oxidize themselves to protect other key substances from oxidation, to protect themselves from dangerous substances such as active electrons that occur during photosynthesis. These antioxidants are mainly catechins, tannins, and the like, and are derivatives of functional groups called pyrogallol. Since a functional group called pyrogallol is a substance which can be easily oxidized by only exposure to oxygen in the air, attempts to utilize such pyrogallol derivatives derived from plants have been actively conducted.

상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 피로갈롤 작용기를 고분자에 도입하여 겔화함으로써, 자가회복 능력을 가지고 수명이 향상된 리튬-실리콘 기반의 차세대 이차전지 음극재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a pyrogalol functional group to the polymer and gelated, to provide a lithium-silicon-based next-generation secondary battery negative electrode material having a self-recovery capability and a method of manufacturing the same.

상술한 문제를 해결하기 위해, 제1양태에 의한 본 발명은 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention according to the first aspect provides a polymer compound into which a pyrogallol functional group is introduced.

상기 고분자 화합물은 화학식 1 내지 화학식 3 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.The polymer compound may have a structure of any one of Formulas 1 to 3.

(화학식 1)(Formula 1)

Figure 112017037892843-pat00001
Figure 112017037892843-pat00001

(화학식 2)(Formula 2)

Figure 112017037892843-pat00002
Figure 112017037892843-pat00002

(화학식 3) (Formula 3)

Figure 112017037892843-pat00003
Figure 112017037892843-pat00003

또한 제2양태에 의한 본 발명은 (a)원료 고분자 화합물을 용매와 혼합하여 용해하는 단계; (b) 상기 원료 고분자 화합물 용액에 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물을 첨가한 다음 교반하여 원료 고분자 화합물에 피로갈롤 작용기를 도입하는 단계; 및 (c) 미반응물을 제거하여 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 수득하는 단계를 포함하는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention according to the second aspect (a) mixing the raw polymer compound with a solvent to dissolve; (b) adding a compound having a pyrogallol functional group to the raw polymer compound solution and then stirring to introduce the pyrogallol functional group into the raw polymer compound; And (c) removing the unreacted material to obtain a polymer compound having a pyrogallol functional group introduced therein.

상기 원료 고분자 화합물은 카르복실기(-COOH)를 포함할 수 있다.The raw polymer compound may include a carboxyl group (-COOH).

상기 원료 고분자 화합물은 하기의 화학식 4 내지 화학식 6 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.The raw polymer compound may have a structure of any one of the following Chemical Formulas 4 to 6.

(화학식 4)(Formula 4)

Figure 112017037892843-pat00004
Figure 112017037892843-pat00004

(화학식 5)(Formula 5)

Figure 112017037892843-pat00005
Figure 112017037892843-pat00005

(화학식 6)(Formula 6)

Figure 112017037892843-pat00006
Figure 112017037892843-pat00006

상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 식물유래 화합물일 수 있다.The compound having a pyrogallol functional group may be a plant-derived compound.

상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 아미노기(-NH2)를 포함할 수 있다.The compound having a pyrogallol functional group may include an amino group (-NH 2 ).

상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 하기의 화학식 7의 구조를 가질 수 있다.The compound having a pyrogallol functional group may have a structure of Formula 7 below.

(화학식 7)(Formula 7)

Figure 112017037892843-pat00007
Figure 112017037892843-pat00007

상기 (a)단계는 활성제를 첨가하는 것을 포함할 수 있다.Step (a) may include adding an active agent.

상기 활성제는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(EDC)를 포함할 수 있다.The active agent may comprise 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC).

상기 (c) 미반응물 제거 단계는, 반투과성 여과막을 이용하여 미 반응물을 제거한 다음, 동결건조하는 단계일 수 있다.The (c) unreacted material removing step may be a step of removing the unreacted material by using a semipermeable filtration membrane and then lyophilizing.

또한 제3양태에 의한 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 제공한다.The present invention according to the third aspect also provides a polymer compound into which a pyrogallol functional group produced by the above method is introduced.

또한 제4양태에 의한 본 발명은 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 포함하는 전극소재를 제공한다.The present invention according to the fourth aspect also provides an electrode material comprising a high molecular compound into which a pyrogallol functional group is introduced.

또한 제5양태에 의한 본 발명은 (i) 상기 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 증류수에 용해하는 단계; 및 (ii) 상기 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 용액에 실리콘 나노입자 및 전도성 화합물을 첨가하여 실리콘 전극 소재를 제조하는 단계를 포함하는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 바인더로 사용한 실리콘 이차전지 전극 소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention according to the fifth aspect comprises the steps of: (i) dissolving the polymer compound in which the pyrogallol functional group is introduced into distilled water; And (ii) adding a silicon nanoparticle and a conductive compound to the polymer solution into which the pyrogallol functional group is introduced, thereby preparing a silicon electrode material. It provides a method of manufacturing.

상기 전도성 화합물은 ITO, 은 나노와이어, 은나노입자, 탄소화합물, 철, 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 또는 주석이 포함할 수 있다.The conductive compound may include ITO, silver nanowires, silver nanoparticles, carbon compounds, iron, copper, aluminum, gold, silver, nickel or tin.

또한 제6양태에 의한 본 발명은 방법으로 제조되는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 바인더로 사용한 실리콘 이차전지 전극 소재를 제공한다.In addition, the present invention according to the sixth aspect provides a silicon secondary battery electrode material using a polymer compound having a pyrogallol functional group introduced by the method as a binder.

또한 제7양태에 의한 본 발명은 (1) 제16항의 실리콘 이차전지 전극 소재를 구리박막에 도포하여 전극을 제작하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 제조된 전극을 재단하여 전지에 삽입 가능한 형태로 제작하는 단계를 포함하는 실리콘 이차전지 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention according to the seventh aspect of the present invention comprises the steps of: (1) preparing an electrode by applying the silicon secondary battery electrode material of claim 16 to a copper thin film; And (2) provides a method for manufacturing a silicon secondary battery electrode comprising the step of cutting the electrode prepared in the step (1) to form a insertable into the battery.

상기 구리박막은 5~20 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The copper thin film may have a thickness of 5 ~ 20 ㎛.

또한 제8양태에 의한 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 실리콘 이차전지 전극을 제공한다.The present invention according to the eighth aspect also provides a silicon secondary battery electrode produced by the above method.

본 발명에 따른 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물 및 상기 고분자 화합물을 바인더로 활용한 실리콘 이차전지는, 기존의 실리콘 이차전지가 가지고 있던 단점이었던 부피 팽창에 의한 수명 감소현상을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한 피로갈롤 작용기에 의해 기존 일반 고분자 바인더가 가지지 못한 물리적/화학적인 다양한 상호작용력을 고분자 화합물에 부여함으로써, 실리콘 전극의 전체적인 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.The polymer compound into which the pyrogallol functional group according to the present invention is introduced and the silicon secondary battery using the polymer compound as a binder can significantly reduce the lifespan reduction effect due to volume expansion, which is a disadvantage of the conventional silicon secondary battery. In addition, by giving the pyrogalol functional group a variety of physical and chemical interaction force that the conventional general polymer binder does not have, the overall stability of the silicon electrode can be greatly improved.

도 1은 고분자의 작용기인 카르복실 작용기를 활성화시켜 피로갈롤 아민을 도입하는 일련의 과정을 도식으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1을 통해 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자의 흡광도를 측정하여 피로갈롤이 고분자에 성공적으로 도입되었음을 확인한 그래프이다.
도 3의 (A)~(B)는 도 1에서 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자를 바인더로 사용한 실리콘 전극을 사용해 리튬 반쪽 전지를 제작하여 전지의 충방전 순환 횟수에 따른 충전용량 유지 능력을 확인한 그래프이며, (C)는 도 1의 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 중 피로갈롤 작용기가 도입된 히알루론산 고분자를 바인더로 사용한 실리콘 전극에 대해 충방전 속도에 따른 충전용량 유지 능력을 확인한 그래프이다.
도 4는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 중 피로갈롤이 도입된 히알루론산 고분자를 바인더로 사용한 실리콘 전극에 대해 5회의 충방전 순환을 수행 한 후, 피로갈롤이 도입되지 않은 히알루론산 고분자를 바인더로 사용한 실리콘 전극과 더불어 기존 실리콘 바인더로 연구 되던 카르복시메틸셀룰로오스 바인더와의 훼손 정도를 주사전자현미경을 통해 비교 관찰한 이미지이다.
도 5는 피로갈롤 작용기가 도입된 히알루론산 고분자와 실리콘 나노입자간의 물리적 상호영향력을 확인하기 위해 근적외선 흡광분석을 수행한 그래프이다.
도 6은 피로갈롤 작용기가 도입된 히알루론산 고분자의 자연 겔화를 확인하기 위해, 전극 제작 환경과 같은 농도의 고분자 용액에 대해 시간에 따른 유변학적 변화 정도를 유동계(Rheometer)로 확인한 그래프이다.
도 7은 피로갈롤 작용기가 도입된 히알루론산 고분자의 자연 겔화에 의해, 해당 고분자를 바인더로 사용하여 전극 제작 시 실리콘 나노 입자 등의 전극 물질과의 강한 그물 형태의 바인더 구조가 형성됨을 입증하기 위해 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 8은 피로갈롤 작용기가 도입된 히알루론산 고분자가 피로갈롤의 자가산화에 의해 공유결합을 형성하여 전체적인 분자량이 증가함을 확인하기 위해 고성능액체크로마토그래피를 통해 피로갈롤 도입된 모델 단분자인 프로필갈레이트의 산소 노출 전과 후의 머무름 시간(Retention time) 확인한 그래프이다.
도 9는 피로갈롤 작용기가 도입된 히알루론산 고분자가 피로갈롤의 자가산화에 의해 공유결합을 형성하는 매커니즘을 간접적으로 증명하기 위해 피로갈롤 도입 고분자의 모델 단분자인 프로필갈레이트 수용액을 준비하여, 공기 중 자연 산화에 의해 공유결합을 형성하여 이합체를 형성함을 질량분석 한 그래프이다.
1 is a diagram illustrating a series of processes for introducing pyrogallol amine by activating a carboxyl functional group, which is a functional group of a polymer.
FIG. 2 is a graph confirming that pyrogallol was successfully introduced into the polymer by measuring absorbance of the polymer into which the pyrogallol functional group was introduced through FIG. 1.
Figure 3 (A) ~ (B) is a graph showing the ability to maintain the charge capacity according to the number of charge and discharge cycle of the battery by producing a lithium half-cell using a silicon electrode using a polymer in which the pyrogallol functional group introduced in Figure 1 as a binder (C) is a graph confirming the ability to maintain the charge capacity according to the charge-discharge rate for the silicon electrode using the hyaluronic acid polymer in which the pyrogallol functional group introduced polymer of the pyrogallol functional group of Figure 1 introduced as a binder.
FIG. 4 shows five charge / discharge cycles of a silicon electrode using pyrogallol-introduced hyaluronic acid polymer as a binder, and then a hyaluronic acid polymer without pyrogallol is used as a binder. In addition to the silicon electrode, the degree of damage to the carboxymethyl cellulose binder, which has been studied with the conventional silicone binder, was compared and observed through a scanning electron microscope.
FIG. 5 is a graph of a near-infrared absorbance analysis for confirming the physical interaction between the hyaluronic acid polymer and the silicon nanoparticles to which the pyrogallol functional group is introduced.
6 is a graph confirming the degree of rheological change over time with respect to the polymer solution of the same concentration as the electrode fabrication environment in order to confirm the natural gelation of the hyaluronic acid polymer introduced with a pyrogallol functional group.
FIG. 7 is a natural gelling of a hyaluronic acid polymer having a pyrogallol functional group introduced therein, to demonstrate that a strong net-like binder structure with electrode materials such as silicon nanoparticles is formed during electrode fabrication using the polymer as a binder. It is an image observed with an electron microscope.
FIG. 8 is a profile monomolecule introduced by pyrogallol through high performance liquid chromatography to confirm that the hyaluronic acid polymer into which the pyrogallol functional group is introduced forms a covalent bond by autooxidation of pyrogallol to increase the overall molecular weight. It is a graph confirming retention time before and after oxygen exposure of rate.
9 is prepared by preparing an aqueous solution of propylgallate, which is a model single molecule of a pyrogallol introduced polymer, to indirectly prove a mechanism in which a hyaluronic acid polymer into which a pyrogallol functional group is introduced is covalently formed by autooxidation of pyrogallol, It is a mass spectrometry graph that forms dimers by forming covalent bonds by natural oxidation.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.

