KR102188648B1 - Secondary battery comprising sparked graphene oxide sheet and Preparation method thereof - Google Patents

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KR102188648B1
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graphene oxide
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심우영
이준상
진단아
이해곤
정기영
박윤철
손소리
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연세대학교 산학협력단
재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

The present invention relates to a secondary battery comprising a sparked reduced graphene oxide sheet and to a production method thereof. The secondary battery includes sparked reduced graphene oxide (sGO), thereby improving the wettability of beta alumina to a liquid metal so that the charge/discharge capacity and efficiency are excellent, and having excellent durability because it is stable even after repeated cycling.

Description

스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 포함하는 이차전지 및 이의 제조방법{Secondary battery comprising sparked graphene oxide sheet and Preparation method thereof}Secondary battery comprising sparked reduced graphene oxide sheet and method for manufacturing the same

본 발명은 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 포함하는 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery including a sparked reduced graphene oxide sheet and a method of manufacturing the same.

고유한 표면, 기공 및 연결 구조를 갖는 액체 금속에 대한 다양한 마이크로/나노 구조의 저장고(micro/nanostructured reservoir)가 에너지 저장 시스템 연구 영역에서 제안되어왔다. 그 중 카본-기반 물질은 이상적인 저장고(reservoir) 후보군이다. 왜냐하면 카본은 저장고(reservoir) 구조체로 이용 가능한 물질 중 가장 가벼운 물질이기 때문이다. 또한 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 mesoporous carbon과 같은 신흥 탄소 재료는 넓은 표면적과 함께 탁월한 기계적 강도를 갖는 장점이 있으며 더욱이 탄소재료는 일반적으로 Li 및 Na 전지의 산화 환원 환경에서 안정하다. 특히, 표면적이 큰 그래핀 기반 기능성 시트(graphene-base functional sheets)는 2D 층상구조 및 connecting microstructures을 가지기 때문에 배터리 전극용 구조체 물질 및 channel guided reservoir로서 많은 연구가 진행되어 왔다. 예를 들어, 금속 (e.g., Na, Li)/C 복합체 전극이 그래핀 기반 시트에 대한 액체 금속의 melt infusion 기법을 통해 제작되었다. 금속/C 복합체 전극은 수지상 형성 및 부피 팽창과 같은 고질적인 bare metal anode의 주요 문제점들을 해결하여 우수한 성능을 나타냈다. 실험에서 입증 된 우수한 성능 및 유망한 응용 분야의 출현에도 불구하고 Graphene-base sheets에대한 액체 금속의 permeation에 대한 이해는 여전히 부족하다. 이는 주로 Graphene-base material의 미세 구조와 표면의 chemical functional group의 분포가 복잡하기 때문이다. Electronic 및 electrochemical devices 응용 분야에서 금속 layer가 Graphene-base sheets 표면에 견고한 Adhesion을 유지하는 것이 중요하므로, 금속/Graphene-base sheets 계면의 화학적, 물리적 특성에 대한 충분한 이해가 요구된다.Various micro/nanostructured reservoirs for liquid metals with unique surfaces, pores and connection structures have been proposed in the field of energy storage systems research. Among them, carbon-based materials are ideal candidates for reservoirs. This is because carbon is the lightest material among the materials available as a reservoir structure. In addition, emerging carbon materials such as carbon nanotubes, graphene, and mesoporous carbon have the advantage of having excellent mechanical strength with a large surface area. Moreover, carbon materials are generally stable in the redox environment of Li and Na batteries. In particular, since graphene-based functional sheets having a large surface area have a 2D layered structure and connecting microstructures, many studies have been conducted as a structure material for battery electrodes and a channel guided reservoir. For example, a metal (e.g., Na, Li)/C composite electrode was fabricated through a melt infusion technique of a liquid metal on a graphene-based sheet. The metal/C composite electrode showed excellent performance by solving the main problems of the inherent bare metal anode such as dendritic formation and volume expansion. Despite the superior performance demonstrated in the experiments and the emergence of promising applications, understanding of the permeation of liquid metals for graphene-base sheets is still lacking. This is mainly because the microstructure of the graphene-base material and the distribution of chemical functional groups on the surface are complex. In electronic and electrochemical device applications, it is important that the metal layer maintains a solid adhesion to the surface of the graphene-base sheets, so a sufficient understanding of the chemical and physical properties of the metal/graphene-base sheets interface is required.

Electrochimica Acta 55 (2010) 3909-3914Electrochimica Acta 55 (2010) 3909-3914

본 발명의 목적은 고체전해질인 베타 알루미나의 액체 금속에 대한 젖음성(wetting)을 향상시켜 우수한 성능의 이차전지 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a secondary battery having excellent performance and a method of manufacturing the same by improving the wetting of a solid electrolyte beta alumina with respect to a liquid metal.

본 발명은, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sparked reduced graphene oxide, sGO) 및 베타 알루미나(β″-Al2O3)를 포함하는 고체전해질; 및The present invention, sparked reduced graphene oxide (sparked reduced graphene oxide, sGO) and a solid electrolyte containing beta alumina (β″-Al 2 O 3 ); And

액체 금속을 포함하는 음극(anode)를 포함하는 이차전지를 제공한다.It provides a secondary battery including a negative electrode (anode) containing a liquid metal.

또한, 본 발명은 그래핀 옥사이드 시트를 액체 금속에 접촉시켜 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계; 제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 베타 알루미나 일면에 적층하여 고체전해질을 제조하는 단계; 및 고체전해질의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트가 형성된 면에 충전반응을 통해 액체 금속을 포함하는 음극을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a sparked reduced graphene oxide sheet by contacting a graphene oxide sheet with a liquid metal; Laminating the prepared sparked reduced graphene oxide sheet on one side of beta alumina to prepare a solid electrolyte; And it provides a method for manufacturing a secondary battery comprising the step of forming a negative electrode containing a liquid metal through a charging reaction on the surface on which the sparked reduced graphene oxide sheet of the solid electrolyte is formed.

본 발명의 이차전지는 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO)를 포함함으로써, 베타 알루미나의 액체 금속에 대한 젖음성을 향상시켜 충전/방전 용량 및 효율이 우수하고 반복되는 사이클링 이후에도 안정하여 우수한 내구성을 갖는 이점이 있다.The secondary battery of the present invention includes sparked reduced graphene oxide (sGO), thereby improving the wettability of beta alumina to the liquid metal, which has excellent charging/discharging capacity and efficiency, and is stable even after repeated cycling and has excellent durability. There is this.

도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 구조(a)와 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트의 제조방법(b)을 나타낸 이미지이다.
도 2는 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트를 디지털 카메라 및 전계방출형 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이다.
도 3은 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트의 BET 비표면적 측정 결과 그래프이다.
도 4는 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트의 X선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD) 결과 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트의 푸리에 변환 적외선 분광분석 결과 그래프이다.
도 6은 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트의 X선 광전자 분광 스펙트럼 결과 그래프이다.
도 7은 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트의 라만 분광 분석 결과 그래프이다.
도 8은 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 진행하여 액체 나트륨과 그래핀 옥사이드 시트의 흡수 실험 결과 그래프이다.
도 9는 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트의 액체 나트륨 흡수 과정을 촬영한 이미지이다:(a)는 sGO, (b)는 pGO 시트이다.
도 10은 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트의 액체 금속 흡수 실험 결과를 촬영한 이미지이다:(a)는 액체 칼륨이고, (b)는 액체 리튬이다.
도 11은 일실시예에 따른 그래핀 옥사이드 시트가 일면에 형성된 베타 알루미나의 온도에 따른 액체 나트륨에 대한 접촉각을 나타낸 그래프 및 이미지이다.
도 12는 일실시예에 따른 이차전지의 충전/방전 결과 그래프이다:(a)는 이차전지의 초기 사이클 전압 특성을 나타낸 그래프이고, (b)는 실시예 1의 이차전지의 여러 번의 충/방전 사이클에 따른 전압-용량 변화 그래프이며, (c)는 순수 베타 알루미나를 포함하는 나트륨 베타-알루미나 전지의 전압-용량 그래프이고, (d)는 실시예 1의 이차전지의 충/방전 사이클 횟수에 따른 용량 및 쿨롱효율 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is an image showing a structure (a) of a secondary battery according to the present invention and a method (b) of manufacturing a sparked reduced graphene oxide sheet.
2 is an image photographed by a digital camera and a field emission scanning electron microscope of a graphene oxide sheet according to an embodiment.
3 is a graph showing the BET specific surface area measurement result of graphene oxide sheet according to an embodiment.
4 is an X-ray diffraction (XRD) result graph of a graphene oxide sheet according to an embodiment.
5 is a graph showing a result of Fourier transform infrared spectroscopy of a graphene oxide sheet according to an embodiment.
6 is an X-ray photoelectron spectral spectrum result graph of a graphene oxide sheet according to an embodiment.
7 is a graph showing a result of Raman spectroscopy analysis of a graphene oxide sheet according to an embodiment.
8 is a graph showing results of absorption experiments of liquid sodium and graphene oxide sheets by conducting molecular dynamics (MD) simulation.
9 is an image photographing a liquid sodium absorption process of a graphene oxide sheet according to an embodiment: (a) is sGO, (b) is a pGO sheet.
10 is an image photographing a result of a liquid metal absorption experiment of a graphene oxide sheet according to an embodiment: (a) is liquid potassium, and (b) is liquid lithium.
11 is a graph and an image showing a contact angle with respect to liquid sodium according to a temperature of beta alumina formed on one surface of a graphene oxide sheet according to an embodiment.
12 is a graph showing the charging/discharging result of the secondary battery according to an embodiment: (a) is a graph showing the initial cycle voltage characteristics of the secondary battery, and (b) is a plurality of charging/discharging of the secondary battery of Example 1. It is a voltage-capacity change graph according to a cycle, (c) is a voltage-capacity graph of a sodium beta-alumina battery containing pure beta alumina, and (d) is a graph according to the number of charge/discharge cycles of the secondary battery of Example 1. It is a graph showing the change in capacity and coulomb efficiency.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명은 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sparked reduced graphene oxide, sGO) 및 베타 알루미나(β″-Al2O3)를 포함하는 고체전해질; 및The present invention is a solid electrolyte containing sparked reduced graphene oxide (sGO) and beta alumina (β″-Al 2 O 3 ); And

액체 금속을 포함하는 음극(anode)를 포함하는 이차전지를 제공한다.It provides a secondary battery including a negative electrode (anode) containing a liquid metal.

