KR102248668B1 - High capacity aluminum secondary battery and method for manufacturing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지와 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-capacity aluminum secondary battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high-capacity aluminum secondary battery that greatly improves capacity and stability by implementing a three-dimensional composite electrode using an active material forming a layered structure, and manufacturing the same. It's about the method.

Description

고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법{HIGH CAPACITY ALUMINUM SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}High capacity aluminum secondary battery and its manufacturing method {HIGH CAPACITY ALUMINUM SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지와 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-capacity aluminum secondary battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high-capacity aluminum secondary battery that greatly improves capacity and stability by implementing a three-dimensional composite electrode using an active material forming a layered structure, and manufacturing the same. It's about the method.

최근, 전기자동차 및 에너지저장시스템 시장의 급속한 성장으로 리튬의 수요가 급격히 증가할 것으로 전망되나, 리튬 자원 수급의 불균형과 제한된 공급자에 의한 과도한 가격 상승으로 가격 절감이 쉽지 않아 대용량화에 한계가 있으며, 짧은 수명, 낮은 출력, 안전성 등에 이슈가 있어 개선이 필요하다. Recently, the demand for lithium is expected to increase rapidly due to the rapid growth of the electric vehicle and energy storage system market. There are issues such as longevity, low output, and safety, so improvement is needed.

이러한 자원적 한계를 지니는 리튬 계열의 에너지저장소재를 벗어나, 이들의 대안이 될 수 있는 초저가, 고안전성, 고출력 및 장수명 특성을 갖는 대안적 에너지저장소재 기반의 이차전지 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 알루미늄 이차전지는 알루미늄 이온을 사용하여 에너지를 저장하는 최신 기술로서 알루미늄은 많은 자원이 존재하고, 가격이 저렴하며, 친환경적이어서 향후 장기적으로 범용적으로 기존의 리튬이온전지 등을 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 기술이다. 알루미늄은 산소와 규소 다음으로 지구상에서 3번째로 많은 원소로(약 8.23%)로 리튬(0.006%)과 같은 자원 고갈의 문제가 없으며, 전 세계에 골고루 분포되어 있으며, 현재 알루미늄의 원료인 보크사이트는 탄산리튬의 1/300, 알루미늄 완제품의 가격은 리튬의 1/10로 리튬을 대체할 경우 원재료 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 또한, 알루미늄의 낮은 인화성 및 3전자 산화 환원 반응 특성으로 인해, 알루미늄 기반의 이차전지는 저비용, 고속 충방전, 고용량 및 고안전성을 제공할 수 있어 차세대 에너지 저장 장치로 큰 관심을 받고 있다. 하지만, 알루미늄 이차전지에 대한 지난 수년간에 걸친 연구는 낮은 전압, 리튬이차전지에 비하여 낮은 용량, 빠른 전지 용량 감소와 짧은 수명 등의 문제로 인해 다른 종류의 이차전지만큼 성공적이지 못했다. 최근 알루미늄 이차전지의 난제로 여겼던 양극물질의 개선 가능성이 최근 보고되면서 관련분야에서 큰 관심을 받고 있으며, 스탠포드 대의 H. Dai 교수 연구팀이 최근에 보고한 알루미늄 이온 배터리의 경우에는 약 40 Wh Kg-1의 에너지 밀도 및 최대 약 3,000 W Kg-1의 높은 출력 밀도를 보였다. 이는 기존 납축전지와 니켈수소전지와 비교 가능한 수준의 에너지 밀도 값이며, 출력밀도 면에서는 수퍼커패시터와 유사한 값이다 (참고 문헌: Nature 520, 324-328 (2015), 공개특허 10-2016-0145557). Apart from lithium-based energy storage materials that have such resource limitations, there is a continuing need to develop secondary batteries based on alternative energy storage materials having ultra-low cost, high safety, high output and long life characteristics that can be an alternative to them. Aluminum secondary batteries are the latest technology to store energy using aluminum ions. Aluminum has many resources, is inexpensive, and is eco-friendly, so it has the potential to replace existing lithium-ion batteries for a long time in the future. It's a very high skill. Aluminum is the third largest element on the planet after oxygen and silicon (about 8.23%), and it does not have the problem of resource depletion such as lithium (0.006%), and is evenly distributed around the world, and is currently the raw material of aluminum, bauxite. The price of lithium carbonate is 1/300 of that of lithium carbonate, and the price of finished aluminum products is 1/10 of that of lithium. If lithium is replaced, raw material prices can be drastically reduced. In addition, due to the low flammability and three-electron redox reaction characteristics of aluminum, aluminum-based secondary batteries can provide low cost, high-speed charging and discharging, high capacity, and high safety, and thus are attracting great interest as a next-generation energy storage device. However, research on aluminum secondary batteries over the past several years has not been as successful as other types of secondary batteries due to problems such as low voltage, low capacity compared to lithium secondary batteries, rapid battery capacity reduction and short lifespan. Recently, the possibility of improvement of the positive electrode material, which was considered a difficult problem for aluminum secondary batteries, has been recently reported and attracting great interest in related fields.In the case of an aluminum ion battery recently reported by Professor H. Dai's research team at Stanford University, it is about 40 Wh Kg -1 And a high power density of up to about 3,000 W Kg -1. This is an energy density value comparable to that of a conventional lead acid battery and a nickel hydride battery, and a value similar to that of a supercapacitor in terms of power density (Reference: Nature 520, 324-328 (2015), Patent Publication 10-2016-0145557). .