본 발명자들은 상용화된 고분자 화합물에 피로갈롤 작용기를 도입함으로써, 추가적인 산화제 처리 없이도 손쉽게 고분자 간의 가교 결합이 가능한 이차전지 고분자 바인더를 제조할 수 있음을 확인하였다. 또한 상기 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 바인더는 고분자 사슬 간의 상호작용력이 크게 증진되었으며, 이를 통해 고분자의 겔화를 쉽게 유도할 수 있고, 자가회복능력을 보유하고 있다는 것을 확인하였다. 아울러 본 발명에 따른 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물 바인더를 실리콘 기반의 차세대 이차전지에 활용함으로써, 이차전지의 수명성능이 크게 향상되었음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.The present inventors confirmed that by introducing a pyrogallol functional group into a commercially available polymer compound, a secondary battery polymer binder capable of easily crosslinking polymers without additional oxidizing agent treatment can be prepared. In addition, the polymer binder in which the pyrogallol functional group is introduced has greatly enhanced the interaction force between the polymer chains, and it is confirmed that the polymer binder can easily induce gelation and has self-healing ability. In addition, by utilizing the polymer compound binder in which the pyrogallol functional group according to the present invention is introduced in a silicon-based next-generation secondary battery, it was confirmed that the life performance of the secondary battery was greatly improved and the present invention was completed.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 카르복실기를 작용기로 가지는 고분자 화합물에 아민기를 가지는 피로갈롤 화합물을 반응시킴으로써 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a polymer in which a pyrogallol functional group is introduced by reacting a pyrogallol compound having an amine group with a polymer compound having a carboxyl group as a functional group, and a method of manufacturing the same.

제1양태에 의한 본 발명은 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 제공한다.The present invention according to the first aspect provides a polymer compound into which a pyrogallol functional group is introduced.

상기 고분자 화합물은 화학식 1 내지 화학식 3 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.The polymer compound may have a structure of any one of Formulas 1 to 3.

(화학식 1)(Formula 1)

Figure 112017037892843-pat00008
Figure 112017037892843-pat00008

(화학식 2)(Formula 2)

Figure 112017037892843-pat00009
Figure 112017037892843-pat00009

(화학식 3) (Formula 3)

Figure 112017037892843-pat00010
Figure 112017037892843-pat00010

제2양태에 의한 본 발명은 (a) 원료 고분자 화합물을 용매와 혼합하여 용해하는 단계; (b) 상기 원료 고분자 화합물 용액에 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물을 첨가한 다음 교반하여 원료 고분자 화합물에 피로갈롤 작용기를 도입하는 단계; 및 (c) 미 반응물을 제거하여 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 수득하는 단계를 포함하는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물의 제조방법을 제공한다.The present invention according to the second aspect comprises the steps of (a) mixing the raw polymer compound with a solvent to dissolve it; (b) adding a compound having a pyrogallol functional group to the raw polymer compound solution and then stirring to introduce the pyrogallol functional group into the raw polymer compound; And (c) removing the unreacted material to obtain a polymer compound having a pyrogallol functional group introduced therein.

이하, 상기 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail for each step.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)는 원료 고분자 화합물을 용매에 녹여 원료 고분자 화합물 용액을 제조하는 단계이다.In the production method according to the present invention, step (a) is a step of preparing a raw polymer compound solution by dissolving the raw polymer compound in a solvent.

상기 원료 고분자 화합물은 용매 내에서 0.1~1 중량% 농도를 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 중량%의 농도를 가질 수 있다. 또한 상기 원료 고분자 화합물의 분자량은 4,000~1,000,000 일 수 있으며, 바람직하게는 분자량이 200,000 일 수 있다. The raw polymer compound may have a concentration of 0.1 to 1% by weight in the solvent, more preferably may have a concentration of 0.5% by weight. In addition, the molecular weight of the raw polymer compound may be 4,000 ~ 1,000,000, preferably the molecular weight may be 200,000.

아울러 상기 원료 고분자 화합물은 카르복실기(-COOH)를 포함할 수 있다. 상기 카르복실기는 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물의 아민기와 반응하여 축합중합되며, 카르복실-아민 결합(펩티드 결합)을 형성하게 된다. 이에 따라 피로갈롤 작용기는 상기 카르복실기의 위치로 EDC/NHS도입법에 의하여 도입될 수 있다. 이때 사용되는 원료 고분자 화합물은 카르복실기를 가지는 고분자 화합물이라면 제한없이 사용 가능하지만 바람직하게는 하기의 화학식 4 내지 화학식 6 중 어느 하나의 구조를 가지는 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC, 화학식 4), 히알루론산 (HA, 화학식 5), 알지네이트 (Alginate, 화학식 6)일 수 있다.In addition, the raw polymer compound may include a carboxyl group (-COOH). The carboxyl group reacts with the amine group of the compound having a pyrogallol functional group to condensate and form a carboxyl-amine bond (peptide bond). Accordingly, the pyrogallol functional group may be introduced to the position of the carboxyl group by the EDC / NHS introduction method. In this case, the raw polymer compound used may be any polymer compound having a carboxyl group without limitation, but preferably, carboxymethyl cellulose (CMC, Formula 4), hyaluronic acid (HA, Formula 5), alginate (Alginate, Formula 6).

(화학식 4)(Formula 4)

Figure 112017037892843-pat00011
Figure 112017037892843-pat00011

(화학식 5)(Formula 5)

Figure 112017037892843-pat00012
Figure 112017037892843-pat00012

(화학식 6)(Formula 6)

Figure 112017037892843-pat00013
Figure 112017037892843-pat00013

또한, 원료 고분자 화합물의 카르복실 작용기를 활성시키기 위해 활성제를 첨가할 수 있으며, 상기 활성제는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 (EDC)가 사용되는 것이 바람직하다. 상기 EDC는 원료 고분자 화합물에 존재하는 카르복실 작용기에 대해 몰 수 대비 1~5배의 비율로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 3배의 비율로 첨가될 수 있다.In addition, an activator may be added to activate the carboxyl functional group of the raw polymer compound, and the activator is preferably 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC). The EDC is preferably added in a ratio of 1 to 5 times the number of moles relative to the carboxyl functional groups present in the raw polymer compound, more preferably may be added in a ratio of 3 times.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 (b)는 원료 고분자 화합물 용액에 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물을 첨가한 후 교반시키는 단계이다. In the manufacturing method according to the present invention, step (b) is a step of adding a compound having a pyrogallol functional group to a raw polymer compound solution, followed by stirring.

상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 아미노기(-NH2)가 포함될 수 있으며 바람직하게는 하기의 화학식 7의 구조일 수 있다.The compound having a pyrogallol functional group may include an amino group (-NH 2 ), and preferably may have a structure of Formula 7 below.

(화학식 7)(Formula 7)

Figure 112017037892843-pat00014
Figure 112017037892843-pat00014

본 발명의 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 식물유래 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 식물유래 갈산(gallic acid) 또는 탄닌을 가수분해하여 제조될 수 있다. 상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 원료 고분자에 존재하는 카르복실 작용기에 대해 몰 수 대비 1~5 배의 비율로 첨가되는 것이 바람직하며, 4배의 비율로 첨가되는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물의 자연 산화를 방지 하기 위해 수용액의 pH를 3~6 사이로 조절하는 것이 바람직하며, pH를 5로 조절하는 것이 더욱 바람직하다. 아울러, 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물의 자연산화를 막기 위하여 용매 내에 산소를 최대한 차단하는 것이 바람직하며, 질소 치환 환경에서 반응을 수행하는 것이 더욱 바람직하다. The compound having a pyrogallol functional group of the present invention may be a plant-derived compound, and preferably, may be prepared by hydrolyzing plant-derived gallic acid or tannin. The compound having a pyrogallol functional group is preferably added in a ratio of 1 to 5 times the number of moles relative to the carboxyl functional groups present in the raw polymer, and more preferably in a ratio of 4 times. At this time, in order to prevent natural oxidation of the compound having a pyrogallol functional group, it is preferable to adjust the pH of the aqueous solution to 3 to 6, and more preferably to adjust the pH to 5. In addition, in order to prevent natural oxidation of the compound having a pyrogallol functional group, it is preferable to block oxygen in the solvent as much as possible, and it is more preferable to perform the reaction in a nitrogen substitution environment.

또한 피로갈롤 작용기의 도입율을 높이기 위해 N-하이드록시숙신이미드 (NHS)가 추가로 첨가될 수 있다. 상기 NHS는 고분자 화합물에 존재하는 카르복실 작용기에 대해 몰수 대비 3~7 배의 비율로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5배의 비율로 첨가될 수 있다.In addition, N-hydroxysuccinimide (NHS) may be further added to increase the introduction rate of pyrogallol functional groups. The NHS is preferably added in a ratio of 3 to 7 times the number of moles relative to the carboxyl functional groups present in the polymer compound, and more preferably in a ratio of 5 times.

상기 (b) 단계의 반응 시간은 3 시간에서 12 시간 사이가 바람직하며, EDC가 사용되는 경우, 5시간 동안 반응시키는 것이 바람직하다.The reaction time of step (b) is preferably 3 hours to 12 hours, and when EDC is used, it is preferable to react for 5 hours.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계는, 미 반응물을 제거하여 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 수득하는 단계이다. 이때 상기 미반응물 제거 단계는 반투과성 여과막을 이용하여 미 반응물을 제거한 다음, 동결 건조하는 단계일 수 있다. 상기 (b)단계의 반응 종결 후 분자량 3,500이하의 분자가 투과가 가능한 반투과성 여과막을 이용하여 투석을 수행하는 것으로 반응에 참여하지 않은 단분자를 제거할 수 있다. 이 때, 투석을 위해 사용하는 용액은 인산 완충 식염수(Phosphate Buffer Saline, PBS)를 사용할 수 있다. 투석액은 2~10시간 기준으로 교환하면서 투석을 2~10회 반복하여 수행하는 것 바람직하며, 더욱 바람직하게는 투석액을 5~7시간을 기준으로 교환하면서, 투석을 4~6회 반복하여 수행할 수 있다.In the production method according to the present invention, step (c) is a step of obtaining a polymer compound into which pyrogallol functional groups are introduced by removing unreacted materials. At this time, the step of removing the unreacted material may be a step of removing the unreacted material by using a semipermeable filtration membrane and then freeze drying. After completion of the reaction of step (b), by performing the dialysis using a semi-permeable filtration membrane capable of permeation of molecules having a molecular weight of 3,500 or less, monomolecules not participating in the reaction can be removed. At this time, the solution used for dialysis may be used phosphate buffered saline (Phosphate Buffer Saline, PBS). The dialysis solution is preferably performed by repeating dialysis 2 to 10 times while exchanging the dialysis solution on a 2-10 hour basis, and more preferably, the dialysis solution is performed by repeating 4 to 6 times while exchanging the dialysis solution on the basis of 5 to 7 hours. Can be.