본 발명에 따른 이차전지의 모식도는 도 1에 나타내었다. 도 1을 살펴보면, 본 발명에 따른 이차전지는 양극(cathode); 베타 알루미나 및 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 포함하는 고체전해질; 및 음극(anode)가 순차적으로 적층된 구조이다. 구체적으로, 양극; 베타 알루미나; 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트 및 음극이 순차적으로 적층된 구조이고, 음극은 액체 금속으로 구성되며, 액체 금속의 일부가 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트에 스며들어 그래핀 층 사이에 채워진 형태일 수 있다.A schematic diagram of a secondary battery according to the present invention is shown in FIG. 1. Referring to Figure 1, the secondary battery according to the present invention is a positive electrode (cathode); A solid electrolyte including beta alumina and sparked reduced graphene oxide sheet; And cathodes are sequentially stacked. Specifically, the anode; Beta alumina; It is a structure in which a sparked reduced graphene oxide sheet and a negative electrode are sequentially stacked, and the negative electrode is composed of a liquid metal, and a part of the liquid metal may permeate the sparked reduced graphene oxide sheet and be filled between the graphene layers. .

하나의 예로서, 본 발명에 따른 스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 시트 형태로, 습윤시트 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 층간 간격이 3nm 내지 4.5nm이고, 그래핀층 사이에 액체 금속을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 층간 간격이 3nm 내지 4.25nm 3nm 내지 4nm, 3nm 내지 3.8nm, 3nm 내지 3.5nm, 3.25nm 내지 4.5nm, 3.25nm 내지 4.25nm, 3.25nm 내지 4nm, 3.25nm 내지 3.8nm, 3.25nm 내지 3.5nm, 3.5nm 내지 4.5nm, 3.5nm 내지 4.25nm, 3.5nm 내지 4nm, 3.5nm 내지 3.8nm, 3.75nm 내지 4.5nm, 3.75nm 내지 4.25nm, 3.75nm 내지 4nm, 또는 4nm 내지 4.5nm일 수 있다. 예를 들어, 그래핀층 사이에 포함된 액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이거나, 나트륨, 리튬 또는 칼륨일 수 있다.As an example, the sparked reduced graphene oxide according to the present invention is in the form of a sheet, and may serve as a wet sheet. Specifically, the sparked reduced graphene oxide has a graphene interlayer spacing of 3 nm to 4.5 nm, and may include a liquid metal between the graphene layers. More specifically, the sparked reduced graphene oxide has a graphene interlayer spacing of 3nm to 4.25nm 3nm to 4nm, 3nm to 3.8nm, 3nm to 3.5nm, 3.25nm to 4.5nm, 3.25nm to 4.25nm, 3.25nm to 4nm , 3.25nm to 3.8nm, 3.25nm to 3.5nm, 3.5nm to 4.5nm, 3.5nm to 4.25nm, 3.5nm to 4nm, 3.5nm to 3.8nm, 3.75nm to 4.5nm, 3.75nm to 4.25nm, 3.75nm To 4nm, or 4nm to 4.5nm. For example, the liquid metal included between the graphene layers may be at least one selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li), and potassium (K), or sodium, lithium, or potassium.

또한, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 탄소/산소(C/O) 원자 비율은 5 이상일 수 있다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 탄소/산소(C/O) 원자 비율은 5 이상, 6 이상, 7 이상, 5 내지 10, 6 내지 10, 7 내지 10, 5 내지 8, 6 내지 8 또는 7 내지 8일 수 있다.In addition, the carbon/oxygen (C/O) atomic ratio of the sparked reduced graphene oxide may be 5 or more. Specifically, the carbon/oxygen (C/O) atomic ratio of the sparked reduced graphene oxide is 5 or more, 6 or more, 7 or more, 5 to 10, 6 to 10, 7 to 10, 5 to 8, 6 to 8 or It may be 7 to 8.

더불어, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 BET 비표면적은 200 내지 400 m2/g 일 수 있다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 BET 비표면적은 200 내지 400 m2/g, 200 내지 350 m2/g, 250 내지 400 m2/g, 250 내지 350 m2/g, 280 내지 400 m2/g, 280 내지 350 m2/g 또는 280 내지 320 m2/g일 수 있다. 본 발명에 따른 스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 다공성 구조를 가져 높은 비표면적을 나타내고, 이로 인해 음극에 향상된 활성 영역을 제공할 수 있다.In addition, the BET specific surface area of the sparked reduced graphene oxide may be 200 to 400 m 2 /g. Specifically, the BET specific surface area of the sparked reduced graphene oxide is 200 to 400 m 2 /g, 200 to 350 m 2 /g, 250 to 400 m 2 /g, 250 to 350 m 2 /g, 280 to 400 m 2 /g, 280 to 350 m 2 /g or 280 to 320 m 2 /g. The sparked reduced graphene oxide according to the present invention has a porous structure and exhibits a high specific surface area, thereby providing an improved active area to the negative electrode.

또한, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 두께는 100 μm 내지 400 μm일 수 있다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 두께는 100 μm 내지 150 μm, 150 μm 내지 200 μm, 200 μm 내지 250 μm 또는 250 μm 내지 400 μm일 수 있다. 상기 두께를 가짐으로써, 이차전지 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, the thickness of the sparked reduced graphene oxide may be 100 μm to 400 μm. Specifically, the thickness of the sparked reduced graphene oxide may be 100 μm to 150 μm, 150 μm to 200 μm, 200 μm to 250 μm, or 250 μm to 400 μm. By having the above thickness, it is possible to improve the secondary battery performance.

예를 들어, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 베타 알루미나와 음극 사이에 형성된 것일 수 있다. For example, the sparked reduced graphene oxide may be formed between beta alumina and a cathode.

본 발명에 따른 이차전지는 상기와 같은 스파크된 환원 그래핀 옥사이드를 베타 알루미나의 일면에 포함함으로써, 액체 금속에 대한 젖음성이 향상되어 고체전해질인 베타 알루미나에 대한 액체 금속 습윤 거동을 향상시키고, 이로 인해 이차전지의 충/방전 용량 및 내구성을 향상시킬 수 있다.The secondary battery according to the present invention includes the sparked reduced graphene oxide as described above on one side of the beta alumina, thereby improving the wettability of the liquid metal to improve the liquid metal wetting behavior for the solid electrolyte beta alumina. It is possible to improve the charging/discharging capacity and durability of the secondary battery.

하나의 예로서, 음극을 구성하는 액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 또는 칼륨(K)일 수 있다.As an example, the liquid metal constituting the negative electrode may be at least one selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li), and potassium (K). Specifically, the liquid metal may be sodium (Na), lithium (Li), or potassium (K).

상기와 같은 구성을 가짐으로써, 본 발명에 따른 이차전지는 175 ℃ 온도에서 1.8 내지 2.8 V 차단 전압 및 10 mA 정전류 조건에서 충전/방전 용량이 50mAh 이상일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지는 175 ℃ 온도에서 1.8 내지 2.8 V 차단 전압 및 10 mA 정전류 조건에서 충전/방전 용량이 60mAh 이상, 80mAh 이상, 90mAh 이상, 60mAh 내지 100mAh 또는 100mAh 내지 120mAh일 수 있다.By having the configuration as described above, the secondary battery according to the present invention may have a charging/discharging capacity of 50mAh or more under a condition of 1.8 to 2.8 V cutoff voltage and 10 mA constant current at a temperature of 175°C. Specifically, the secondary battery according to the present invention may have a charge/discharge capacity of 60 mAh or more, 80 mAh or more, 90 mAh or more, 60 mAh to 100 mAh, or 100 mAh to 120 mAh under conditions of 1.8 to 2.8 V cutoff voltage and 10 mA constant current at a temperature of 175°C. .

하나의 예로서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극(cathode); 베타 알루미나 및 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 포함하는 고체전해질; 및 음극(anode)가 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 구체적으로, 양극은 소듐염 및 NaAlCl4을 함유하는 양극액에 양극이 담지된 형태로 구성되어 있다. 양극은 전이금속 클로라이드를 함유한 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 양극은 NaAlCl4을 함유하는 용융 양극액에 NaCl 및 니켈(Ni)로 이루어진 작은 입자(granule)를 포함하는 양극이 담지된 형태일 수 있다.As an example, the secondary battery according to the present invention includes a cathode; A solid electrolyte including beta alumina and sparked reduced graphene oxide sheet; And a structure in which anodes are sequentially stacked. Specifically, the anode is configured in a form in which the anode is supported in an anolyte containing sodium salt and NaAlCl 4 . The positive electrode may be in a form containing a transition metal chloride. More specifically, the positive electrode may be in a form in which a positive electrode including small granules made of NaCl and nickel (Ni) is supported in a molten anolyte containing NaAlCl 4 .