저가격, 안전성, 장수명 및 고율특성을 지닌 알루미늄 기반 에너지저장소자는 최근 들어서 전지화 가능성이 확인된 기술로, 원천기술이 가장 덜 확보된 기술이므로 알루미늄 기반 에너지저장소자의 각 요소기술(양극, 음극, 전해질)의 개발 및 개선을 통하여 장기적으로 리튬이온전지 성능 전반을 넘어서는 초저가의 고용량, 고출력, 고안전성의 차세대 에너지저장장치 개발이 가능할 것으로 기대된다.Aluminum-based energy storage devices with low price, safety, long life, and high rate characteristics are a technology that has recently confirmed the possibility of becoming a battery. Since the original technology is the least secured, each element technology of aluminum-based energy storage devices (anode, cathode, electrolyte) It is expected that the development and improvement of the next-generation energy storage device of ultra-low cost, high capacity, high output, and high safety beyond the overall performance of lithium-ion batteries will be possible in the long term.

대한민국 공개특허 제10-2016-0145557호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0145557

본 발명은 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지와 이의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a high-capacity aluminum secondary battery and a method of manufacturing the same, in which capacity and stability are greatly improved by implementing a composite electrode having a three-dimensional structure using an active material forming a layered structure.

본 발명은, 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 흑연 소재와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지를 제공한다.The present invention includes a negative electrode part including a negative electrode current collector and a negative electrode; A positive electrode part including a positive electrode current collector and a positive electrode; A separator interposed between the anode part and the cathode part; And an aluminum secondary battery including an electrolyte, wherein the negative electrode is composed of aluminum, the positive electrode is composed of an active material constituting a layered structure, and the active material constituting the layered structure is a graphite material, a material having a one-dimensional carbon structure, or It provides an aluminum secondary battery, characterized in that composed of a composite with carbon nanoparticles.

상기 흑연 소재는 흑연 필름, 흑연 플레이크 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.The graphite material may include one or more selected from the group consisting of graphite film, graphite flake, and graphene.

상기 1차원 탄소구조의 물질은 탄소나노튜브일 수 있다.The material of the one-dimensional carbon structure may be a carbon nanotube.

상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.The carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.

상기 층상구조를 이루는 활물질은 그래핀과 탄소나노튜브의 복합체일 수 있다.The active material constituting the layered structure may be a composite of graphene and carbon nanotubes.

상기 양극은 2차원 그래핀 나노 시트 사이에 일차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조로 형성될 수 있다.The anode may be formed in a three-dimensional structure in which carbon nanotubes having a one-dimensional structure are inserted between the two-dimensional graphene nanosheets.

상기 전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체의 혼합물일 수 있다.The electrolyte may be a mixture of aluminum halide and an ionic liquid.