마지막으로 상기 투석을 통해 미 반응된 단분자와 이온들을 최대한 제거한 다음, 동결 건조하여 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자를 수득한다.Finally, unreacted monomolecules and ions are removed as much as possible through the dialysis and then freeze-dried to obtain a polymer into which a pyrogallol functional group is introduced.

본 발명의 실시예에서는 피로갈롤 작용기의 고분자 도입 정도를 확인하기 위해 흡광도를 분석한 결과, 상기 제조 방법을 통해 제조한 고분자에 대해 피로갈롤 작용기의 대표적인 흡광 영역인 275 nm 파장 영역에서 흡광이 이루어짐을 확인하였고, 이를 통해 9 %에서 12 % 사이의 카르복실기가 피로갈롤 작용기로 치환되어 도입되었음을 확인하였다(도 2 참조).In the embodiment of the present invention as a result of analyzing the absorbance to confirm the degree of introduction of the polymer of the pyrogallol functional group, the absorbance is achieved in the 275 nm wavelength region of the typical light absorption region of the pyrogallol functional group for the polymer prepared by the above production It was confirmed that through this, 9% to 12% of the carboxyl groups were introduced by being substituted with pyrogallol functional groups (see FIG. 2).

또한 제3양태에 의한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자를 제공한다.The present invention according to the third aspect also provides a polymer into which a pyrogallol functional group produced by the above method is introduced.

또한 제4양태에 의한 본 발명은 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 포함하는 전극소재를 제공한다.The present invention according to the fourth aspect also provides an electrode material comprising a high molecular compound into which a pyrogallol functional group is introduced.

또한 제5양태에 의한 본 발명은 (i) 상기 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 증류수에 용해하는 단계; 및 (ii) 상기 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 용액에 실리콘 나노입자 및 전도성 화합물을 첨가하여 실리콘 전극 소재를 제조하는 단계를 포함하는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 바인더로 사용한 실리콘 이차전지 전극 소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention according to the fifth aspect comprises the steps of: (i) dissolving the polymer compound in which the pyrogallol functional group is introduced into distilled water; And (ii) adding a silicon nanoparticle and a conductive compound to the polymer solution into which the pyrogallol functional group is introduced, thereby preparing a silicon electrode material. It provides a method of manufacturing.

이하, 상기 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail for each step.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 (i)은 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 증류수에 용해하여 고분자 용액을 제조하는 단계이다.In the manufacturing method according to the present invention, step (i) is a step of dissolving the polymer compound into which the pyrogallol functional group is introduced in distilled water to prepare a polymer solution.

상기 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물은 용매 내에서 1~3 중량% 농도를 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2 중량%의 농도를 가질 수 있다. 또한 이때 사용되는 용매는 증류수를 사용하는 것이 바람직하지만, 상기 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 용해할 수 있는 용매라면 필요에 따라 다른 종류의 용매를 사용할 수 있다.The polymer compound into which the pyrogallol functional group is introduced may preferably have a concentration of 1 to 3% by weight in the solvent, and more preferably 2% by weight. In addition, although the solvent used at this time is preferably using distilled water, as long as it is a solvent capable of dissolving the polymer compound into which the pyrogallol functional group is introduced, other types of solvent may be used as necessary.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 (ii)는 상기 단계 (i)에서 제조된 고분자 용액에 실리콘 나노입자와 전도성 화합물을 첨가하여 전극 소재를 제작하는 단계이다.In the manufacturing method according to the present invention, step (ii) is a step of preparing an electrode material by adding silicon nanoparticles and a conductive compound to the polymer solution prepared in step (i).

상기 단계에서 제조된 고분자 용액에 대해 실리콘 나노입자는 고분자의 질량대비 2~6배가 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 3 배의 실리콘 나노입자가 첨가될 수 있다.For the polymer solution prepared in the above step, the silicon nanoparticles are preferably added 2 to 6 times the mass of the polymer, and more preferably 3 times the silicon nanoparticles may be added.

또한, 상기 고분자 용액에 대해 전도성 화합물은 고분자의 질량 대비 0.5~2 배가 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 고분자 질량과 동일한 질량의 전도성 화합물이 첨가될 수 있다. 아울러 상기 전도성 화합물은 ITO, 은 나노와이어, 은 나노입자, 탄소 화합물, 철, 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 또는 주석이 포함될 수 있으며, 바람직하게는 탄소화합물, 더욱 바람직하게는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 플러렌 또는 흑연이 포함될 수 있다.In addition, the conductive compound is preferably added 0.5 to 2 times the mass of the polymer with respect to the polymer solution, more preferably a conductive compound of the same mass as the polymer mass may be added. In addition, the conductive compound may include ITO, silver nanowires, silver nanoparticles, carbon compounds, iron, copper, aluminum, gold, silver, nickel or tin, preferably a carbon compound, more preferably carbon nanotubes, Carbon fibers, fullerenes or graphite may be included.

아울러, 상기 (ii)단계에서는 첨가 물질을 고르게 분산시키는 것이 가장 중요하며, 초음파 발생기를 통해 고르게 분산시키는 것이 바람직하다.In addition, in step (ii), it is most important to evenly disperse the additive material, and it is preferable to disperse evenly through the ultrasonic generator.

또한 제6양태에 의한 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 바인더로 사용한 실리콘 이차전지 전극 소재를 제공한다.In addition, the present invention according to the sixth aspect provides a silicon secondary battery electrode material using a polymer compound into which a pyrogallol functional group prepared by the above method is introduced as a binder.

또한 제7양태에 의한 본 발명은 (1) 상기 실리콘 이차전지 전극 소재를 구리박막에 도포하여 전극을 제작하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 제조된 전극을 재단하여 전지에 삽입 가능한 형태로 제작하는 단계를 포함하는 실리콘 이차전지 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention according to the seventh aspect comprises the steps of: (1) coating the silicon secondary battery electrode material on a copper thin film to produce an electrode; And (2) provides a method for manufacturing a silicon secondary battery electrode comprising the step of cutting the electrode prepared in the step (1) to form a insertable into the battery.

이하, 상기 제작방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail for each step.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 (1)은 상기 실리콘 이차전지 전극 소재를 사용해 구리 박막에 도포하여 전극을 제작하는 단계이다.In the manufacturing method according to the present invention, the step (1) is a step of producing an electrode by applying to the copper thin film using the silicon secondary battery electrode material.

상기 이차전지 전극 소재를 구리 박막에 고르게 도포한다. 이때, 구리 박막에 균일하게 상기 전극 소재를 도포할 수 있는 장치라면 제한 없이 사용하여 전극 소재를 도포할 수 있지만, Doctor blade 장비를 사용해 도포하는 것이 바람직하다. 도포 시, 두께에 따라 초기 전지 용량을 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 전극 재단 시 단위 면적(1 mm2)당 상기 전극소재를 0.8~1.2 mg 도포하고 있지만, 이에 제한 되지 않는다. 또한 상기 구리 박막의 두께는 5~20 ㎛인 것이 바람직하다.The secondary battery electrode material is evenly applied to the copper thin film. At this time, if the device that can uniformly apply the electrode material to the copper thin film can be used without limitation, the electrode material can be applied, it is preferable to apply using a doctor blade equipment. At the time of application, the initial battery capacity can be adjusted according to the thickness. In the embodiment of the present invention, 0.8 ~ 1.2 mg of the electrode material is applied per unit area (1 mm 2 ) during electrode cutting, but is not limited thereto. In addition, the thickness of the copper thin film is preferably 5 ~ 20 ㎛.

상기 단계 (2)는 상기 단계 (1)에서 제작된 전극을 재단하여 전지에 삽입 가능한 전극 형태로 제작하는 단계이다.The step (2) is a step of producing the electrode form that can be inserted into the battery by cutting the electrode produced in the step (1).

전극은 제작하고자 하는 전지의 형태에 맞게 제작하여 삽입이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 2032 동전 형 반쪽 전지에 맞는 전극을 제작하고자 지름 14 mm의 원형 전극을 제작하였으나, 사용되는 전지의 크기 및 종류에 따라 다양한 형태로 가공하여 사용 가능하다. 특히 전극에 사용된 구리 박막은 전성과 연성이 뛰어난 재료이므로, 용이하게 가공하여 전극을 제작할 수 있다.The electrode can be manufactured and inserted according to the shape of the battery to be manufactured. In an embodiment of the present invention, a circular electrode having a diameter of 14 mm was manufactured to fabricate an electrode suitable for a 2032 coin-shaped half cell, but may be processed in various forms according to the size and type of battery used. In particular, since the copper thin film used for the electrode is a material having excellent malleability and ductility, it can be easily processed to produce an electrode.

또한 제8양태에 의한 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 실리콘 이차전지 전극을 제공한다.The present invention according to the eighth aspect also provides a silicon secondary battery electrode produced by the above method.

본 발명의 일 실험예에서는 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더로 활용한 실리콘 이차전지의 전지 수명 개선 능력을 확인하기 위해 2032 동전형 반쪽 전지를 제작하여 충방전 순환에 따른 전지 단위 방전 용량을 측정하였다. 그 결과 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더로 사용한 경우, 피로갈롤 작용기가 없는 일반 바인더 사용 대비 1.3 배에서 최대 2.3 배의 충전 용량 유지 능력을 갖는 것을 확인하였다 (도 3(A), (B) 참조). In one experimental example of the present invention, to determine the battery life improvement ability of a silicon secondary battery using a polymer incorporating a pyrogallol functional group as a binder, a 2032 coin-type half cell was manufactured to measure the unit discharge capacity according to the charge and discharge cycle. It was. As a result, it was confirmed that the polymer having the pyrogallol functional group introduced therein had a capacity of 1.3 to 2.3 times higher than that of the general binder without the pyrogallol functional group (FIG. 3 (A) and (B)). Reference).

또한 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더로 활용한 실리콘 전극의 강도 강화를 확인하기 위해, 2032 동전 형 반쪽 전지를 제작하여 충전 속도 증가에 따른 수명 유지 능력을 확인하였다. 그 결과, 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더의 충전 용량 유지 능력이 향상되었음을 확인하였다 (도 3(C) 참조). In addition, in order to confirm the strength enhancement of the silicon electrode using a polymer incorporating pyrogallol functional group as a binder, a 2032 coin-type half-cell was fabricated to confirm the lifespan capacity according to the increase of the charging speed. As a result, it was confirmed that the filling capacity retention capacity of the binder was improved in the polymer into which the pyrogallol functional group was introduced (see FIG. 3 (C)).