또한, 본 발명은 그래핀 옥사이드 시트를 액체 금속에 접촉시켜 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of preparing a sparked reduced graphene oxide sheet by contacting a graphene oxide sheet with a liquid metal;

제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 베타 알루미나 일면에 적층하여 고체전해질을 제조하는 단계; 및Laminating the prepared sparked reduced graphene oxide sheet on one side of beta alumina to prepare a solid electrolyte; And

고체전해질의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트가 형성된 면에 충전반응을 통해 액체 금속을 포함하는 음극을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a secondary battery comprising the step of forming a negative electrode including a liquid metal through a charging reaction on the surface on which the sparked reduced graphene oxide sheet of the solid electrolyte is formed.

본 발명의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계는 도 1에 도식화하여 나타내었다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계는 200℃ 내지 400℃의 온도에서 용융된 액체 금속에 그래핀 옥사이드 시트를 접촉시켜 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계는 200℃ 내지 350℃, 200℃ 내지 300℃, 250℃ 내지 400℃ 또는 250℃ 내지 350℃의 온도에서 용융된 액체 금속에 그래핀 옥사이드 시트의 끝을 접촉시켜 수행할 수 있다. 상기와 같이 그래핀 옥사이드 시트를 용융된 액체 금속에 접촉시키면, 스파크 반응이 일어나 그래핀 옥사이드가 환원되면서 산소 작용기가 감소하면서 그래핀 층 사이의 간격이 증가할 수 있다. 이에, 그래핀 옥사이드 시트의 비표면적이 증가할 수 있다. 예를 들어, 스파크 반응을 위해 사용되는 액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이거나, 나트륨, 리튬 또는 칼륨일 수 있다.The step of preparing the sparked reduced graphene oxide sheet of the present invention is shown schematically in FIG. 1. Specifically, the step of preparing the sparked reduced graphene oxide sheet may be performed by contacting the graphene oxide sheet with the molten liquid metal at a temperature of 200°C to 400°C. More specifically, the step of preparing a sparked reduced graphene oxide sheet is graphene oxide in a liquid metal melted at a temperature of 200°C to 350°C, 200°C to 300°C, 250°C to 400°C, or 250°C to 350°C. This can be done by touching the ends of the sheet. When the graphene oxide sheet is brought into contact with the molten liquid metal as described above, a spark reaction occurs, reducing the graphene oxide, reducing the oxygen functional group, and increasing the gap between the graphene layers. Accordingly, the specific surface area of the graphene oxide sheet may increase. For example, the liquid metal used for the spark reaction may be at least one selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K), or sodium, lithium, or potassium.

하나의 예로서, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계에서 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 100 μm 내지 400 μm의 두께로 형성될 수 있다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 100 μm 내지 150 μm, 150 μm 내지 200 μm, 200 μm 내지 250 μm, 또는 250 μm 내지 400 μm의 두께로 형성될 수 있다.As an example, in the step of preparing a sparked reduced graphene oxide sheet, the sparked reduced graphene oxide sheet may be formed to a thickness of 100 μm to 400 μm. Specifically, the sparked reduced graphene oxide sheet may be formed to a thickness of 100 μm to 150 μm, 150 μm to 200 μm, 200 μm to 250 μm, or 250 μm to 400 μm.

또한, 제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 그래핀 층간 간격이 3nm 내지 4.5nm일 수 있다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 그래핀 층간 간격이 3nm 내지 4.25nm 3nm 내지 4nm, 3nm 내지 3.8nm, 3nm 내지 3.5nm, 3.25nm 내지 4.5nm, 3.25nm 내지 4.25nm, 3.25nm 내지 4nm, 3.25nm 내지 3.8nm, 3.25nm 내지 3.5nm, 3.5nm 내지 4.5nm, 3.5nm 내지 4.25nm, 3.5nm 내지 4nm, 3.5nm 내지 3.8nm, 3.75nm 내지 4.5nm, 3.75nm 내지 4.25nm, 3.75nm 내지 4nm, 또는 4nm 내지 4.5nm일 수 있다.In addition, the prepared sparked reduced graphene oxide sheet may have a graphene interlayer spacing of 3 nm to 4.5 nm. Specifically, the sparked reduced graphene oxide sheet has a graphene interlayer spacing of 3nm to 4.25nm 3nm to 4nm, 3nm to 3.8nm, 3nm to 3.5nm, 3.25nm to 4.5nm, 3.25nm to 4.25nm, 3.25nm to 4nm , 3.25nm to 3.8nm, 3.25nm to 3.5nm, 3.5nm to 4.5nm, 3.5nm to 4.25nm, 3.5nm to 4nm, 3.5nm to 3.8nm, 3.75nm to 4.5nm, 3.75nm to 4.25nm, 3.75nm To 4nm, or 4nm to 4.5nm.

더불어, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계에서 제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 탄소/산소(C/O) 원자 비율이 5 이상일 수 있다. 구체적으로, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 탄소/산소(C/O) 원자 비율은 5 이상, 6 이상, 7 이상, 5 내지 10, 6 내지 10, 7 내지 10, 5 내지 8, 6 내지 8 또는 7 내지 8일 수 있다.In addition, the sparked reduced graphene oxide sheet prepared in the step of preparing the sparked reduced graphene oxide sheet may have a carbon/oxygen (C/O) atomic ratio of 5 or more. Specifically, the carbon/oxygen (C/O) atomic ratio of the sparked reduced graphene oxide is 5 or more, 6 or more, 7 or more, 5 to 10, 6 to 10, 7 to 10, 5 to 8, 6 to 8 or It may be 7 to 8.

본 발명에 따른 고체전해질을 제조하는 단계는 베타 알루미나 일면에 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 적층하는 방법을 이용하여 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 구체적으로, 집전체(current collector)로 물리적으로 눌러 고정시켜 베타 알루미나 일면에 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 적층시킬 수 있다.The step of preparing the solid electrolyte according to the present invention may be formed using a method of laminating a sparked reduced graphene oxide sheet on one surface of beta alumina, but is not limited thereto. Specifically, a sparked reduced graphene oxide sheet may be stacked on one side of the beta alumina by physically pressing and fixing it with a current collector.

본 발명에 따른 음극을 형성하는 단계는 소량의 금속이 도포된 고체전해질 일면에 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 위치시킨 형태로 배터리를 조립하고, 충전반응을 통해 음극부에 액체 금속을 형성하여 음극을 제조할 수 있다. 구체적으로, 음극을 형성하는 단계는 충전반응을 통해, 액체 금속이 음극부를 채우고, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트 내부에 액체 금속이 채워질 수 있다. 보다 구체적으로, 음극을 형성하는 단계는 고체전해질의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 표면에 5mg 이하의 고체 금속을 위치시키고 175℃이상의 온도에서 충전반응을 통해 액체 금속이 음극부를 형성하고, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트 내부에 액체 금속이 채워질 수 있다. 상기 액체 금속은 양극부로부터 금속 이온이 베타 알루미나 전해질을 통해 음극부로 이동하고 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 표면에서 전자를 받아 환원될 수 있다. 이때, 충전반응은 0.5 내지 10 mA, 0.5 내지 5 mA 또는 0.5 내지 2 mA의 조건에서 Cut-off 전압인 2.8 V에 도달할 때까지 충전할 수 있고, 시간은 2 내지 17시간, 2 내지 10시간 또는 2 내지 5시간이 소요될 수 있다. 구체적으로, 0.6 mA(2시간), 1 mA(10시간), 2 mA(17시간) 또는 4 mA(4시간), 그리고 10 mA으로 Cut-off 전압인 2.8 V에 도달할 때까지 충전할 수 있다.The step of forming the negative electrode according to the present invention is to assemble a battery in a form in which a sparked reduced graphene oxide sheet is placed on one side of a solid electrolyte coated with a small amount of metal, and a liquid metal is formed on the negative electrode through a charging reaction to form a negative electrode. Can be manufactured. Specifically, in the forming of the negative electrode, a liquid metal may fill the negative electrode portion through a charging reaction, and the liquid metal may be filled in the sparked reduced graphene oxide sheet. More specifically, in the step of forming the negative electrode, a solid metal of 5 mg or less is placed on the surface of the sparked reduced graphene oxide (sGO) of the solid electrolyte, and the liquid metal forms the negative electrode through a charging reaction at a temperature of 175°C or higher. Liquid metal may be filled inside the reduced graphene oxide sheet. The liquid metal may be reduced by moving metal ions from the positive electrode to the negative electrode through a beta alumina electrolyte and receiving electrons from the sparked reduced graphene oxide surface. At this time, the charging reaction can be charged until reaching the cut-off voltage of 2.8 V under conditions of 0.5 to 10 mA, 0.5 to 5 mA, or 0.5 to 2 mA, and the time is 2 to 17 hours, 2 to 10 hours. Alternatively, it may take 2 to 5 hours. Specifically, it can be charged with 0.6 mA (2 hours), 1 mA (10 hours), 2 mA (17 hours) or 4 mA (4 hours), and 10 mA until it reaches the cut-off voltage of 2.8 V. have.

하나의 예로서, 음극을 형성하는 단계에서 액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 또는 칼륨(K)일 수 있다.As an example, in the step of forming the negative electrode, the liquid metal may be at least one selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li), and potassium (K). Specifically, the liquid metal may be sodium (Na), lithium (Li), or potassium (K).

예를 들어, 음극을 형성하는 단계에서 액체 금속은 단위부피당 1 g/cm3 내지 4 g/cm3의 양을 도포할 수 있다. 구체적으로, 음극을 형성하는 단계에서 액체 금속은 단위부피당 0.85 g/cm3 내지 1.37 g/cm3, 1.37 g/cm3 내지 2.29 g/cm3 또는 2.29 g/cm3 내지 3.43 g/cm3의 양을 도포할 수 있다.For example, in the step of forming the negative electrode, the liquid metal may be applied in an amount of 1 g/cm 3 to 4 g/cm 3 per unit volume. Specifically, in the step of forming the negative electrode, the liquid metal per unit volume of 0.85 g/cm 3 to 1.37 g/cm 3 , 1.37 g/cm 3 to 2.29 g/cm 3 or 2.29 g/cm 3 to 3.43 g/cm 3 Sheep can be applied.