상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체는 1.1 ~ 2.0 : 1 범위의 몰비로 혼합될 수 있다.The aluminum halide and the ionic liquid may be mixed in a molar ratio ranging from 1.1 to 2.0:1.

상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The aluminum halide may include at least one selected from the group consisting of AlCl 3 , AlBr 3 and AlI 3.

상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-Ethyl-3-methylimidazolium bromide, [EMIM]Br), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide, [EMIM]I), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-butyl-3-methylimidazolium cholride, [BMIM]Cl]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-butyl-3-methylimidazolium bromide, [BMIM]Br]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드 (1-butyl-3-methylimidazolium iodide, [BMIM]I]), 1-(1-부틸)피리디움 클로라이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride) 및 1-(1-부틸)피리디움 브로마이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl), 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide (1-Ethyl-3- methylimidazolium bromide, [EMIM]Br), 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide ([EMIM]I), 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ( 1-butyl-3-methylimidazolium cholride, [BMIM]Cl]), 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([BMIM]Br]), 1-butyl-3- Methylimidazolium iodide (1-butyl-3-methylimidazolium iodide, [BMIM]I]), 1-(1-butyl)pyridinium chloride) and 1-(1 -Butyl) pyridinium bromide (1- (1-butyl) pyridinium chloride) may contain one or more selected from the group consisting of.

또한 본 발명은, 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention, a negative electrode portion including a negative electrode current collector and a negative electrode; A positive electrode part including a positive electrode current collector and a positive electrode; A separator interposed between the anode part and the cathode part; And an aluminum secondary battery including an electrolyte, wherein the negative electrode is composed of aluminum, the positive electrode is composed of an active material constituting a layered structure, and the active material constituting the layered structure is composed of a transition metal dichalcogenide. It provides an aluminum secondary battery, characterized in that.

상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체로 구성될 수 있다.The active material constituting the layered structure may be composed of a composite of a transition metal dichalcogenide and a one-dimensional carbon structure material or carbon nanoparticles.

상기 전이금속 디칼코제나이드는 MX2 (여기에서 M은 Mo, W 또는 Ti 등의 전이금속을 의미하며, X는 S, Se 또는 Te 등의 칼코젠 원자를 의미함)로 구성될 수 있다. The transition metal dichalcogenide may be composed of MX 2 (wherein M refers to a transition metal such as Mo, W or Ti, and X refers to a chalcogen atom such as S, Se or Te).

더욱 구체적으로 MoS2, WS2, TiS2, MoSe2, WSe2, TiSe2, MoTe2, WTe2, 및 TiTe2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.More specifically, it may include at least one selected from the group consisting of MoS 2 , WS 2 , TiS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , TiSe 2, MoTe 2, WTe 2, and TiTe 2.

또한, 본 발명은 음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 순차로 적층한 후, 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄 이차전지의 제조방법으로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자, 및 바인더를 혼합하여 제조한 슬러리를 양극 집전체 상에 코팅하는 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method of manufacturing an aluminum secondary battery comprising the step of sequentially stacking a negative electrode current collector, a negative electrode, a separator, a positive electrode, and a positive electrode current collector, and then injecting an electrolyte, wherein the negative electrode includes aluminum. Wherein the positive electrode is formed by coating a slurry prepared by mixing a graphite material or transition metal dichalcogenide, a one-dimensional carbon structure material or carbon nanoparticles, and a binder on the positive electrode current collector. It provides a method of manufacturing an aluminum secondary battery.

상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 스티렌 부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR) 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있으며, 바람직하게는 스티렌 부타디인 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1: 1~50의 질량 비율(더욱 바람직하게는 1:1의 질량 비율)로 혼합하여 사용할 수 있다.The binder includes at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose sodium salt (CMC). It can be composed, preferably styrene-butadiene rubber (styrene-butadiene rubber, SBR) and carboxymethyl cellulose sodium salt (carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC) 1: 1 to 50 mass ratio (more preferably 1 :1 mass ratio) can be mixed and used.