본 발명의 다른 실험예에서는 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더로 활용한 실리콘 전극의 강도 강화를 시각적으로 입증하기 위해 해당 전극으로 2032 동전 형 반쪽 전지를 제작하여 5 회의 충방전 순환을 수행한 후, 분리해 내어 실리콘 전극의 표면 형태 변화를 전자 주사 현미경으로 확인하였다. 그 결과 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더로 사용한 전극에서만 균열이 관찰되지 않았으며, 이를 통해 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자로 인해 전극 자체의 강도가 향상되었음을 시각적으로 확인하였다 (도 4 참조). In another experimental example of the present invention, in order to visually demonstrate the strength enhancement of the silicon electrode using a pyrogallol functional group as a binder, a 2032 coin-type half cell was fabricated with the electrode, followed by five charge and discharge cycles. The separation was carried out, and the change in the surface form of the silicon electrode was confirmed by an electron scanning microscope. As a result, no crack was observed only in the electrode using the pyrogallol functional group polymer as a binder, and visually confirmed that the strength of the electrode itself was improved due to the polymer incorporating the pyrogallol functional group (see FIG. 4).

본 발명의 다른 실험예에서는 피로갈롤 작용기의 도입으로 인해, 바인더로 사용되는 고분자와 음극재 간의 상호작용이 증가한다는 것을 입증하기 위해, 실리콘 나노입자의 혼합비율을 높여가면서 고분자와 실리콘 나노입자 혼합물의 적외선 흡광스펙트럼을 확인하였다. 그 결과 실리콘 나노입자의 비율이 늘어날수록 고분자에 도입된 피로갈롤 작용기가 가지고 있는 히드록시기의 산소-수소간 결합의 진동에 의한 3400 cm-1에서의 흡광이 감소하는 경향을 확인하였으며, 이를 통해 피로갈롤의 히드록시기가 실리콘 입자와의 상호작용을 한다는 간접적인 증명이 가능하였다 (도 5 참조).In another experimental example of the present invention, in order to demonstrate that the interaction between the polymer used as the binder and the negative electrode material increases due to the introduction of the pyrogallol functional group, the mixture of the polymer and the silicon nanoparticle mixture is increased while increasing the mixing ratio of the silicon nanoparticles. Infrared absorption spectrum was confirmed. As a result, as the proportion of silicon nanoparticles increased, the absorption at 3400 cm -1 due to the vibration of the oxygen-hydrogen bond of the hydroxy group possessed by the pyrogallol functional group introduced into the polymer decreased. It was possible to indirectly prove that the hydroxy group of interacts with the silicon particles (see FIG. 5).

본 발명의 다른 실험예에서는 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더로 활용한 실리콘 전극의 자체 산화에 의한 공유 결합 생성 및 겔화를 입증하기 위해 전극 제작시 사용되는 고분자 농도와 같은 농도인 2 % 질량비의 고분자 수용액을 이용해 용액 제조 후 시간 변화에 따른 유변학적 특성 변화를 유변계로 측정하였다. 그 결과 시간이 지남에 따라 용액의 탄성 계수가 점성 계수에 비해 증가하는 폭이 더 커져, 점탄성 물질을 거쳐 겔화 된 물질이 됨을 확인 할 수 있다 (도 6 참조).In another experimental example of the present invention, to demonstrate the covalent bond generation and gelation by self-oxidation of a silicon electrode using a pyrogallol functional group as a binder, a concentration of 2% by mass, which is the same concentration as that of the polymer used in electrode production, was demonstrated. The rheological properties of the polymer solution were measured with a rheometer after time of solution preparation. As a result, the elastic modulus of the solution increases over time, and the width of the elastic modulus becomes larger than that of the viscous modulus, resulting in a gelled material through the viscoelastic material (see FIG. 6).

본 발명의 다른 실험예에서는 피로갈롤 작용기 유도체에 의해 자체적으로 겔화가 진행되는 고분자를 전극의 바인더로 활용 시 그 형태의 변화를 시각적으로 확인하기 위해, 상기 제작 방법과 동일한 방법으로 전극 물질을 제작하여 전극 물질의 형태를 주사 전자 현미경으로 관찰하였다. 그 결과, 시간의 경과에 따라 고분자 자체에 산화에 의한 결합이 다수 발생하여, 고분자-고분자 혹은 고분자-실리콘 입자 등 결합이 그물 형태로 더 촘촘하게 이루어지게 되었음을 확인하였다. (도 7 참조).In another experimental example of the present invention, in order to visually check the change in the shape of the polymer when the gelation proceeds by the pyrogallol functional group derivatives as a binder of the electrode, the electrode material is manufactured by the same method as the above manufacturing method. The shape of the electrode material was observed with a scanning electron microscope. As a result, as the time passes, a large number of bonds due to oxidation were generated in the polymer itself, and it was confirmed that the bonds such as polymer-polymer or polymer-silicon particles were made more densely in a net form. (See FIG. 7).

본 발명의 다른 실험예에서는 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자를 바인더로 활용한 실리콘 전극의 자체 산화에 의한 공유 결합 생성 매커니즘을 입증하기 위해, 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자와 그 형태가 흡사한 모델 단분자인 프로필갈레이트 분자를 이용하여, 용액 제조 후 시간 변화에 따른 머무름 시간 (Retention time)을 고성능 액체 크로마토그래피를 통해 확인하였고, 결과적으로 공유결합 발생에 의해 분자량이 증가하였음을 확인하였다 (도 8 참조). 또한 용액 상에서 단순 공기 노출에 의한 산화로 인해 분자간 이합체가 형성함을 질량 분석법을 통해 확인하였다 (도 9 참조). 이와 같은 종합적인 결과를 통해, 피로갈롤 유도 고분자체는 고분자 내의 두 피로갈롤 분자 혹은 고분자 간의 두 피로갈롤 분자간의 산화 반응을 통해 공유 결합이 발생하는 과정으로 전반적인 결합력을 강화시킨다는 일련의 매커니즘을 입증 할 수 있었다. In another experimental example of the present invention, in order to demonstrate a covalent bond generation mechanism by self-oxidation of a silicon electrode using a pyrogallol functional group-introduced polymer as a binder, a model group similar in form to the polymer in which the pyrogallol functional group is introduced Using the propylgallate molecule as a molecule, retention time according to the time change after the preparation of the solution was confirmed by high performance liquid chromatography, and as a result, it was confirmed that the molecular weight was increased by covalent bond generation (FIG. 8). Reference). It was also confirmed by mass spectrometry that intermolecular dimers formed due to oxidation by simple air exposure in solution (see FIG. 9). Through these comprehensive results, the pyrogalol-derived polymer can demonstrate a series of mechanisms that enhance the overall cohesion by covalent bonds through the oxidation reaction between two pyrogallol molecules in a polymer or between two pyrogallol molecules between polymers. Could.

따라서, 본 발명은 식물의 항산화물질 유도체의 핵심 작용기인 피로갈롤 작용기를 고분자 화합물에 도입함으로써, 고분자 바인더에 다양한 상호결합을 부여하여 전지 전극의 전반적인 결합력을 개선하는 방법에 관한 것이다. 또한, 피로갈롤 작용기의 자체 산화에 의한 공유 결합을 통해 고분자 간 혹은 고분자 내에서의 가교를 발생시킴으로써, 전지 전극에 대해 그물 형태의 강력한 구조가 형성되게 유도하여 전극의 변형에 내성을 갖게 해주는 방법에 대한 것이다. 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물은 전지 내에서 상기 서술한 다양한 직/간접적 상호결합 능력을 부여받음에 따라, 결과적으로 강력한 구조적 특성을 얻을 뿐만 아니라, 구조의 변형이 발생하여도 자연스럽게 다시 안정적인 구조로 돌아올 수 있는 자가 회복의 특성도 함께 얻을 수 있다. 기존에 제시되었던 고분자 바인더와는 달리, 피로갈롤 작용기를 도입하므로써, 고분자에 대해서 실리콘 기반의 음극재의 탁월한 성능 개선을 기대할 수 있으며, 이에 따라 제한된 고분자만을 사용하는 기존의 고분자 바인더와는 달리 임의의 고분자 바인더를 선택하여 사용할 수 있는 유연성을 가진다.Accordingly, the present invention relates to a method of improving the overall binding force of a battery electrode by introducing various cross-links to the polymer binder by introducing a pyrogallol functional group, which is a core functional group of an antioxidant derivative of a plant, into a polymer compound. In addition, by crosslinking between polymers or within polymers through covalent bonds by self-oxidation of pyrogallol functional groups, a strong structure in the form of a net is formed on the battery electrode, thereby making it resistant to deformation of the electrode. It is about. As the pyrogalol functional group is introduced into the polymer, the above-mentioned various direct and indirect interconnection capacities are imparted in the cell, resulting in not only a strong structural characteristic but also a stable structure in spite of the deformation of the structure. Self-healing can also be gained with return. Unlike the polymer binders that have been proposed in the past, by introducing pyrogallol functional groups, excellent performance of silicon-based negative electrode materials can be expected for polymers. Thus, unlike conventional polymer binders using only limited polymers, any polymer Flexibility to choose and use a binder.

또한, 상기 서술한 반응법은 카르복실기 (-COOH)를 가지고 있는 고분자에 대해 아민 (-NH2)을 가지고 있는 피로갈롤 아민 작용기를 EDC/NHC 도입법으로 도입하여 고분자를 제작하였으나, 상기 서술한 작용기 외에도 다양한 두 작용기를 이용해 고분자에 단분자를 도입하는 방법이 존재하므로, 고분자의 종류는 본 실시예로 제시한 카르복실 작용기를 가지는 고분자로 제한하지 않는다. 피로갈롤이 5 % 내지 10 % 의 작용기를 치환시킨 피로갈롤 도입 고분자면 실리콘 음극재의 바인더로 사용이 가능할 것으로 생각된다. 결론적으로, 피로갈롤(pyrogallol) 작용기가 도입된 고분자는 실리콘 기반의 차세대 이차전지의 바인더로 사용될 수 있다.In addition, the above-mentioned reaction method introduced a pyrogallol amine functional group having an amine (-NH 2 ) to the polymer having a carboxyl group (-COOH) by introducing an EDC / NHC introduction method, but in addition to the functional group described above, Since there is a method of introducing a single molecule into the polymer using a variety of two functional groups, the type of the polymer is not limited to the polymer having a carboxyl functional group shown in this embodiment. It is considered that pyrogallol can be used as a binder of pyrogallol introduced polymer cotton silicon negative electrode material in which functional groups of 5% to 10% are substituted. In conclusion, the polymer in which the pyrogallol functional group is introduced may be used as a binder of the silicon-based next-generation secondary battery.

하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.The following Examples and Experimental Examples are only illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.

<실시예> 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자의 제조EXAMPLES Preparation of Polymers Incorporating Pyrogallol Functional Groups

본 발명에 따른 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자는 하기 화학식 4 내지 화학식 6 중 어느 하나의 카르복실기 (-COOH)를 가지고 있는 고분자에 하기 화학식 7의 아민기 (-NH2)를 가지고 있는 피로갈롤 유도체 단분자인 피로갈롤 아민을 EDC/NHS 도입법을 통해 도입시켜 제조하였다. The polymer in which the pyrogallol functional group is introduced according to the present invention includes a pyrogallol derivative having a amine group (-NH 2 ) of formula (7) in the polymer having any one of the following formulas (4) to (carboxy) (-COOH): The molecule, pyrogallol amine, was prepared by the introduction of EDC / NHS.