하나의 예로서, 고체전해질에 음극이 형성된 반대 면에 양극을 형성할 수 있다. 구체적으로, 양극은 소듐염 및 NaAlCl4을 함유하는 양극액에 양극이 담지된 형태로 제조할 수 있다. 양극은 전이금속 클로라이드를 함유한 형태로 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 양극은 NaAlCl4을 함유하는 용융 양극액에 NaCl 및 니켈(Ni) 작은 입자(granule)를 포함하는 양극을 담지하여 제조할 수 있다.As an example, an anode may be formed on the opposite side where the cathode is formed in the solid electrolyte. Specifically, the positive electrode may be prepared in a form in which the positive electrode is supported in an anolyte containing sodium salt and NaAlCl 4 . The positive electrode can be prepared in a form containing a transition metal chloride. More specifically, the positive electrode may be prepared by supporting a positive electrode including NaCl and nickel (Ni) small particles in a molten anolyte containing NaAlCl 4 .

이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the examples presented below.

제조예 1Manufacturing Example 1

그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO) 용액을 구리 호일(foil) 상에 드롭 캐스팅(drop casting)으로 도포한 후, 구리 호일로부터 박리하여 그래핀 옥사이드 시트를 제조하였다. 제조된 그래핀 옥사이드 시트의 끝단을 300℃에서 용융된 액체 나트륨(Na)에 접촉시키면 스파크(spark) 반응이 즉시 일어나면서 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sparked reduced graphene oxide, sGO)의 시트를 제조하였다.Graphene oxide (GO) solution was applied on a copper foil by drop casting, and then peeled from the copper foil to prepare a graphene oxide sheet. When the tip of the prepared graphene oxide sheet was brought into contact with molten sodium (Na) at 300°C, a spark reaction occurred immediately and a sheet of sparked reduced graphene oxide (sGO) was prepared. .

제조예 2Manufacturing Example 2

제조예 1에서 제조한 습윤시트(sGO시트)를 액체 나트륨에 접촉시켜 모세관 현상을 통해 sGO시트에 액체 나트륨이 스며든 형태의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(Na-sGO) 시트를 제조하였다. The wet sheet (sGO sheet) prepared in Preparation Example 1 was brought into contact with liquid sodium to prepare a sparked reduced graphene oxide (Na-sGO) sheet in the form of impregnating liquid sodium into the sGO sheet through capillary phenomenon.

비교제조예 1Comparative Production Example 1

그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO) 용액을 구리 호일(foil) 상에 드롭 캐스팅(drop casting)으로 도포한 후, 구리 호일로부터 박리하여 그래핀 옥사이드 시트를 제조하였다.Graphene oxide (GO) solution was applied on a copper foil by drop casting, and then peeled from the copper foil to prepare a graphene oxide sheet.

비교제조예 2Comparative Production Example 2

비교예 1에서 제조한 그래핀 옥사이드 시트를 아르곤(Ar) 분위기에서 130℃로 1시간 동안 가열하여 예열된 그래핀 옥사이드(preheated graphene oxide, pGO) 시트를 제조하였다.The graphene oxide sheet prepared in Comparative Example 1 was heated at 130° C. for 1 hour in an argon (Ar) atmosphere to prepare a preheated graphene oxide (pGO) sheet.

실시예 1Example 1

나트륨 이차전지(Na-NiCl2 battery)는 평면셀(planar cell) 형태로 제작되었으며, 음극 및 양극 배터리 케이스, 알파 알루미나 (α-Al2O3) 고정체(fixture), 고체전해질인 베타 알루미나(β"-Al2O3) 디스크 (3cm2 active area)로 구성되어있다. 베타 알루미나 디스크는 양극(cathode)과 음극(anode)을 분리하기 위해, 양극과 음극 사이에 알파 알루미나 고정체에 유리실링(glass-sealing)되어 있는 형태로 위치되어 있다. Na-NiCl2 배터리는 방전된 상태로 조립되는데, 베타 알루미나(β″-Al2O3)표면에 미량의 고체 나트륨(< 5mg)을 도포한 후, 그 일면에 제조예 1에서 제조한 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO)의 시트를 적층하고, 온도를 175 ℃로 높여 고체전해질층을 제조하였다. 미량의 소듐은 β″-Al2O3 와의 전기 접촉을 위해 도포된 것이다. 상기 제조된 고체전해질층은 나트륨이 형성된 면이 음극 쪽에 위치하도록 제조하였다. 양극은 Ni, NaCl (Ni/NaCl 몰비 = 1.82) 및 양극 첨가제를 포함하는 ~1g의 양극 과립(granules)와 NaAlCl4을 함유하는 용융 양극액으로 구성되어 있다.The sodium secondary battery (Na-NiCl 2 battery) was manufactured in the form of a planar cell, and the negative and positive battery cases, alpha alumina (α-Al 2 O 3 ) fixture, and beta alumina (solid electrolyte) It is composed of β"-Al 2 O 3 ) disks (3cm 2 active area). Beta alumina disks are glass-sealed to an alpha alumina fixture between the positive and negative electrodes to separate the cathode and the anode. The Na-NiCl 2 battery is assembled in a discharged state, and a trace amount of solid sodium (< 5mg) is coated on the surface of beta alumina (β″-Al 2 O 3 ). Thereafter, a sheet of sparked reduced graphene oxide (sGO) prepared in Preparation Example 1 was stacked on one side, and a solid electrolyte layer was prepared by raising the temperature to 175° C. A trace amount of sodium is β″-Al 2 O 3 The prepared solid electrolyte layer was prepared so that the side on which sodium was formed was positioned on the negative electrode, and the positive electrode was composed of Ni, NaCl (Ni/NaCl molar ratio = 1.82) and ~1 g of the positive electrode additive. It consists of anodic granules and a molten anolyte containing NaAlCl 4 .

비교예 1Comparative Example 1

제조예 1에서 제조한 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트를 사용하는 대신 아무런 처리를 하지 않은 고체전해질인 베타 알루미나(β"-Al2O3)를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 나트륨 이차전지를 제조하였다.The same method as in Example 1 except that beta alumina (β"-Al 2 O 3 ), which is an untreated solid electrolyte, was used instead of using the sparked reduced graphene oxide (sGO) sheet prepared in Preparation Example 1 A sodium secondary battery was prepared.

비교예 2Comparative Example 2

제조예 1에서 제조한 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트 대신 비교제조예 2에서 제조한 예열된 그래핀 옥사이드(pGO)를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 나트륨 이차전지를 제조하였다.A sodium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the preheated graphene oxide (pGO) prepared in Comparative Preparation Example 2 was used instead of the sparked reduced graphene oxide (sGO) sheet prepared in Preparation Example 1. .

실험예 1Experimental Example 1

본 발명에 따른 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트의 형태를 확인하기 위해, 제조예 1, 제조예 2, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조된 그래핀 옥사이드 시트를 대상으로 디지털 카메라와 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electronic Microscope, FE-SEM)으로 촬영을 진행하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 또한, 제조예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드 시트의 비표면적을 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.To confirm the shape of the sparked reduced graphene oxide (sGO) sheet according to the present invention, a digital camera targeting the graphene oxide sheets prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2 And a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and the results are shown in FIG. 2. In addition, the specific surface area of the graphene oxide sheet prepared in Preparation Example 1 was measured, and the results are shown in FIG. 3.

도 2(a)는 제조예 1, 제조예 2, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조한 그래핀 옥사이드 시트를 디지털 카메라로 촬영한 이미지이다. 도 2의 (b) 내지 (e)는 제조예 1, 제조예 2, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조한 그래핀 옥사이드 시트를 전계방출형 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이고, 첫번째, 두번째 줄은 단면적을 촬영한 것이고, 세번째 줄은 평면(in-plane)을 촬영한 것이다. 도 2를 살펴보면, 비교제조예 1의 그래핀 옥사이드 시트는 전형적으로 조밀하게 적층된 구조이고, 비교제조예 1의 그래핀 옥사이드 시트와 비교제조예 2의 예열된 그래핀 옥사이드(pGO) 시트는 층간 간격(interlayer gap) 크기가 매우 작기 때문에 상기 두 물질의 차이점을 관찰하기 어렵다. 반면, 도 2(d)를 살펴보면 제조예 1의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드 시트 사이의 수십 사이즈의 나노 갭이 형성된 것을 알 수 있다. 구체적으로, 도 2(d)의 2번째 줄 내 삽입 이미지를 보면 수십 나노미터의 균일한 기공(pore) 구조와 여러 층의 환원 그래핀 옥사이드 시트가 형성되어 수백 나노미터의 나노갭을 확인할 수 있다. 또한, 도 2(d)의 평면 이미지를 보면 스파크 반응 후에 시트 표면이 다공성인 것을 확인할 수 있다. 더불어, 도 2(e)의 제조예 2에서 제조한 시트는 제조예 1에 액체 나트륨을 주입한 것으로 균일한 그래핀 층 구조를 유지하면서 나노갭에 액체 나트륨이 균일하게 채워지고, sGO 시트 표면은 나트륨으로 덮힌 것을 확인할 수 있다.2(a) is an image photographed with a digital camera of graphene oxide sheets prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Comparative Preparation Example 1, and Comparative Preparation Example 2. FIG. 2 (b) to (e) are images of graphene oxide sheets prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2 taken with a field emission scanning electron microscope, The second line is a cross-sectional area shot, and the third line is an in-plane shot. 2, the graphene oxide sheet of Comparative Preparation Example 1 is typically a densely stacked structure, and the graphene oxide sheet of Comparative Preparation 1 and the preheated graphene oxide (pGO) sheet of Comparative Preparation 2 are interlayered. Because the interlayer gap size is very small, it is difficult to observe the difference between the two materials. On the other hand, looking at FIG. 2(d), it can be seen that the sparked reduced graphene oxide of Preparation Example 1 has a nanogap of several tens of sizes between the graphene oxide sheets. Specifically, when looking at the inserted image in the second row of FIG. 2(d), a uniform pore structure of several tens of nanometers and several layers of reduced graphene oxide sheets are formed, so that a nanogap of several hundred nanometers can be confirmed. . In addition, when looking at the planar image of FIG. 2(d), it can be seen that the sheet surface is porous after the spark reaction. In addition, the sheet prepared in Preparation Example 2 of FIG. 2(e) is prepared by injecting liquid sodium into Preparation Example 1, and while maintaining a uniform graphene layer structure, liquid sodium is uniformly filled in the nanogap, and the sGO sheet surface is It can be seen that it is covered with sodium.