상기 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 ~ 48시간 담그는 전처리 과정 거친 후 음극 집전체 상에 적층될 수 있다.The aluminum negative electrode may be laminated on the negative electrode current collector after undergoing a pretreatment process of immersing in an electrolyte solution in which aluminum halide and an ionic liquid are mixed for 1 second to 48 hours.

상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체는 1.1 ~ 2.0 : 1 범위의 몰비로 혼합될 수 있다. 상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체에 대한 구체적 설명은 위에서 설명한 바와 같다.The aluminum halide and the ionic liquid may be mixed in a molar ratio ranging from 1.1 to 2.0:1. A detailed description of the aluminum halide and the ionic liquid is as described above.

상기 양극은 층상구조를 갖는 활물질, 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버) 및 바인더를 혼합 사용하여 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버)가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조체로 형성시킬 수 있다. 상기 층상구조를 갖는 활물질은 흑연 소재(그래핀 나노시트 등) 또는 전이금속 다이칼코게나이드로 구성될 수 있다.The positive electrode is a one-dimensional carbon nanotube (or carbon nanotube) between an active material having a two-dimensional structure layered structure by using a mixture of an active material having a layered structure, carbon nanotubes (or carbon nanoparticles or carbon nanofibers), and a binder. Particles or carbon nanofibers) can be formed into a three-dimensional structure in the state of being inserted. The active material having the layered structure may be composed of a graphite material (such as graphene nanosheets) or a transition metal dichalcogenide.

또한 본 발명은, 층상구조를 갖는 활물질, 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버) 및 바인더를 혼합하여 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버)가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조체로 형성시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다. 상기 층상구조를 갖는 활물질은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드로 구성될 수 있다.In addition, the present invention is a one-dimensional structure of carbon nanotubes (or carbon nanotubes) between the active material having a layered structure of a two-dimensional structure by mixing an active material having a layered structure, carbon nanotubes (or carbon nanoparticles or carbon nanofibers) and a binder. It provides a method of manufacturing a positive electrode for an aluminum secondary battery, characterized in that formed into a three-dimensional structure in a state in which nanoparticles or carbon nanofibers) are inserted. The active material having the layered structure may be composed of a graphite material or a transition metal dichalcogenide.

또한 본 발명은, 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 에너지 저장 장치로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치를 제공한다. 상기 층상구조를 갖는 활물질은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드로 구성될 수 있다.In addition, the present invention, a negative electrode portion including a negative electrode current collector and a negative electrode; A positive electrode part including a positive electrode current collector and a positive electrode; A separator interposed between the anode part and the cathode part; And an energy storage device including an electrolyte, wherein the negative electrode comprises aluminum, and the positive electrode has a three-dimensional structure in which carbon nanotubes of a one-dimensional structure are inserted between active materials having a layered structure of a two-dimensional structure. It provides an energy storage device, characterized in that formed of. The active material having the layered structure may be composed of a graphite material or a transition metal dichalcogenide.

본 발명에 따르면 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a high-capacity aluminum secondary battery with significantly improved capacity and stability by implementing a composite electrode having a three-dimensional structure using an active material forming a layered structure.