(화학식 4)(Formula 4)

Figure 112017037892843-pat00015
Figure 112017037892843-pat00015

(화학식 5)(Formula 5)

Figure 112017037892843-pat00016
Figure 112017037892843-pat00016

(화학식 6)(Formula 6)

Figure 112017037892843-pat00017
Figure 112017037892843-pat00017

(화학식 7)(Formula 7)

Figure 112017037892843-pat00018
Figure 112017037892843-pat00018

상기 화학식 4 내지 화학식 6 중 어느 하나의 고분자, 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC), 히알루론산 (HA), 알지네이트 (Alginate)를 0.5 중량%로 10 ml 증류수에 용해 시킨 후, EDC와 NHS를 각각 상기 고분자의 카르복실기 몰 수 대비 3 배, 5 배가 되도록 첨가하였다. EDC/NHS 투입 후 용액의 pH가 5가 되게 1 M HCl과 1 M NaOH 용액을 이용해 조절한 후, 상기 화학식 7의 피로갈롤 아민 화합물을 상기 화학식 4 내지 화학식 6 중 어느 하나의 고분자 카르복실기 몰 수 대비 2 배에 해당되는 양을 첨가하였다. 다시 pH가 5가 되게 조절하였다. 이때, pH 값이 6이 넘어가게 되면 피로갈롤 아민 자체의 산화가 빠르게 진행되어 고분자에 도입이 되지 못할 수 있으므로 pH 조절에 주의하였다. 상기 서술된 모든 반응의 진행은 산소가 차단된 질소 환경에서 수행하였다. 상온에서 5 시간 동안 교반시키며 반응을 수행하도록 하며, 반응 종결 후 분자량 3,500 미만 단분자만 투과가 가능한 반투과성 막에 반응 용액을 넣어 반응에 참가하지 못한 분자를 제거하였다. 고분자의 석출을 막기 위해 초기 3회의 투석은 PBS (NaCl 기준 150 mM) 용액으로 6 시간 마다 용액을 교체해주며 수행하며, 그 후 150 mM의 NaCl 용액으로 3 회, 마지막으로 증류수로 4시간 1 회 수행하였다. 투석이 끝난 고분자는 액체 질소를 통해 급속 냉동 후, -70℃에서 1주일간 진공 동결 건조시켰다. After dissolving the polymer of any one of Formulas 4 to 6, carboxymethyl cellulose (CMC), hyaluronic acid (HA), alginate (Alginate) in 10 ml distilled water at 0.5% by weight, EDC and NHS are respectively 3 times and 5 times the number of moles of carboxyl groups were added. After the addition of EDC / NHS, the pH of the solution was adjusted to 1 M HCl and 1 M NaOH solution, and then the pyrogallol amine compound of Formula 7 was compared to the mole number of the polymer carboxyl group of any one of Formulas 4 to 6. Two times the amount was added. The pH was adjusted to 5 again. At this time, when the pH value exceeds 6, the oxidation of pyrogallol amine itself proceeds rapidly, so it may not be introduced into the polymer. The progress of all the reactions described above was carried out in a nitrogen-blocked nitrogen environment. The reaction was carried out while stirring at room temperature for 5 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was placed in a semi-permeable membrane capable of transmitting only a single molecule having a molecular weight of less than 3,500 to remove molecules that did not participate in the reaction. In order to prevent the precipitation of the polymer, initial dialysis was performed by replacing the solution every 6 hours with PBS (150 mM NaCl) solution, followed by 3 times with 150 mM NaCl solution and finally 4 hours with distilled water. It was. After dialysis, the polymer was rapidly frozen through liquid nitrogen and vacuum-freeze dried at -70 ° C. for 1 week.

<실험예 1> 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자의 특성 분석Experimental Example 1 Characterization of Polymers Incorporated with Pyrogallol Functional

상기 <실시예 1>에서 제조된 고분자 화합물에 피로갈롤 작용기가 안정적으로 도입되었는지 확인하기 위해 자외선/가시광선 분광계 (UV/Vis spectroscope, HP8543, Hewlett-Packard, USA)로 흡광 특성을 분석하였다. In order to check whether the pyrogallol functional group is stably introduced into the polymer compound prepared in <Example 1>, absorption characteristics were analyzed by an ultraviolet / visible spectrometer (UV / Vis spectroscope, HP8543, Hewlett-Packard, USA).

구체적으로, 1 mg/ml의 고분자 수용액을 분광계 큐벳에 150㎕ 넣은 후 275nm 파장 영역의 흡광도를 측정한다. 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물은 피로갈롤의 흡광 파장인 275 nm에서 흡광이 관찰된다. 피로갈롤 아민을 다양한 농도의 수용액으로 제작하여 흡광도를 측정하여 적정 곡선을 만들 경우, 고분자 수용액의 275 nm 파장 영역의 흡광도 값을 알게 되면 이를 통해 고분자 화합물에 도입된 피로갈롤 작용기의 치환 비율을 계산할 수 있다. 상기 예시와 같은 반응을 수행한 고분자 화합물의 경우, 도 2와 같은 흡광 그래프를 나타내어, 모두 275 nm 파장에서 흡광하는 것을 확인하였으며, 이를 통해 8~12 %의 카르복실기가 피로갈롤 작용기로 치환된 것으로 확인되었다.Specifically, 150 μl of a 1 mg / ml aqueous polymer solution is placed in a spectrometer cuvette and the absorbance in the 275 nm wavelength range is measured. The polymer compound into which the pyrogallol functional group is introduced has an absorption at 275 nm, which is the absorption wavelength of pyrogallol. When the pyrogallol amine is prepared in an aqueous solution having various concentrations and the absorbance is measured to make an appropriate curve, when the absorbance value of the 275 nm wavelength region of the polymer solution is known, the substitution ratio of the pyrogallol functional group introduced into the polymer compound can be calculated. have. In the case of the polymer compound subjected to the reaction as shown in the above example, the absorption graph is shown as shown in FIG. 2, and it was confirmed that all of them were absorbed at 275 nm wavelength. It became.

<< 실시예Example 2> 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 바인더로 이용한 실리콘 전극 제조 및 2032 동전 형 리튬-실리콘 반쪽 전지 제작 2> Fabrication of silicon electrode using high molecular compound with pyrogallol functional group as binder and fabrication of 2032 coin-type lithium-silicon half cell

상기 <실험예 1>에 따른 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3 중 어느 하나의 구조를 가지게 된다. The polymer compound into which the pyrogallol functional group according to <Experimental Example 1> is introduced has a structure of any one of the following Chemical Formulas 1 to 3.

(화학식 1)(Formula 1)

Figure 112017037892843-pat00019
Figure 112017037892843-pat00019

(화학식 2)(Formula 2)

Figure 112017037892843-pat00020
Figure 112017037892843-pat00020

(화학식 3) (Formula 3)

Figure 112017037892843-pat00021
Figure 112017037892843-pat00021

상기 화학식 1 내지 화학식 3 중 어느 하나에 해당하는 고분자, 피로갈롤 작용기가 도입된 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC-GA), 피로갈롤 작용기가 도입된 알지네이트 (Alg-GA) 및 피로갈롤 작용기가 도입된 히알루론산 (HA-GA)를 각각 2 중량%로 증류수에 녹여 1 ml을 제작하였다. 상기 각각의 고분자 수용액을 유발에 넣고, 입자의 크기가 100 nm 미만인 실리콘 나노입자 6 중량%를 첨가하여 막자로 잘 혼합하였다. 탄소 소재의 전도성 도전재를 2 중량% 첨가한 후 다시 막자로 잘 혼합하였다. 이렇게 제작된 실리콘 음극재 슬러리는 8 cm x 20 cm x 19㎛ 규모의 구리 박막 위에 Dr. blade 장비를 이용하여 얇게 도포하였다. 이 때, 도포된 전극재는 지름 14 mm의 원형 전극으로 재단 시 전극재의 질량이 1 mg이 넘지 않도록 하였다. 구리 박막 위에 도포시켜 제작한 전극은 70℃에서 고열 진공 건조 시켜 수분을 제거하였다. 건조시킨 전극은 14 mm 지름의 스탬프를 이용하여 원형의 전극으로 재단하였다. 제작된 음극 전극을 이용하여 리튬 금속과 함께 2032 동전형 반쪽 전지를 제작하였다. A polymer corresponding to any one of Formulas 1 to 3, carboxymethylcellulose (CMC-GA) in which pyrogallol functional groups are introduced, alginate (Alg-GA) incorporating pyrogallol functional groups, and hyaluronic acid incorporating pyrogallol functional groups (HA-GA) was dissolved in distilled water at 2% by weight, respectively, to prepare 1 ml. Each aqueous polymer solution was added to the mortar, and 6 wt% of silicon nanoparticles having a particle size of less than 100 nm were added and mixed well with a pestle. After the addition of 2% by weight of the conductive conductive material of the carbon material was mixed well with a pestle. The silicon anode material slurry thus prepared was deposited on a copper thin film of 8 cm x 20 cm x 19 μm. It was applied thinly using blade equipment. At this time, the coated electrode material was a circular electrode having a diameter of 14 mm so that the mass of the electrode material did not exceed 1 mg at the time of cutting. The electrode prepared by coating on the copper thin film was dried by high-temperature vacuum drying at 70 ℃ to remove moisture. The dried electrode was cut into a circular electrode using a 14 mm diameter stamp. The manufactured negative electrode was used to fabricate a 2032 coin-shaped half cell together with lithium metal.

<< 실험예Experimental Example 3> 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자를 바인더로 이용한 리튬-실리콘 반쪽 전지의 수명특성 분석 3> Analysis of Lifespan Characteristics of Lithium-Silicone Half Cell Using Polymers with Pyrogallol Functional as Binder

상기 <실시예 2>에서 제작된 2032 동전형 반쪽 전지를 이용해 충방전 순환에 따른 수명 유지 특성 분석을 수행하였다.Using the 2032 coin-shaped half-cell manufactured in <Example 2> was performed to analyze the life retention characteristics according to the charge and discharge cycle.