도 3은 제조예 1에서 제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 비표면적을 측정한 그래프이다. 도 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트의 BET 비표면적은 292.83m2./g으로 그래핀 옥사이드 시트의 BET 비표면적이 8.0m2./g으로 30배 이상 증가하는 것을 알 수 있다. 이에 따라 상기 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 사용함으로써 기공 구조에 액체 금속(예를 들어, 액체 나트륨)에 대한 젖음성이 향상될 수 있다.3 is a graph measuring the specific surface area of the sparked reduced graphene oxide prepared in Preparation Example 1. Referring to FIG. 3, the BET specific surface area of the sparked reduced graphene oxide sheet according to the present invention is 292.83 m 2. /g, and that the BET specific surface area of the graphene oxide sheet increases by more than 30 times to 8.0 m 2. /g. Able to know. Accordingly, by using the sparked reduced graphene oxide sheet, wettability for a liquid metal (eg, liquid sodium) in the pore structure may be improved.

실험예 2Experimental Example 2

본 발명에 따른 습윤시트의 화학적 성질을 확인하기 위해, 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조한 그래핀 옥사이드를 대상으로 X선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD), 푸리에 변환 적외선 스펙트럼(Fourier transform infrared, FT-IR), X선 광전자 분광 스펙트럼(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 및 라만 분광법 (Raman spectroscopy)분석 실험을 수행하였으며, 그 결과를 도 4 내지 7에 나타내었다.In order to confirm the chemical properties of the wet sheet according to the present invention, X-ray diffraction analysis (X-ray diffraction, XRD) and Fourier analysis of the graphene oxide prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1, and Comparative Preparation Example 2 Fourier transform infrared (FT-IR), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Raman spectroscopy analysis experiments were performed, and the results are shown in FIGS. 4 to 7 .

도 4는 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조한 그래핀 옥사이드 시트의 X선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD) 결과 그래프이다. 도 4를 살펴보면, 비교제조예 1의 그래핀 옥사이드 시트의 회절 패턴은 2θ 값이 10.52°에서 (002)피크를 확인할 수 있고, 층간 간격이 0.84nm 인 것을 알 수 있다. 또한, 2θ 값이 26.18°에서 그래피틱(graphitic) 피크를 확인할 수 있고, 층간 간격이 0.34nm임을 알 수 있다. 이를 통해, 그래핀 옥사이드 시트는 산화 영역의 sp3 영역(domain)과 흑연 영역의 sp2 영역(domain)을 포함하고 sp3 영역이 더 넓은 것을 알 수 있다. 또한, 비교제조예 2의 예열된 그래핀 옥사이드 시트는 비교제조예 1 보다 고각(高角) 측으로 약간 이동된 2θ 값인 12.2°에서 (002) 회절 피크를 확인할 수 있고, 층간 간격이 약 0.72nm임을 알 수 있다. 그래핀 시트 사이의 수분(pre-absorbed moisture)이 제거되어 그래핀 옥사이드 보다 층간 간격이 감소된 것으로 보인다. 제조예 1의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트는 2θ 값이 10.52°에서의 피크가 사라졌고, 이를 통해 산소 작용기가 효과적으로 제거되었음을 알 수 있다.4 is an X-ray diffraction (XRD) result graph of graphene oxide sheets prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1, and Comparative Preparation Example 2. FIG. 4, it can be seen that the diffraction pattern of the graphene oxide sheet of Comparative Preparation Example 1 has a (002) peak at a 2θ value of 10.52° and an interlayer spacing of 0.84 nm. In addition, when the 2θ value is 26.18°, a graphitic peak can be observed, and it can be seen that the interlayer spacing is 0.34 nm. Through this, it can be seen that the graphene oxide sheet includes the sp 3 domain of the oxidized region and the sp 2 domain of the graphite region, and the sp 3 region is wider. In addition, the preheated graphene oxide sheet of Comparative Preparation Example 2 can confirm the (002) diffraction peak at 12.2°, which is a 2θ value slightly shifted to the elevation side than Comparative Preparation Example 1, and the interlayer spacing is about 0.72 nm. I can. It seems that the interlayer spacing is reduced than that of graphene oxide because pre-absorbed moisture between the graphene sheets is removed. In the sparked reduced graphene oxide (sGO) sheet of Preparation Example 1, the peak at a 2θ value of 10.52° disappeared, and it can be seen that oxygen functional groups were effectively removed.

도 5는 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조한 그래핀 옥사이드의 푸리에 변환 적외선 분광분석 결과 그래프이다. 도 5를 살펴보면, 비교제조예 1은 3000cm-1의 넓은 피크와 1390cm-1의 피크를 통해 수산화기(-OH)를 확인할 수 있고, 1716cm-1 피크의 카보닐기와 1249cm-1 및 1052cm-1 피크의 에폭시기를 확인할 수 있다. 반면, 제조예 1은 스파크 반응 후 수산화기 피크는 거의 검출되지 않았다. 또한, 비교제조예 2는 열처리 결과 그래핀 내 잔류 수분이 수부닝 제거되어 수산화기 피크가 현저히 감소되고, 약간의 피크 이동이 있지만 보다 안정한 에폭시기를 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 습윤시트는 스파크 반응에 의해 수산화기가 대부분 제거되는 것을 알 수 있다.5 is a graph showing the results of Fourier transform infrared spectroscopy of graphene oxide prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1, and Comparative Preparation Example 2. FIG. Referring to Figure 5, Comparative Preparation Example 1 can determine the hydroxyl group (-OH) with a broad peak with a peak of 1390cm -1 of 3000cm -1, 1249cm -1 and 1052cm -1-carbonyl group and a peak of 1716cm -1 peak The epoxy group of can be confirmed. On the other hand, in Preparation Example 1, almost no hydroxyl peak was detected after the spark reaction. In addition, in Comparative Preparation Example 2, residual moisture in graphene was removed several times as a result of the heat treatment, so that the hydroxyl group peak was significantly reduced, and although there was a slight peak shift, a more stable epoxy group could be confirmed. Through this, it can be seen that in the wet sheet according to the present invention, most of the hydroxyl groups are removed by the spark reaction.

도 6은 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조한 그래핀 옥사이드의 X선 광전자 분광 스펙트럼 결과 그래프이다. 도 6(a)를 살펴보면, 제조예 1은 C/O 원자비율이 7.34이고, 비교제조예 1은 C/O 원자비율이 2.47이며, 비교제조예 3는 C/O 원자비율이 3.21으로, 제조예 1의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO)는 산소 비율이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 도 6(b)를 살펴보면, C 1s 그래프로서 제조예 1의 경우 C-OH에 해당하는 피크(286.5 eV)가 스파크 반응 후에 비교제조예 1에 비해 약 52% 정도 감소하는 것을 확인할 수 있다.6 is an X-ray photoelectron spectral spectrum result graph of graphene oxide prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1, and Comparative Preparation Example 2. FIG. 6(a), Preparation Example 1 had a C/O atomic ratio of 7.34, Comparative Preparation Example 1 had a C/O atomic ratio of 2.47, and Comparative Preparation Example 3 had a C/O atomic ratio of 3.21. It can be seen that the sparked reduced graphene oxide (sGO) of Example 1 significantly reduces the oxygen ratio. Referring to FIG. 6(b), as a C 1s graph, it can be seen that in the case of Preparation Example 1, the peak (286.5 eV) corresponding to C-OH decreases by about 52% compared to Comparative Preparation Example 1 after the spark reaction.

도 7은 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조한 그래핀 옥사이드의 라만 분광 분석 결과 그래프이다. 도 7은 열 산화를 확인할 수 있다. 도 7을 살펴보면, 제조예 1의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO)는 G 밴드가 1589 cm-1에 위치하고, 비교제조예 2의 예열된 그래핀 옥사이드(pGO)는 G 밴드가 1603 cm-1에 위치하며, 비교제조예 1의 그래핀 옥사이드(GO)는 G 밴드가 1609 cm-1에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제조예 1는 D 밴드와 G밴드의 비율(ID/IG) 값이 0.93이고, 비교제조예 1은 ID/IG 값이 1.08이며, 비교제조예 2는 ID/IG 값이 1.02인 것을 알 수 있다. 이를 통해 제조예 1 및 비교제조예 2의 그래핀 옥사이드는 산소 작용기가 제거되면서 sp2 영역이 증가하는 것을 알 수 있고, 특히 제조예 1의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO)는 비교제조예 1 및 2와 비교하여 더 많은 그래피틱 영역을 가지는 것을 알 수 있다.7 is a graph of Raman spectral analysis results of graphene oxide prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2. FIG. 7 can confirm thermal oxidation. Referring to FIG. 7, the sparked reduced graphene oxide (sGO) of Preparation Example 1 has a G band of 1589 cm -1 , and the preheated graphene oxide (pGO) of Comparative Preparation 2 has a G band of 1603 cm -1 It can be seen that the graphene oxide (GO) of Comparative Preparation Example 1 is located at 1609 cm -1 in the G band. In addition, Preparation Example 1 has a ratio of D band and G band (I D / I G ) value of 0.93, Comparative Preparation Example 1 has an I D / I G value of 1.08, Comparative Preparation Example 2 is I D / I G You can see that the value is 1.02. Through this, it can be seen that the sp 2 region of the graphene oxide of Preparation Example 1 and Comparative Preparation 2 is removed while the oxygen functional group is removed, and in particular, the sparked reduced graphene oxide (sGO) of Preparation Example 1 is Comparative Preparation Example 1 It can be seen that compared to and 2, it has a more graphical area.