도 1은 알루미늄 이차전지의 개략도이다.
도 2는 (도 2a) 열분해 흑연 호일, (도 2b) 그래핀 나노시트/바인더, (도 2c) 그래핀/탄소나노튜브/바인더(8:1:1 질량비, 실시예 1) 복합체 전극, (도 2d) 이황화 몰리브덴 나노시트 전극(실시예 2, 저배율), (도 2e) 이황화 몰리브덴 나노시트 전극(실시예 2, 고배율), (도 2f) 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브/바인더 (7:2:1 질량비, 실시예 3) 복합체 전극의 단면 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 PG 호일(pyrolytic graphite foil)을 양극으로 이용하고, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질을 사용하여 측정한 순환 전압 전류 곡선 (주사속도: 10 mV s-1)이다. 음극으로는 알루미늄 호일을 사용하였다.
도 4는 PG 호일위에 코팅한 그래핀/CNT 복합체 전극 (그래핀:MWCNT:CMC-SBR = 8:1:1)을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질을 사용하여 측정한 순환 전압 전류 곡선 (주사속도: 10 mV s-1)이다. 음극으로는 알루미늄 호일을 사용하였다.
도 5는 PG 호일을 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 64 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 6은 PG 호일을 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 64 mA g-1 (± 0.561 mA), 약 128 mA g-1 (± 1.122 mA), 약 320 mA g-1 (± 2.805 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 7은 Graphene:MWCNT:SBR/CMC binder = (8:1:1) 탄소 복합체를 PG 호일 위에 코팅하여 제조한 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 60 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 8은 Graphene:MWCNT:SBR/CMC binder = (8:1:1) 탄소 복합체를 PG 호일 위에 코팅하여 제조한 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 120 mA g-1 (± 1.122 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 9는 이황화 몰리브덴 나노시트 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 53 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
1 is a schematic diagram of an aluminum secondary battery.
Figure 2 shows (Figure 2a) pyrolytic graphite foil, (Figure 2b) graphene nanosheet/binder, (Figure 2c) graphene/carbon nanotube/binder (8:1:1 mass ratio, Example 1) composite electrode, ( Figure 2d) Molybdenum disulfide nanosheet electrode (Example 2, low magnification), (Figure 2e) Molybdenum disulfide nanosheet electrode (Example 2, high magnification), (Figure 2f) Molybdenum disulfide nanosheet/carbon nanotube/binder (7: 2:1 mass ratio, Example 3) A cross-sectional scanning electron microscope photograph of a composite electrode.
3 is a cyclic voltammetry curve measured using a PG foil (pyrolytic graphite foil) as a positive electrode and an electrolyte of AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) (scanning speed: 10 mV s -1 ) to be. Aluminum foil was used as the cathode.
FIG. 4 is a graphene/CNT composite electrode coated on a PG foil (graphene:MWCNT:CMC-SBR = 8:1:1), using an AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) electrolyte. It is a cyclic voltage-current curve (scanning speed: 10 mV s -1 ) measured using. Aluminum foil was used as the cathode.
Figure 5 is a constant current charging and discharging measured at a current density of about 64 mA g -1 (± 0.561 mA) in an electrolyte of AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) using a PG foil as a positive electrode. It is a curve. Aluminum foil was used as the negative electrode.
6 shows a PG foil using a positive electrode , about 64 mA g -1 (± 0.561 mA), about 128 mA g -1 (± 1.122 mA ) in an electrolyte of AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) ), constant current charge and discharge curves measured at a current density of about 320 mA g -1 (± 2.805 mA). Aluminum foil was used as the negative electrode.
7 is a graphene:MWCNT:SBR/CMC binder = (8:1:1) in an electrolyte of AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) using a positive electrode prepared by coating a carbon composite on a PG foil. Is a constant current charge and discharge curve measured at a current density of about 60 mA g -1 (± 0.561 mA). Aluminum foil was used as the negative electrode.
8 is a graphene:MWCNT:SBR/CMC binder = (8:1:1) in an electrolyte of AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) using a positive electrode prepared by coating a carbon composite on a PG foil. Is a constant current charge and discharge curve measured at a current density of about 120 mA g -1 (± 1.122 mA). Aluminum foil was used as the negative electrode.
9 is a constant current charging measured at a current density of about 53 mA g -1 (± 0.561 mA) in an electrolyte of AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) using a molybdenum disulfide nanosheet anode, and It is a discharge curve. Aluminum foil was used as the negative electrode.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. Objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein, and may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided to sufficiently convey the spirit of the present invention to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 이차전지는 알루미늄을 포함하는 음극 (anode), 층상 구조를 이루는 활물질을 포함하는 양극 (cathode), 음극에서의 알루미늄의 가역적인 용해와 침적을 가능하게 하고 양극에서 음이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 반응이 일어나도록 하는 전해질을 포함한다. 층상구조를 이루는 양극 활물질 재료로는 흑연 필름, 흑연 플레이크(flake), 그래핀 나노시트, 또는 흑연 또는 그래핀과, 단일벽이나 다층벽 탄소나노튜브 (single wall CNT, multi wall CNT) 등과 같은 일차원 탄소구조 물질이나 탄소 나노입자와의 복합체 등이다. The aluminum secondary battery according to an embodiment of the present invention enables reversible dissolution and deposition of aluminum in a cathode including aluminum, a cathode including an active material forming a layered structure, and at the anode. It contains an electrolyte that allows an anion intercalation and deintercalation reaction to occur. The cathode active material forming a layered structure is one-dimensional material such as graphite film, graphite flake, graphene nanosheet, graphite or graphene, and single wall or multi-wall CNT (single wall CNT). It is a carbon structure material or a composite with carbon nanoparticles.