구체적으로, 상기 <실시예 2>를 통해 제작된 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 바인더를 이용한 리튬-실리콘 반쪽 전지와 더불어, <실시예 2>와 같은 방법으로 제작된 일반 고분자 바인더 반쪽전지를 이용하여 피로갈롤 도입 유무에 따른 수명유지 특성이 개선되는지 충방전 순환 반복법을 통해 확인하였다. 충방전 속도는 실리콘 기반 음극재의 초기 단위충전용량을 3500 mAh/g으로 설정하여, 1시간 내에 완충이 가능하도록 (1 C rate) 3500 mA/g의 전류를 각각의 반쪽 전지에 적용하였다. 300 회의 충방전 순환을 수행하여 전지의 용량의 유지율을 확인한 결과, 기존 일반 고분자 대비 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물은 1.3 배에서 2.3 배의 수명 유지 능력이 향상되었음을 300 회의 충방전 순환 후 보존된 단위충전용량율의 비율로 확인하였다 (도 3(a), (b)) 또한, 충방전 속도의 증가에 따른 전지의 수명 유지 특성을 단위충전용량 보전율을 통해 확인하여, 바인더의 피로갈롤 작용기 도입에 의해 전지 수명특성의 개선 유무를 확인하였다. 초기 약 220 mA/g (1/16 C rate)의 전류에서 충전 속도를 5 회의 충방전 순환마다 2 배수로 증가시켜 3500 mA/g (1 C rate)까지 증가시켰다가 다시 220 mA/g 속도로 감소시켜 전지의 단위충전용량의 보전율을 확인한 결과, 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 바인더로 사용한 전지의 보전율이 가장 높음을 확인하였다 (도 3(C)). Specifically, in addition to the lithium-silicon half battery using the polymer binder incorporating the pyrogallol functional group produced in Example 2, using the general polymer binder half cell produced in the same manner as in Example 2 It was confirmed by the charge-discharge cycle iteration whether the life-span characteristics improved with or without pyrogallol. The charge and discharge rate was set to 3500 mAh / g of the initial unit charge capacity of the silicon-based negative electrode material, a current of 3500 mA / g was applied to each half cell to allow a buffer (1 C rate) within 1 hour. After 300 cycles of charging and discharging, the capacity retention rate of the battery was confirmed. As a result, the polymer compound in which pyrogallol functional group was introduced compared to the conventional polymer was improved by 1.3 to 2.3 times. It was confirmed by the ratio of the unit charge rate (Fig. 3 (a), (b)) In addition, the life retention characteristics of the battery according to the increase in the charge and discharge rate was confirmed through the unit charge retention rate, the introduction of the pyrogallol functional group of the binder It was confirmed whether or not battery life characteristics were improved. At an initial current of about 220 mA / g (1/16 C rate), the charging rate is increased by two multiples every five charge-discharge cycles, increasing to 3500 mA / g (1 C rate), then decreasing to 220 mA / g rate As a result of confirming the preservation rate of the unit charge capacity of the battery, it was confirmed that the preservation rate of the battery using the polymer compound into which the pyrogallol functional group was introduced as the binder (FIG. 3 (C)).

<< 실험예Experimental Example 4> 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 바인더로 이용한 리튬-실리콘 반쪽 전지의 구조 유지 확인 4> Confirmation of structure maintenance of lithium-silicon half cell using high molecular compound with pyrogallol functional group as binder

상기 <실시예 2>에서 제작된 2032 동전형 반쪽 전지를 이용해 충방전 순환에 따른 전지의 구조 유지를 확인하였다.Using the 2032 coin-shaped half-cell produced in <Example 2> it was confirmed that the structure of the battery according to the charge and discharge cycle.

구체적으로, 상기 <실시예 2>에서 제작된 2032 동전형 반쪽 전지를 상기 <실험예 3>에서 수명유지 특성 분석을 위해 제시했던 충방전 순환법과 같은 방법으로 3500 mA/g의 충방전 속도로 5 회의 충방전 수행 후 전극의 구조 변화를 시각적으로 분석하고 피로갈롤 작용기 도입에 의한 구조 유지 능력 개선을 확인하였다. 5 회의 충방전을 수행한 반쪽 전지를 알곤 환경의 글러브 박스 내에서 분리하여 음극을 도출한 뒤 글러브 박스 내에서 건조시켜 전해질을 건조시킨다. 도출해 낸 전극을 45 초 간 백금/팔라듐 스퍼터로 박막 코팅한 후, 주사전자 현미경 (Inspect F50, FEI Co., USA)을 통해 전극의 구조 변화를 시각적으로 확인한다. 도 4에 의하면, 5 회의 충방전 순환을 통해서도 일반 고분자 바인더를 이용해 제작한 실리콘 음극 전극은 미세 균열이 다수 발생함을 확인할 수 있다. 기존 실리콘 음극재의 바인더 후보로 제시되고 있는 CMC 고분자도 5 회의 충방전 순환에 의해 전극의 미세균열이 발생함을 확인하였으며, 실험군으로 사용한 HA 고분자의 경우, CMC에 비해 균열의 정도가 심각할뿐더러, 전극의 대부분이 손상되어 분리된 것을 확인 할 수 있다. 전극은 순환의 초기에 안정적인 부산물 막(SEI Layer)가 형성되어야 전극의 전반적인 구조가 안정화되어 그 후 일정한 충방전 용량을 유지할 수 있으므로 초기 구조의 안정성이 매우 중요하다, 그러나 하기 도 4에 의하면 CMC와 HA 고분자 모두 초기 충방전순환에 의한 전극의 형태 유지가 매우 불안정함을 확인할 수 있다. 이에 반해 피로갈롤 작용기를 도입한 고분자를 바인더로 사용한 전극의 경우, 5 회의 충방전 순환에도 미세 균열 없이 전극이 매우 안정적으로 전극의 구조가 유지됨을 확인하였다. 결과적으로, 피로갈롤이 도입된 고분자는 일반 고분자에 비해 초기 충방전 순환에서 안정적인 구조 유지특성을 보유함으로써, 그 후 충방전 순환에도 안정적인 충전용량을 유지시킬 수 있게 됨을 확인하였다. Specifically, the 2032 coin-shaped half-cell manufactured in <Example 2> was charged and discharged at a rate of 3500 mA / g in the same manner as the charge / discharge circulation method presented for the analysis of lifespan maintenance in <Experiment 3>. After performing the charge / discharge cycles, the structural change of the electrode was visually analyzed and the improvement of structure retention ability was confirmed by the introduction of pyrogallol functional group. The half cell that has been charged and discharged five times is separated in a glove box of an argon environment, and a negative electrode is obtained, followed by drying in a glove box to dry the electrolyte. The resulting electrode was thin-coated with platinum / palladium sputter for 45 seconds and visually confirmed the structural change of the electrode through a scanning electron microscope (Inspect F50, FEI Co., USA). According to FIG. 4, it can be seen that even through five charge and discharge cycles, a large number of micro cracks are generated in a silicon anode electrode manufactured using a general polymer binder. It was confirmed that the CMC polymer, which is proposed as a binder candidate of the existing silicon anode material, also caused microcracks of the electrode by five charge and discharge cycles.In the case of the HA polymer used as the experimental group, the degree of cracking was more severe than that of CMC. You can see that most of the electrodes are damaged and separated. The stability of the initial structure is very important because the electrode has a stable by-product film (SEI Layer) formed at the beginning of the circulation to stabilize the overall structure of the electrode and maintain a constant charge / discharge capacity thereafter. All HA polymers can be seen that the shape maintenance of the electrode by the initial charge-discharge cycle is very unstable. On the other hand, in the case of an electrode using a polymer having a pyrogallol functional group as a binder, it was confirmed that the structure of the electrode was very stably maintained without micro cracking even in five charge and discharge cycles. As a result, it was confirmed that the pyrogallol-introduced polymer has a stable structure retention characteristic in the initial charge-discharge cycle compared to the general polymer, thereby maintaining a stable charge capacity even in the charge-discharge cycle.

<< 실험예Experimental Example 5> 5> 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 바인더의 전지 수명 유지 특성과 관련된 다양한 상호작용력 및 자가회복능력 확인Identification of various interaction forces and self-recovery ability related to battery life maintenance characteristics of pyrogallol functional group polymer binder

상기 <실시예 1>를 통해 제조된 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자가 일반 고분자 대비 다양한 상호작용력이 도입되어 전지의 전반적인 구조적 성능 개선이 이루어진다는 것을 확인하기 위해 적외선 분광법, 고성능 액체 크로마토그래피법, 질량 분석법, 유변학 분석법 등의 실험을 수행하고, 주사전자현미경을 통해 구조를 분석하여 피로갈롤 작용기에 의해 나타나는 고분자 바인더의 다양한 상호작용력을 입증하였다.Infrared spectroscopy, high performance liquid chromatography, mass to confirm that the polymer introduced with the pyrogallol functional group prepared in Example 1 is improved in the overall structural performance of the battery by introducing a variety of interaction forces compared to the general polymer Experiments such as analytical methods and rheological analyzes were performed, and the structure was analyzed by scanning electron microscopy to demonstrate various interaction forces of the polymer binders exhibited by pyrogallol functional groups.

구체적으로, 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자가 실리콘 음극재의 바인더로 사용됨으로 인해 전극의 구조적 성능이 개선됨을 확인하기 위해, 실리콘 음극재의 대다수를 차지하고 있는 실리콘 나노입자와 피로갈롤 작용기간의 상호작용을 확인하고자 피로갈롤 작용기 도입 고분자와 실리콘 혼합물의 적외선 조사에 의한 적외선 영역 흡광 변화를 적외선 분광법 (Agilent technologies, Cary 600 series, USA) 으로 확인하였다. 도 5에 의하면, 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자의 경우 피로갈롤 작용기가 가지고 있는 히드록시기 (-OH)의 산소-수소 결합의 진동에 의한 흡광영역인 3400 cm-1에서 매우 큰 흡광을 보인다, 그러나, 피로갈롤 작용기 도입 고분자와 실리콘 나노입자를 각각 질량비 1:1, 2:1로 섞은 물질의 경우, 해당 흡광영역의 흡광도가 크게 감소함을 확인할 수 있다. 이는 히드록시기가 실리콘 나노입자와의 간접적 상호결합에 의해 결합하여 그 흡광이 감소하였다는 것을 보여주는 것으로, 이러한 경향성은 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자가 실리콘 입자 대비 그 비율이 낮아짐에 따라 흡광이 더 낮아짐을 통해서 확실히 입증할 수 있다. 이를 통해, 피로갈롤 작용기 도입 고분자는 실리콘 전극의 실리콘과 간접적인 상호작용력을 한다는 사실을 입증하였고, 이를 통해 전극 전체의 전반적인 구조적인 안정성을 향상시킨다는 것을 간접적으로 확인하였다.Specifically, in order to confirm the structural performance of the electrode is improved because the polymer in which the pyrogallol functional group is introduced is used as the binder of the silicon negative electrode material, the interaction between the silicon nanoparticles and the pyrogallol working period, which occupy the majority of the silicon negative electrode material, is confirmed. Infrared spectrophotometry was confirmed by infrared spectroscopy (Agilent technologies, Cary 600 series, USA). According to FIG. 5, the polymer having pyrogallol functional groups exhibits a very high absorption at 3400 cm −1 , which is an absorption region due to the vibration of the oxygen-hydrogen bond of the hydroxyl group (—OH) possessed by the pyrogallol functional groups. However, In the case of a material in which the pyrogallol functional group-introducing polymer and the silicon nanoparticles are mixed in a mass ratio of 1: 1 and 2: 1, respectively, the absorbance of the corresponding light absorption region is significantly reduced. This shows that the absorption of hydroxy groups by indirect cross-linking with silicon nanoparticles reduced their absorption. This tendency is that the polymers into which pyrogallol functional groups are introduced have a lower absorption as compared to silicon particles. Prove that through. Through this, it was proved that pyrogallol functional group introducing polymer has an indirect interaction force with silicon of the silicon electrode, thereby indirectly confirming that the overall structural stability of the entire electrode was improved.