실험예 3Experimental Example 3

본 발명에 따른 습윤시트의 액체 나트륨과의 친화성을 확인하기 위해, 제조예 1 및 비교제조예 2를 대상으로 액체 나트륨을 적가하여 액체 나트륨가 흡수되는 시간 및 속도와 흡수된 액체 나트륨 원자의 수를 측정하였고, 그 결과를 도 8 내지 도 10에 나타내었다.In order to confirm the affinity of the wet sheet according to the present invention with liquid sodium, liquid sodium was added dropwise for Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2 to determine the time and rate at which liquid sodium was absorbed and the number of absorbed liquid sodium atoms. It was measured, and the results are shown in FIGS. 8 to 10.

실험은 분자 동역학 시뮬레이션(MD Simulation)을 수행하여 제조예 1, 비교제조예 2에서의 액체 나트륨 수송을 관찰하였다. 시뮬레이션 설정은 도 8(a)에 나타낸 바와 같고, 제조예 1, 비교제조예 2의 모세관은 그래핀으로 구성된 공급 저장고(feed reservoir) 및 투과 저장고(permeate reservoir) 사이에 위치하여 두 저장고를 분리한다. 처음 상태는 모세관과 투과 저장고가 비어있고 0.927 g/cm3의 밀도에 해당하는 고정된 수의 46216 Na 원자가 공급 저장고에 채워져 있다. 액체 Na의 움직임은 모세관을 통해 공급 저장고에서 투과 저장고로 이동하며 분자 동역학 시뮬레이션은 10개의 서로 다른 층간 간격(interlayer gap) 0.49nm 내지 3.92nm을 갖는 채널에 대해 수행되었고, 이는 그래핀(0.34nm), 예열된 그래핀 옥사이드(0.34nm-1.35nm) 및 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(~4.2nm)의 층간 간격과 유사하다. 시뮬레이션 상에서 pGO 및 sGO의 구조는 탄소 평면상의 수산화기(Hydroxyl group) 및 에폭시기(epoxy groups)로만 구성된다. 두 물질에 대한 상세한 구성 정보(e.g. oxygen concentration, functional group ratio)는 하기 표 1에 나와있다. 그래핀 옥사이드(GO)의 가장자리에 주로 존재하는 카복실(Carboxyl) 및 카보닐(Carbonyl) 그룹은 그래핀 옥사이드 표면-액체 Na 표면 상호 작용에 초점을 맞추기 위해 분자 동역학 시뮬레이션에서 무시되었다.In the experiment, molecular dynamics simulation (MD Simulation) was performed to observe liquid sodium transport in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2. The simulation setup is as shown in Fig. 8(a), and the capillaries of Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2 are located between a feed reservoir and a permeate reservoir composed of graphene to separate the two reservoirs. . Initially, the capillary and permeate reservoir are empty, and a fixed number of 46216 Na atoms corresponding to a density of 0.927 g/cm 3 is filled in the feed reservoir. The movement of liquid Na moves from the supply reservoir to the permeation reservoir through the capillary, and molecular dynamics simulations were performed for channels with 10 different interlayer gaps of 0.49 nm to 3.92 nm, which is graphene (0.34 nm). , Similar to the interlayer spacing of preheated graphene oxide (0.34nm-1.35nm) and sparked reduced graphene oxide (~4.2nm). In the simulation, the structures of pGO and sGO consist only of hydroxyl groups and epoxy groups on the carbon plane. Detailed composition information (eg oxygen concentration, functional group ratio) for the two materials is shown in Table 1 below. The carboxyl and carbonyl groups present mainly at the edges of graphene oxide (GO) were ignored in molecular dynamics simulations to focus on the graphene oxide surface-liquid Na surface interaction.

SampleSample GrGr pGOpGO Sparked-rGOSparked-rGO Oxygen concentrationOxygen concentration 0 %0 % 26.96 %26.96% 12.84 %12.84% Epoxy: HydroxylEpoxy: Hydroxyl -- 2.45 : 12.45: 1 4.19 : 14.19: 1 Interaction energyInteraction energy -- -157.226(kcal/mole)-157.226(kcal/mole) -191.563
(kcal/mole)
-191.563
(kcal/mole)

도 8의 (b) 및 (c)를 살펴보면, 모든 시뮬레이션에서 나트륨(Na) 원자는 예열된 그래핀(pGO) 및 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 모세관으로 들어가고 모세관을 통해 공급 저장고에서 투과 저장고로 이동하는 경향이 있었다. 그래핀(Gr, d = 0.49 nm), 예열된 그래핀 옥사이드(pGO, d = 0.74 nm) 및 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO, d = 3.92 nm)의 층간 간격을 가져 모세관을 통해 투과 저장고에 유입되는 나트륨원자의 수는 도 8의 (b)에서와 같이 시간 함수로 각각 모니터링 되었다. 도 8의 (d) 및 (e)를 살펴보면, 모세관은 모든 경우에 대해 50ps 내로 완전히 액체 나트륨으로 포화상태에 도달하였다. 도 8(b)에서 그래핀 및 예열된 그래핀 옥사이드(pGO)의 경우 나트륨 원자의 유의미한 투과가 확인되지 않았다. 그러나 d> 0.5 nm의 범위에서 도 8의 (c)에서와 같이 모세관의 넓이에 따라 유속이 점차적으로 증가한다. 이는 Na (0.23 nm)의 원자 반경을 고려했을 때, 액체 Na의 유동에 대해 d> 0.5 nm의 층간 간격이 필요하다는 것을 나타낸다. 그러나 큰 사이즈의 모세관의 경우 빠른 투과 과정으로 인해 공급 저장고의 Na 원자 농도가 빠르게 감소하여, 400 ps 지점에서 두 저장고 간의 작은 압력차가 유도되고, 따라서 저장고 간 침투가 느려지게 된다. 이것은 400ps에서 모세관에 침투한 Na 원자 수의 곡선이 3 ~ 4nm의 모세관 간격 크기 영역에(도 8(c))의 평탄 영역을 갖는 이유이다. 결과적으로, 400 ps 동안 rGO 모세관(도 8(b)) (13,193 원자)을 통한 Na 원자의 투과량은 Gr (0 원자) 및 GO 모세관 (109 원자)보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다.Looking at (b) and (c) of Figure 8, in all simulations, sodium (Na) atoms enter the preheated graphene (pGO) and sparked reduced graphene oxide (sGO) capillaries, and through the capillary, the permeation reservoir from the supply reservoir. There was a tendency to go. With the interlayer spacing of graphene (Gr, d = 0.49 nm), preheated graphene oxide (pGO, d = 0.74 nm), and sparked reduced graphene oxide (sGO, d = 3.92 nm), it is transmitted through a capillary to the storage reservoir. The number of introduced sodium atoms was monitored as a function of time as shown in FIG. 8 (b). Referring to (d) and (e) of FIG. 8, the capillary tube completely reached the saturated state with liquid sodium within 50 ps for all cases. In FIG. 8(b), in the case of graphene and preheated graphene oxide (pGO), significant permeation of sodium atoms was not observed. However, in the range of d> 0.5 nm, the flow velocity gradually increases with the width of the capillary tube as shown in (c) of FIG. 8. This indicates that given the atomic radius of Na (0.23 nm), an interlayer spacing of d> 0.5 nm is required for the flow of liquid Na. However, in the case of a large-sized capillary tube, the Na atom concentration in the supply reservoir rapidly decreases due to the rapid permeation process, leading to a small pressure difference between the two reservoirs at 400 ps, thus slowing the penetration between the reservoirs. This is why the curve of the number of Na atoms penetrating into the capillary tube at 400 ps has a flat area in the capillary gap size area of 3 to 4 nm (Fig. 8(c)). As a result, it can be seen that the permeation amount of Na atoms through rGO capillaries (Fig. 8(b)) (13,193 atoms) for 400 ps is much greater than that of Gr (0 atoms) and GO capillaries (109 atoms).