또한 하기 도 5에서 입증한 실리콘-피로갈롤 작용기간의 간접적인 상호작용력 외에도, 피로갈롤 작용기가 가지고 있는 자연산화능력에 의해 피로갈롤 작용기 간의 직접적인 상호작용인 공유결합을 통한 가교 형성이 이루어진다는 것을 입증하였다. 먼저, 피로갈롤 작용기를 가지고 있는 프로필 갈레이트 단분자 용액을 제조한 후, 공기 중에 48 시간 노출 후, 노출 전의 용액에 대해 고성능 액체 크로마토그래피 (Agilent technologies, Agilent 1200, USA)를 이용하여 머무름 시간 (Retention time)에 부합하는 분자량을 비교 분석하였다. 그 결과, 공기 중에서 48 시간 노출시킨 분자는 더 높은 분자량을 갖는 것으로 확인되었다 (도 8). 이는 피로갈롤 작용기 도입 고분자가 공기 중 산소에 의해 자연산화 함으로써, 피로갈롤 작용기 간의 공유 결합을 형성하여 전반적인 분자량이 증가하였음을 보여주는 것이라 할 수 있다. 피로갈롤 작용기가 자연산화에 의해 이합체 형성과 같은 메커니즘으로 결합을 형성한다는 것을 확실하게 입증하고자 도 8의 실험과 같은 방법으로 갈레이트 단분자의 용액을 제작한 후 질량 분석기가 도입된 고성능 액체 크로마토그래피 (Agilent technologies, Agilent 1200, USA)로 분석하였다. 그 결과, 48시간의 시간이 지난 후의 단분자 용액에서 해당 단분자의 이합체 분자량과 같은 분자량의 물질이 검출되었다 (도 9 하단부). 이를 통해 피로갈롤 작용기가 공기 중에서도 자연 산화에 의해 공유 결합을 형성하는 방향으로 직접적인 상호결합을 한다는 것을 입증하였다. 이와 같은 결과를 통해, 피로갈롤 작용기 도입 고분자는 실리콘 전극 내에서도 자연 산화에 의해 피로갈롤 작용기 간의 공유 결합을 형성하며, 이는 고분자간의 가교 역할을 하여 전극의 전반적인 구조 강화에 기여한다는 것을 간접적으로 입증할 수 있다. 이러한 피로갈롤 작용기 도입 고분자가 피로갈롤 작용기의 가교결합에 의해 실리콘 전극의 구조적 특성이 개선됨을 확인하기 위해 상기 <실시예 2>와 같은 방법으로 제작한 실리콘 음극재 슬러리를 제작 후 바로 혹은 48 시간 공기 중에 노출시킨 후 동결 건조시켜 구조적인 변화를 주사전자현미경으로 확인하였다. 그 결과, 48시간의 공기 노출에 의해 전극의 전반적인 구조가 그물 모양의 형태로 변화하였음을 확인하였다 (도 7). 이와 같은 구조 변화는 상기 서술한 피로갈롤 작용기의 공유 결합 형성에 따른 고분자 간 가교 결합 형성에 의한 것으로, 이를 통해 전극 의 구조적 특성이 효과적으로 개선되었음을 시각적으로 입증하였다. In addition, in addition to the indirect interaction force of the silicon-pyrogallol functional period demonstrated in FIG. 5 below, the natural oxidation ability of the pyrogallol functional group demonstrates that crosslinking is formed through covalent bonding, which is a direct interaction between the pyrogallol functional groups. It was. First, a propyl gallate monomolecular solution having a pyrogallol functional group is prepared, and after 48 hours of exposure to air, the solution before exposure is subjected to retention time using high performance liquid chromatography (Agilent technologies, Agilent 1200, USA). The molecular weight corresponding to the retention time was compared. As a result, the molecule exposed to air for 48 hours was found to have a higher molecular weight (FIG. 8). This shows that the pyrogallol functional group-introduced polymer is naturally oxidized by oxygen in the air, thereby forming a covalent bond between the pyrogallol functional groups to increase the overall molecular weight. High Performance Liquid Chromatography with Mass Spectrometry after Producing a Solution of Gallate Monomolecules in the same manner as in the experiment of FIG. 8 to clearly demonstrate that pyrogallol functional groups form bonds by natural oxidation such as dimer formation (Agilent technologies, Agilent 1200, USA). As a result, a substance having the same molecular weight as the dimer molecular weight of the monomolecule was detected in the monomolecular solution after 48 hours of elapsed time (lower part in FIG. 9). This demonstrates that pyrogallol functional groups directly cross-link in the air to form covalent bonds by natural oxidation. Through these results, it is possible to indirectly prove that the pyrogallol functional group-introducing polymer forms covalent bonds between the pyrogallol functional groups by natural oxidation even in the silicon electrode, which contributes to strengthening the overall structure of the electrode by acting as a crosslinking between the polymers. have. In order to confirm that the pyrogallol functional group-introducing polymer improves the structural properties of the silicon electrode by crosslinking of the pyrogallol functional group, the silicon negative electrode material slurry prepared in the same manner as in <Example 2> was immediately or 48 hours after preparation of the slurry. After exposure in the air and freeze-drying, structural changes were confirmed by scanning electron microscopy. As a result, it was confirmed that the overall structure of the electrode was changed into a net shape after 48 hours of air exposure (FIG. 7). This structural change is due to the formation of crosslinks between polymers due to the covalent bond formation of the pyrogallol functional group described above, and visually proved that the structural properties of the electrode were effectively improved.

상기 서술한 구조적 특성과 더불어 하기 도 7의 주사전자현미경 (Inspect F50, FEI Co., USA)의 이미지를 기반으로 분석해 볼 때, 상기 <실시예 1> 과 같은 방법으로 제작한 피로갈롤 작용기 도입 고분자는 수용액으로 제작할 경우 해당 수용액은 겔의 특징을 갖는다고 볼 수 있다. 이와 같은 겔화 현상을 통해, 피로갈롤 작용기 도입 고분자체는 실리콘 음극재의 바인더에 대한 전반적인 구조적인 성능 개선을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 겔의 특성 중 하나인 자가치유 능력을 부여함으로써, 전극의 수명 연장에 크게 기여할 수 있다. 피로갈롤 작용기 도입 고분자 수용액이 겔 특성을 지님을 확인하기 위해, 상기 <실시예 2>에서 피로갈롤 작용기 도입 고분자체를 바인더로 사용시 제작하는 수용액 농도와 같은 2 중량%의 피로갈롤 수용액을 제작하여 유변학 분석법을 수행하였다. In addition to the structural characteristics described above, when analyzed based on the image of the scanning electron microscope (Inspect F50, FEI Co., USA) of FIG. 7, the pyrogallol functional group-introduced polymer prepared in the same manner as in <Example 1> When prepared as an aqueous solution, the aqueous solution can be said to have the characteristics of a gel. Through such gelation, the pyrogallol functional group-introducing polymer body can not only improve the overall structural performance of the silicon negative electrode binder, but also provide self-healing ability, which is one of the characteristics of the gel, to extend the life of the electrode. It can contribute greatly. In order to confirm that the pyrogallol functional group-introduced polymer aqueous solution has gel properties, the pyrogallol functional group-introduced macromolecular solution prepared by using the pyrogallol functional group-introduced polymer body as a binder in 2 wt% of the aqueous solution was prepared by rheology Assay was performed.

구체적으로, 유동계(Rheometer) (Bohlin Advanced Rheometer, Malvern Instruments, UK)의 시료 홀더 위에 실시예 2에서 사용한 300㎕의 수용액을 올린 후, 20 mm 두께의 평평한 판 (parallel plate)을 사용하여 0.1-10 rad/sec 진동수로 100 Pa의 일정한 힘 (shear stress)을 가하며 재료의 변형 정도에 대해 탄성 계수 (G')와 점성 계수(G")를 측정하였다.Specifically, 300 μl of the aqueous solution used in Example 2 was placed on a sample holder of a Rheometer (Bohlin Advanced Rheometer, Malvern Instruments, UK), followed by using a flat plate of 20 mm thickness using 0.1- The elastic modulus (G ') and the viscous modulus (G ") were measured for the degree of deformation of the material by applying a constant stress of 100 Pa at a frequency of 10 rad / sec.

<수학식 1><Equation 1>

Figure 112017037892843-pat00022
Figure 112017037892843-pat00022

상기 수학식 1에서,In Equation 1,

α는 재료에 가해지는 힘 (shear stress)이고;α is the shear stress on the material;

γ0는 재료의 변형에 의해 나타나는 신호(shear strain)의 최대 진폭이고;γ 0 is the maximum amplitude of the shear strain exhibited by the deformation of the material;

G'는 탄성계수이고;G 'is an elastic modulus;

G''는 점성계수이고;G '' is the viscosity coefficient;

ω는 진동수이고; 및 t는 시간이다.ω is the frequency; And t is time.

하기 도 6에 따르면, 제작한 수용액은 초기엔 점탄성 물질로서 액체와 겔의 중간 정도의 물성을 지니고 있으나, 제작 시간이 지남에 따라 점차 탄성 계수(G')가 점성 계수(G")를 상회하게 되어 겔의 특성을 갖게 됨을 확인할 수 있었다. 상기 서술을 통해 입증한 피로갈롤에 의한 직간접적인 상호작용력을 바탕으로 볼 때, 피로갈롤 수용액의 겔화 역시 피로갈롤 작용기의 일련의 상호작용력이 복합적으로 작용하여 발생하는 것이라 할 수 있다. 결론적으로, 상기 서술한 여러 실험을 통해 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자는 실리콘 음극 내에서 자연 산화에 의한 겔 형태로 전극 바인더로 삽입되어 전극 내부 물질 간의 복합적인 상호작용력을 증진시키고, 이를 통해 자가치유 능력을 갖는 그물 형태의 강한 구조를 형성하여 전극의 수명특성을 개선한다는 결과를 입증 할 수 있었다.According to FIG. 6, the prepared aqueous solution initially has a viscoelastic material having a medium physical property between the liquid and the gel, but as the production time passes, the elastic modulus (G ′) gradually exceeds the viscosity modulus (G ″). Based on the direct and indirect interaction force by pyrogallol, which was proved through the above description, the gelation of pyrogallol aqueous solution also has a complex series of interaction forces of pyrogallol functional groups. In conclusion, through the experiments described above, the polymer in which the pyrogallol functional group is introduced is inserted into the electrode binder in the form of a gel by natural oxidation in the silicon anode, thereby inducing complex interaction between the materials inside the electrode. To improve the life characteristics of the electrode by forming a strong structure in the form of a net with self-healing ability. They were able to demonstrate the.

<< 실험예Experimental Example 3>  3> 하이드록실기에Hydroxyl groups 따른 효과 Effect

본 발명에 따른 피로갈롤 작용기는 상술한 바와 같이 페닐기에 3개의 하이드록실기가 결합된 구조를 갖는다. 반면 카테콜 작용기는 페닐기에 2개의 하이드록실기를 갖는 것으로, 본 실험예에서는 화학식 7과 동일하나 하이드록실기가 2개인 카테콜 유도 고분자를 비교예로 사용하였다. As described above, the pyrogallol functional group has a structure in which three hydroxyl groups are bonded to a phenyl group. On the other hand, the catechol functional group has two hydroxyl groups in the phenyl group, and in the present experimental example, the same catechol-derived polymer having the two hydroxyl groups as in Chemical Formula 7 was used as the comparative example.

도 10 및 11은 각각 카테콜 유도 고분자 바인더와 피로갈롤 유도 고분자 바인더의 공기 노출 자연산화 능력 실험 결과이다. 10 and 11 are air exposure natural oxidation capacity test results of the catechol-derived polymer binder and the pyrogallol-derived polymer binder, respectively.

도 10 및 11을 참조하면, 전극 슬러리 제작 시 혼합하는 고분자의 농도와 같은 (2 중량%) 카테콜 유도 고분자와 피로갈롤 유도 고분자를 수용액 상태로 공기에 120시간 노출 시켜 공기에 의한 자연산화 능력을 비교하였다. Referring to FIGS. 10 and 11, the catechol-derived polymer and the pyrogallol-derived polymer (2 wt%) such as the concentration of the polymer to be mixed when preparing the electrode slurry are exposed to air in an aqueous solution for 120 hours to increase the natural oxidation ability of the air. Compared.