도 8의 (c)를 살펴보면, pGO (d = 0.74nm)와 비교하여 층간 간격(interlayer gap) 크기에 따른 sGO 모세관의 증가된 투과율을 확인하기 위해 sGO(PsGO, d=0.4~4.0)와 pGO(PGO, d=0.74)의 투과 속도의 비율을 계산했다. 일반적인 sGO 층간 간격(d=3.0 ~ 4.0nm)의 범위에서, sGO 채널을 통한 액체 Na의 투과 속도는 pGO 채널(d=0.74nm)의 경우보다 20 배 빠르다는 것이 확인하였다. 이를 통해, sGO가 GO보다 우수한 나트륨 저장고(Na reservoir)로 사용될 수 있음을 알 수 있다. 상기 분자 동역학 시뮬레이션을 통해, 층간 간격이 넓어지고 산소작용기(oxygen functional group)의 농도가 적정한 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트가 액체 Na의 침투 거동에 구조적, 화학적 이점을 가지고 있음을 알 수 있다.Looking at (c) of FIG. 8, in order to check the increased transmittance of the sGO capillary according to the size of the interlayer gap compared to pGO (d = 0.74 nm), sGO (P sGO, d=0.4~4.0 ) and The ratio of the permeation rate of pGO (P GO, d=0.74 ) was calculated. It was confirmed that in the range of the general sGO interlayer spacing (d=3.0 ~ 4.0nm), the transmission rate of liquid Na through the sGO channel was 20 times faster than that of the pGO channel (d=0.74nm). Through this, it can be seen that sGO can be used as a better Na reservoir than GO. Through the molecular dynamics simulation, it can be seen that the sparked reduced graphene oxide (sGO) sheet having a wider interlayer spacing and an appropriate concentration of oxygen functional groups has structural and chemical advantages in the penetration behavior of liquid Na. have.

도 8의 (d) 및 (e)는 시뮬레이션 상에서 인위적으로 층간 간격 별 액체 나트륨의 거동을 살펴본 것이다. 시뮬레이션이 아닌 실제 실험에서는 예열된 그래핀 옥사이드(pGO)는 0.74 nm의 층간간격을 가지고 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO)는 ~4nm의 층간 간격을 가지는 것을 확인하였다. 구체적으로 도 8의 (d) 및 (e)는 비교예 1의 pGO과 실시예 1의 sGO 각각의 층간간격을 0.49 nm에서 3.92nm까지 변화하면서 액체 나트륨의 유동거동을 살펴본 것이다. 실제 실험과 비교하기 위해선 시뮬레이션 상에서도 실험에서 나타난 층간 간격과 비슷한 pGO (0.74 nm)과 sGO (3.92 nm)을 도 8(b)에서와 같이 비교하는 것이 의미가 있다. 구체적으로 도 8의 (d) 및 (e)는 pGO와 sGO 의 층간 간격을 동일하게 각각 변화시키면서 본 것이고 동일한 층간 간격 하에서, 흡수되는 나트륨의 양이 비슷한 것을 보아 액체 나트륨(Na)의 유동이 C/O 비율보다 층간 간격에 더 크게 영향을 받는 것을 알 수 있다.Figure 8 (d) and (e) artificially examined the behavior of liquid sodium for each interlayer interval in the simulation. In an actual experiment, not a simulation, it was confirmed that the preheated graphene oxide (pGO) had an interlayer spacing of 0.74 nm and the sparked reduced graphene oxide (sGO) had an interlayer spacing of ~4 nm. Specifically, FIGS. 8D and 8E illustrate the flow behavior of liquid sodium while changing the interlayer spacing of pGO of Comparative Example 1 and sGO of Example 1 from 0.49 nm to 3.92 nm. In order to compare with the actual experiment, it is meaningful to compare pGO (0.74 nm) and sGO (3.92 nm) similar to the interlayer spacing shown in the experiment in the simulation as shown in FIG. 8(b). Specifically, Figure 8 (d) and (e) are seen while changing the interlayer spacing of pGO and sGO equally, and seeing that the amount of absorbed sodium is similar under the same interlayer spacing, the flow of liquid sodium (Na) is C It can be seen that the interlayer spacing is more affected than the /O ratio.

도 9는 제조예 1과 비교제조예 2의 그래핀 옥사이드의 액체 나트륨 흡수 과정을 촬영한 이미지이고, (a)는 제조예 1의 이미지이며, (b)는 비교제조예 2의 이미지이다. 도 9의 (a)를 살펴보면, 제조예 1의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO)는 액체 나트륨이 매우 빠르게 주입되어 1초 미만의 짧은 시간 안에 액체 나트륨이 전체 sGO 시트에 퍼지는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 9의 (b)를 보면 비교제조예 2의 시트는 작은 층간 간격(interlayer gap) 사이즈로 인해 액체 나트륨의 주입 속도가 매우 느린 것을 확인할 수 있다. 또한, 액체 나트륨 외에 액체 리튬 및 액체 칼륨에 대해서도 실험하여 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10을 살펴보면, 제조예 1의 시트는 액체 리튬과 액체 칼륨 또한 빠르게 흡수하는 것을 알 수 있다.9 is an image photographing a liquid sodium absorption process of graphene oxide of Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2, (a) is an image of Preparation 1, and (b) is an image of Comparative Preparation 2. Referring to (a) of FIG. 9, it can be seen that the sparked reduced graphene oxide (sGO) of Preparation Example 1 is injected with liquid sodium very quickly, so that the liquid sodium spreads over the entire sGO sheet within a short time of less than 1 second. On the other hand, referring to (b) of FIG. 9, it can be seen that the injection rate of liquid sodium is very slow in the sheet of Comparative Preparation Example 2 due to the small interlayer gap size. Further, in addition to liquid sodium, liquid lithium and liquid potassium were also tested and the results are shown in FIG. 10, it can be seen that the sheet of Preparation Example 1 also rapidly absorbs liquid lithium and liquid potassium.

실험예 4Experimental Example 4

본 발명에 따른 습윤시트를 포함하는 베타 알루미나의 표면 특성을 확인하기 위해, 제조예 1 및 비교제조예 2의 시트가 일면에 형성된 베타 알루미나와 순수 베타 알루미나(bare β″-Al2O3)를 대상으로 온도(150℃ 내지 300℃)에 따른 액체 나트륨에 대한 접촉각 실험을 수행하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.In order to confirm the surface properties of the beta alumina containing the wet sheet according to the present invention, the sheets of Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2 were formed on one side of the beta alumina and pure beta alumina (bare β″-Al 2 O 3 ) As a subject, a contact angle experiment for liquid sodium according to temperature (150°C to 300°C) was performed, and the results are shown in FIG. 11.

도 11를 살펴보면, 베타 알루미나에서 액체 나트륨의 습윤성은 저온에서 현저히 떨어진다. 구체적으로, 순수 베타 알루미나의 경우 액체 나트륨의 접촉각은 150℃의 온도에서 112°이고, 300℃에서 80°으로 온도가 낮아지면 접촉각이 급격하고 감소하는 것을 알 수 있다. 비교제조예 2가 일면에 형성된 베타 알루미나의 경우 액체 나트륨의 접촉각은 150℃의 온도에서 76°이고, 300℃에서 58°으로 순수 베타 알루미나보다는 접촉각이 작아졌으나 여전히 액체 나트륨에 대한 젖음성(wetting)은 낮은 것으로 보인다. 반면, 제조예 1의 시트가 일면에 형성된 베타 알루미나는 전체 온도에서 접촉각이 0°를 나타내어 액체 나트륨에 대해 젖음성이 우수한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 습윤시트는 베타 알루미나와 액체 나트륨 사이의 접촉 면적을 증가시켜 나트륨 베타-알루미나 전지의 성능을 향상시키는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 11, the wettability of liquid sodium in beta alumina is significantly lowered at low temperatures. Specifically, in the case of pure beta alumina, it can be seen that the contact angle of liquid sodium is 112° at a temperature of 150° C., and when the temperature is lowered from 300° C. to 80°, the contact angle rapidly decreases. In the case of the beta alumina formed in Comparative Preparation Example 2 on one side, the contact angle of liquid sodium was 76° at a temperature of 150° C., and 58° at 300° C., so the contact angle was smaller than that of pure beta alumina, but still wetting for liquid sodium was Seems to be low. On the other hand, it can be seen that the beta alumina formed on one side of the sheet of Preparation Example 1 exhibits a contact angle of 0° at the total temperature, and thus has excellent wettability to liquid sodium. Through this, it can be seen that the wet sheet according to the present invention increases the contact area between the beta alumina and the liquid sodium, thereby improving the performance of the sodium beta-alumina battery.

실험예 5Experimental Example 5

본 발명에 따른 습윤시트를 포함하는 나트륨 베타-알루미나 전지의 전지 특성을 평가하기 위해, 본 발명에 따른 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전지를 대상으로 충전/방전 실험을 진행하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.In order to evaluate the battery characteristics of the sodium beta-alumina battery comprising the wet sheet according to the present invention, charging/discharging experiments were conducted on the batteries of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 according to the present invention, The results are shown in FIG. 12.