도 10에서 카테콜 유도 고분자는 공기 노출에 의한 자연산화 능력이 거의 없기 때문에 120 시간의 공기 노출 후에도 노출 전과의 물성 변화가 거의 관찰되지 않는 반면, 피로갈롤 유도 고분자의 경우 수용액 혼합 후 공기 노출에 의해 자연적으로 산화되어 120 시간 후 겔 형태로 변화함을 알 수 있다. 이는 도 10 및 11과 같이 간단한 용기 뒤집기 실험(container inversion test)으로 확인 할 수 있다. In FIG. 10, since the catechol-derived polymer has almost no natural oxidation ability due to air exposure, physical properties of the catechol-derived polymer are hardly observed even after 120 hours of air exposure. It can be seen that it naturally oxidizes and changes to gel form after 120 hours. This can be confirmed by a simple container inversion test as shown in FIGS. 10 and 11.

따라서, 본 발명에 따른 바인더의 피로갈롤 유도 고분자는 바인더로서 공기와 접촉 자연산화하여 바인더로서의 우수한 겔화 능력을 갖는 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the pyrogallol-derived polymer of the binder according to the present invention has excellent gelling ability as a binder by natural oxidation in contact with air as a binder.

도 12 및 13은 각각 카테콜 유도 고분자와 피로갈롤 유도 고분자의 공기 노출 자연 산화에 의한 유변학적 특성 변화 측정 결과이다.12 and 13 are results of measurement of the change in rheological properties by air exposure natural oxidation of catechol-derived polymer and pyrogallol-derived polymer, respectively.

도 12 및 13을 참조하면, 전극 슬러리 제작 시 혼합하는 고분자의 농도와 같은 (2 중량%) 카테콜 유도 고분자와 피로갈롤 유도 고분자를 수용액 상태로 공기에 120 시간 노출 시켜 자연산화에 의해 발생하는 물성 변화를 유변학계를 통해 관찰한 결과이다. 카테콜 유도 고분자는 공기 노출에 의한 자연산화 능력이 거의 없어 120 시간의 공기 노출 후에도 노출 전과의 점성/탄성 계수의 변화가 크게 관찰되지 않아, 전반적인 물성 변화가 거의 이루어지지 않았다고 할 수 있다. 반면, 피로갈롤 유도 고분자의 경우에는 수용액 혼합 시 공기 노출에 의해 자연적으로 산화되는 능력에 의해, 혼합 직전에 전반적인 진동수 영역대에서 점성계수(G“)가 탄성계수(G’) 보다 높은 점탄성 물질이었던 물성에서 120 시간 후 탄성 계수(G’)가 점성계수(G”)보다 높은 겔 형태로 물성이 변화함을 확인 할 수 있다. Referring to FIGS. 12 and 13, the catechol-derived polymer and the pyrogallol-derived polymer (2 wt%) such as the concentration of the polymer to be mixed when preparing the electrode slurry are exposed to air in an aqueous solution for 120 hours to generate physical properties by natural oxidation. The change is observed through the rheology system. The catechol-derived polymer has little natural oxidation ability due to air exposure, and thus, even after 120 hours of air exposure, the change in viscosity / elasticity coefficient before and after exposure was not observed so that the overall physical property change was hardly achieved. On the other hand, in the case of pyrogallol-derived polymers, the viscoelastic material (G “) was higher than the elastic modulus (G ') in the overall frequency range immediately before the mixing due to the ability to naturally oxidize by air exposure when mixing the aqueous solution. It can be seen that after 120 hours in physical properties, the physical properties change in a gel form with a higher modulus of elasticity (G ') than the viscosity coefficient (G ").

이상의 실험 결과를 통하여 페닐기에 결합하는 하이드록실기의 개수가 3개가 되어야만 자연산화를 통한 겔화 능력을 갖는 것을 알 수 있으며, 이것은 본 발명에 따른 피로갈롤 작용기, 즉, 페닐기에 하이드록실기가 3개 결합된 작용기가 바인더로서 매우 중요하다는 것을 시사한다.From the above experimental results, it can be seen that the number of hydroxyl groups bound to the phenyl group must be three to have gelation ability through natural oxidation, and this means that the pyrogallol functional group according to the present invention, that is, three hydroxyl groups in the phenyl group It is suggested that the bound functional groups are very important as binders.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail specific parts of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that these specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. will be. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (20)

피로갈롤 작용기가 도입된 전극용 바인더 화합물에 있어서,
상기 전극용 바인더 화합물은 하기의 화학식 1 내지 화학식 3중 어느 하나의 구조를 가지는 전극용 바인더 화합물.
(화학식 1)
Figure 112018070256384-pat00044

(화학식 2)
Figure 112018070256384-pat00045

(화학식 3)
Figure 112018070256384-pat00046

In the binder compound for electrodes introduced pyrogallol functional group,
The electrode binder compound is a binder compound for electrodes having a structure of any one of the following formula (1) to (3).
(Formula 1)
Figure 112018070256384-pat00044

(Formula 2)
Figure 112018070256384-pat00045

(Formula 3)
Figure 112018070256384-pat00046

삭제delete (a) 원료 고분자 화합물을 용매와 혼합하여 용해하는 단계;
(b) 상기 원료 고분자 화합물 용액에 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물을 첨가한 다음 교반하여 원료 고분자 화합물에 피로갈롤 작용기를 도입하는 단계; 및
(c) 미반응물을 제거하여 피로갈롤 작용기가 도입된 고분자 화합물을 수득하는 단계;
를 포함하는 제1항의 피로갈롤 작용기가 도입된 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
(a) mixing the raw polymer compound with a solvent to dissolve it;
(b) adding a compound having a pyrogallol functional group to the raw polymer compound solution and then stirring to introduce the pyrogallol functional group into the raw polymer compound; And
(c) removing the unreacted material to obtain a polymer compound into which a pyrogallol functional group is introduced;
A method for producing a binder compound for an electrode, wherein the pyrogallol functional group of claim 1 is introduced.
제3항에 있어서,
상기 원료 고분자 화합물은 카르복실기(-COOH)를 포함하는 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
The method of claim 3,
The raw polymer compound is a method for producing a binder compound for an electrode containing a carboxyl group (-COOH).
제4항에 있어서,
상기 원료 고분자 화합물은 하기의 화학식 4 내지 화학식 6 중 어느 하나의 구조를 가지는 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
(화학식 4)
Figure 112018070256384-pat00026

(화학식 5)
Figure 112018070256384-pat00027

(화학식 6)
Figure 112018070256384-pat00028
The method of claim 4, wherein
The raw polymer compound is a method for producing a binder compound for an electrode having a structure of any one of formulas (4) to (6).
(Formula 4)
Figure 112018070256384-pat00026

(Formula 5)
Figure 112018070256384-pat00027

(Formula 6)
Figure 112018070256384-pat00028
제3항에 있어서,
상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 식물유래 화합물인 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
The method of claim 3,
The compound having a pyrogallol functional group is a method of producing a binder compound for electrodes that is a plant-derived compound.
제3항에 있어서,
상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 아미노기(-NH2)를 포함하는 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
The method of claim 3,
The compound having a pyrogallol functional group is a method for producing a binder compound for an electrode containing an amino group (-NH 2 ).
제7항에 있어서,
상기 피로갈롤 작용기를 가지는 화합물은 하기의 화학식 7의 구조를 가지는 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
(화학식 7)
Figure 112018070256384-pat00029
The method of claim 7, wherein
The compound having a pyrogallol functional group is a method for producing a binder compound for an electrode having a structure of formula (7).
(Formula 7)
Figure 112018070256384-pat00029
제3항에 있어서,
상기 (a)단계는 활성제를 첨가하는 것을 포함하는 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
The method of claim 3,
Step (a) is a method for producing a binder compound for an electrode comprising the addition of an active agent.
제9항에 있어서,
상기 활성제는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(EDC)를 포함하는 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
The method of claim 9,
The active agent is a method for producing a binder compound for electrodes comprising 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC).
제3항에 있어서,
상기 (c) 미반응물 제거 단계는, 반투과성 여과막을 이용하여 미 반응물을 제거한 다음, 동결건조하는 단계인 전극용 바인더 화합물의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein (c) the step of removing the unreacted material, a method of producing a binder compound for an electrode which is a step of removing the unreacted material using a semi-permeable filter membrane, and then lyophilized.
삭제delete 삭제delete 제1항의 피로갈롤 작용기가 도입된 전극용 바인더 화합물을 포함하는 전극 소재.An electrode material comprising a binder compound for electrodes into which the pyrogallol functional group of claim 1 is introduced. (i) 제1항의 피로갈롤 작용기가 도입된 전극용 바인더 화합물을 증류수에 용해하는 단계; 및
(ii) 상기 피로갈롤 작용기가 도입된 전극용 바인더 화합물 용액에 실리콘 나노입자 및 전도성 화합물을 첨가하여 실리콘 전극 소재를 제조하는 단계;
를 포함하는 피로갈롤 작용기가 도입된 전극용 바인더 화합물을 사용한 실리콘 이차전지 전극 소재의 제조방법.
(i) dissolving the binder compound for electrodes into which the pyrogallol functional group of claim 1 is introduced, in distilled water; And
(ii) preparing a silicon electrode material by adding silicon nanoparticles and a conductive compound to the binder compound solution for electrodes into which the pyrogallol functional group is introduced;
Method for producing a silicon secondary battery electrode material using a binder compound for electrodes introduced pyrogalol functional group comprising a.
제15항에 있어서,
상기 전도성 화합물은 ITO, 은 나노와이어, 은나노입자, 탄소화합물, 철, 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 또는 주석이 포함되는 실리콘 이차전지 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 15,
The conductive compound is ITO, silver nanowires, silver nanoparticles, carbon compounds, iron, copper, aluminum, gold, silver, nickel or tin containing method of manufacturing a silicon secondary battery electrode material.
제15항의 방법으로 제조되는 피로갈롤 작용기가 도입된 전극용 바인더 화합물을 바인더로 사용한 실리콘 이차전지 전극 소재.A silicon secondary battery electrode material using a binder compound for an electrode having a pyrogallol functional group produced by the method of claim 15 introduced therein as a binder. (1) 제17항의 실리콘 이차전지 전극 소재를 구리박막에 도포하여 전극을 제작하는 단계; 및
(2) 상기 (1)단계에서 제조된 전극을 재단하여 전지에 삽입 가능한 형태로 제작하는 단계;
를 포함하는 실리콘 이차전지 전극의 제조방법.
(1) preparing an electrode by applying the silicon secondary battery electrode material of claim 17 to a copper thin film; And
(2) cutting the electrode prepared in step (1) to produce a battery insertable form;
Method of manufacturing a silicon secondary battery electrode comprising a.
제18항에 있어서,
상기 구리박막은 5~20 ㎛의 두께를 가지는 실리콘 이차전지 전극의 제조방법.
The method of claim 18,
The copper thin film is a method of manufacturing a silicon secondary battery electrode having a thickness of 5 ~ 20 ㎛.
제18항의 방법으로 제조되는 실리콘 이차전지 전극.A silicon secondary battery electrode prepared by the method of claim 18.
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