도 12는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조한 전지의 충전/방전 실험 결과로, (a)는 전지의 초기 사이클 전압 특성을 나타낸 그래프이고, (b)는 실시예 1에서 제조한 전지의 여러 번의 충/방전 사이클에 따른 전압-용량 변화 그래프이며, (c)는 비교예 1의 순수 베타 알루미나를 포함하는 나트륨 베타-알루미나 전지의 전압-용량 그래프이고, (d)는 실시예 1에서 제조한 전지의 충/방전 사이클 횟수에 따릉 용량 및 쿨롱효율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 12(a)를 살펴보면, 초기 사이클에서 실시예 1의 전지는 74mAh로 충전되었지만 비교예 2의 전지는 30mAh로 비교적 낮은 충전용량을 나타내었다. 실시예 1의 전지와 비교하여 비교예 2의 전지는 전압 상승이 훨씬 낮은 충전 용량에서부터 시작되어 먼저 cut-off 전압(2.8 eV)에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이는 분자 동역학 실험 및 액체 금속 젖음성 실험에서 볼 수 있듯이, 비교예 2의 pGO 시트는 표면적이 작고, 산소 함량이 높고 층간 간격이 작기 때문에 pGO 시트에서 액체 나트륨의 유입이 sGO 시트에 비해 어렵기 때문이다. 비교예2의 순수 베타 알루미나(Bare β″-Al2O3)를 포함하는 이차전지는 20mAh까지 간신히 충전되었으며, 낮은 나트륨 젖음성(Na wetting) 특성으로 인한 음극(anode) 물질의 비효율적인 사용으로 인해 매우 높은 과전압을 보였다.12 is a charge/discharge experiment result of the batteries prepared in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, (a) is a graph showing the initial cycle voltage characteristics of the battery, (b) is prepared in Example 1 Voltage-capacity change graph according to several charge/discharge cycles of one battery, (c) is a voltage-capacity graph of sodium beta-alumina battery containing pure beta alumina of Comparative Example 1, and (d) is Example It is a graph showing the change in Ttareung capacity and Coulomb efficiency according to the number of charge/discharge cycles of the battery prepared in 1. Referring to FIG. 12(a), in the initial cycle, the battery of Example 1 was charged with 74 mAh, but the battery of Comparative Example 2 had a relatively low charging capacity of 30 mAh. Compared with the battery of Example 1, it can be seen that the voltage rise of the battery of Comparative Example 2 starts from a much lower charging capacity and reaches a cut-off voltage (2.8 eV) first. This is because the pGO sheet of Comparative Example 2 has a small surface area, a high oxygen content, and a small interlayer spacing, as can be seen in the molecular dynamics experiment and the liquid metal wettability experiment, so that the inflow of liquid sodium from the pGO sheet is difficult compared to the sGO sheet. . The secondary battery containing pure beta alumina (Bare β″-Al 2 O 3 ) of Comparative Example 2 was barely charged up to 20mAh, and due to the inefficient use of the anode material due to low sodium wetting properties. It showed very high overvoltage.

10mA (3.4mA/cm2)의 정전류 및 1.8 ~ 2.8V 사이의 cut-off 전압으로 cycling test를하는 동안, 도 12의 (b)를 살펴보면 실시예 1의 이차전지는 순수 베타 알루미나(bare β″-Al2O3)를 포함하는 이차전지와는 달리 매우 낮은 과전압(overpotential) 및 안정한 사이클 성능을 보여주는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1의 이차전지(sGO-cell)의 충전 용량은 첫번째 사이클에서 70mAh이고, 11번째 사이클에서 120mAh까지 증가하였다. 이러한 용량의 증가는 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트 내로의 액체 나트륨의 유입(infusion)과 퍼짐(spreading)을 통한 증가된 활성 영역(Na/β"-Al2O3 계면)으로 인한 것으로 보인다. 도 8의 (d)를 살펴보면, 실시예 1의 이차전지는 11번의 사이클링 동안 쿨롱 효율이 거의 100 %로 유지됨을 보여준다. 이러한 결과를 통해 본 발명에 따른 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트가 충방전 과정에서 액체 나트륨 흐름의 안정적인 채널을 제공하는 것을 알 수 있다. 반면, 초기 사이클은 방전 후 스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sGO) 시트에 잔류하는 액체 나트륨 때문에 85%의 낮은 쿨롱 효율을 나타낸다. 그러나, 도 12(c)를 보면 순수 베타 알루미나(bare β″-Al2O3)를 포함하는 이차전지는 11 사이클 동안 제한된 용량을 보여줬는데, 이것은 Na 및 β″-Al2O3 사이의 작은 접촉 면적을 유도하는 bare β″-Al2O3의 불량한 Na 젖음성(wetting) 때문이다.During the cycling test with a constant current of 10mA (3.4mA/cm 2 ) and a cut-off voltage between 1.8 and 2.8V, looking at (b) of FIG. 12, the secondary battery of Example 1 is pure beta alumina (bare β″ It can be seen that unlike secondary batteries containing -Al 2 O 3 ), it shows very low overpotential and stable cycle performance. In addition, the charging capacity of the secondary battery (sGO-cell) of Example 1 was 70mAh in the first cycle and increased to 120mAh in the 11th cycle. This increase in capacity is due to the increased active area (Na/β"-Al 2 O 3 interface) through infusion and spreading of liquid sodium into the sparked reduced graphene oxide (sGO) sheet. Looking at (d) of Figure 8, it is shown that the coulomb efficiency is maintained at almost 100% during the 11 cycles of the secondary battery of Example 1. Through these results, sparked reduced graphene oxide (sGO) according to the present invention It can be seen that the sheet provides a stable channel of liquid sodium flow during the charging and discharging process, whereas the initial cycle achieved a low coulombic efficiency of 85% due to the liquid sodium remaining in the reduced graphene oxide (sGO) sheet sparked after discharge. However, as shown in Fig. 12(c), the secondary battery containing pure beta alumina (bare β″-Al 2 O 3 ) showed limited capacity for 11 cycles, which is between Na and β″-Al 2 O 3 This is due to poor Na wetting of bare β″-Al 2 O 3 which induces a small contact area of.

Claims (13)

스파크된 환원 그래핀 옥사이드(sparked reduced graphene oxide, sGO) 및 베타 알루미나(β″-Al2O3)를 포함하는 고체전해질; 및
액체 금속을 포함하는 음극(anode)를 포함하는 이차전지.
A solid electrolyte including sparked reduced graphene oxide (sGO) and beta alumina (β″-Al 2 O 3 ); And
Secondary battery comprising a negative electrode (anode) containing a liquid metal.
제1항에 있어서,
스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 층간 간격이 3nm 내지 4.5nm이고,
그래핀층 사이에 액체 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
The method of claim 1,
The sparked reduced graphene oxide has a graphene interlayer spacing of 3 nm to 4.5 nm,
A secondary battery comprising a liquid metal between the graphene layers.
제1항에 있어서,
스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 두께는 100 μm 내지 400 μm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
The method of claim 1,
The secondary battery, characterized in that the thickness of the sparked reduced graphene oxide is 100 μm to 400 μm.
제1항에 있어서,
스파크된 환원 그래핀 옥사이드의 탄소/산소(C/O) 원자 비율은 5 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
The method of claim 1,
The secondary battery, characterized in that the carbon / oxygen (C / O) atomic ratio of the sparked reduced graphene oxide is 5 or more.
제1항에 있어서,
액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
The method of claim 1,
The liquid metal is a secondary battery, characterized in that at least one selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K).
제1항에 있어서,
스파크된 환원 그래핀 옥사이드는 베타 알루미나와 음극 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
The method of claim 1,
Sparked reduced graphene oxide is a secondary battery, characterized in that formed between the beta alumina and the negative electrode.
그래핀 옥사이드 시트를 액체 금속에 접촉시켜 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계;
제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 베타 알루미나 일면에 적층하여 고체전해질을 제조하는 단계; 및
고체전해질의 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트가 형성된 면에 충전반응을 통해 액체 금속을 포함하는 음극을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법.
Preparing a sparked reduced graphene oxide sheet by contacting the graphene oxide sheet with a liquid metal;
Laminating the prepared sparked reduced graphene oxide sheet on one side of beta alumina to prepare a solid electrolyte; And
A method of manufacturing a secondary battery comprising the step of forming a negative electrode including a liquid metal through a charging reaction on the surface on which the sparked reduced graphene oxide sheet of the solid electrolyte is formed.
제7항에 있어서,
스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계는 200℃ 내지 400℃의 온도에서 용융된 액체 금속에 그래핀 옥사이드 시트를 접촉시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
The method of claim 7,
The step of preparing the sparked reduced graphene oxide sheet is a method of manufacturing a secondary battery, characterized in that it is performed by contacting the graphene oxide sheet with a molten liquid metal at a temperature of 200°C to 400°C.
제7항에 있어서,
스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계에서 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 100 μm 내지 400 μm의 두께로 형성되고,
제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 그래핀 층간 간격이 3nm 내지 4.5nm인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
The method of claim 7,
In the step of preparing a sparked reduced graphene oxide sheet, the sparked reduced graphene oxide sheet is formed to a thickness of 100 μm to 400 μm,
The prepared sparked reduced graphene oxide sheet is a method of manufacturing a secondary battery, characterized in that the interval between graphene layers is 3nm to 4.5nm.
제7항에 있어서,
스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 제조하는 단계에서 제조된 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트는 탄소/산소(C/O) 원자 비율이 5 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
The method of claim 7,
The sparked reduced graphene oxide sheet prepared in the step of preparing a sparked reduced graphene oxide sheet has a carbon/oxygen (C/O) atomic ratio of 5 or more.
제7항에 있어서,
고체전해질을 제조하는 단계는 베타 알루미나 일면에 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트를 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
The method of claim 7,
The manufacturing method of a secondary battery, characterized in that the step of preparing the solid electrolyte is formed by laminating a sparked reduced graphene oxide sheet on one side of the beta alumina.
제7항에 있어서,
음극을 형성하는 단계는 충전반응을 통해, 액체 금속이 음극부를 채우고, 스파크된 환원 그래핀 옥사이드 시트 내부에 액체 금속이 채워지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
The method of claim 7,
Forming the negative electrode is a method of manufacturing a secondary battery, characterized in that the liquid metal fills the negative electrode through a charging reaction, and the liquid metal is filled in the sparked reduced graphene oxide sheet.
제12항에 있어서,
음극을 형성하는 단계에서 액체 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
The method of claim 12,
In the step of forming a negative electrode, the liquid metal is at least one selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li), and potassium (K).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130040541A (en) * 2011-10-14 2013-04-24 한국기초과학지원연구원 Composite of graphene and metal oxide for negative active material of rechargeable lithium battery and preparing method thereof
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KR20190101742A (en) * 2018-02-23 2019-09-02 한국과학기술연구원 PHOSPHORUS DOPED and phosphate functionalized REDUCED GRAPHENE OXIDE ARTIFICIAL SOLID ELECTROLYTE INTERPHASE AND ANODE FOR LITHIUM METAL BATTERY COMPRISING THE SAME

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Title
Electrochimica Acta 55 (2010) 3909-3914

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