전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성액체의 혼합물을 사용하고, 할로겐화 알루미늄 대 이온성 액체의 몰비는 1.1 이상에서 2.0 이하가 바람직하다. 여기에서 할로겐화 알루미늄은 AlCl3이고, 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl)이다.As the electrolyte, a mixture of aluminum halide and ionic liquid is used, and the molar ratio of aluminum halide to ionic liquid is preferably from 1.1 or more to 2.0 or less. Here, the aluminum halide is AlCl 3 and the ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMIM]Cl).

충전 과정 동안에 일어나는 알루미늄 이차전지의 작동 메커니즘은 다음과 같다 (참고문헌: Chem. Mater. 29, 4484 (2017)), 음극 측에서, 충전 및 방전 반응 동안 각각 금속 Al, AlCl4 - 및 Al2Cl7 -가 활성종(active species)으로 작용한다. 양극 측에서는, 충전 및 방전 반응 동안 흑연 층 평면 사이의 공간 내로 주로 AlCl4 -가 각각 인터칼레이션되고 디인터칼레이션된다. The operating mechanism of the aluminum secondary battery that occurs during the charging process is as follows (Reference: Chem. Mater. 29, 4484 (2017)), at the cathode side, during the charging and discharging reactions, metals Al, AlCl 4 - and Al 2 Cl, respectively 7 - acts as an active species. On the anode side, mainly AlCl 4 is intercalated and deintercalated, respectively, into the space between the graphite layer planes during the charging and discharging reactions.

(음극): 4Al2Cl7 - + 3e-

Figure 112020075461616-pat00001
7AlCl4 - + Al (Negative): 4Al 2 Cl 7 - + 3e -
Figure 112020075461616-pat00001
7AlCl 4 - + Al

(양극): xC + AlCl4 -

Figure 112020075461616-pat00002
Cx(AlCl4 -) + e- (Positive): xC + AlCl 4 -
Figure 112020075461616-pat00002
Cx (AlCl 4 -) + e -

상기 층상구조를 이루는 양극 활물질 재료로는 전이금속 다이칼코게나이드 (MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 또는 MoTe2 등) 나노 또는 마이크로 소재 또는, 전이금속 다이칼코게나이드와 단일벽이나 다층벽 탄소나노튜브 (single wall CNT, multi wall CNT) 등과 같은 일차원 탄소구조 물질이나 탄소 나노입자와의 복합체 등이다. 또한 양극 활물질 재료로는 층상 구조를 가지는 층상 산화물(layered oxide) 등도 사용될 수 있으며, 흑연과 이들 재료와의 복합체 등도 포함된다. The cathode active material forming the layered structure is a transition metal dichalcogenide (MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 or MoTe 2, etc.) a nano or micro material, or a transition metal dichalcogenide and a single wall or multilayer It is a one-dimensional carbon structure material such as single wall CNT (multi wall CNT) or a composite with carbon nanoparticles. In addition, as a material for the positive electrode active material, a layered oxide having a layered structure may be used, and a composite of graphite and these materials may also be used.

알루미늄 이차전지를 제조하는 방법은 (1) 알루미늄을 포함하는 음극을 제공하는 단계, (2) 충전동안 이온을 인터칼레이션하고 방전동안 그 이온을 디인터칼레이션 할 수 있는 활성 재료를 포함하는 양극을 제공하는 단계로서, 이 활성 재료로 층상 탄소 재료, 층상 칼코게나이드 재료, 층상 산화물 재료 중 선택되는 하나 이상의 재료와 탄소나노재료 (나노입자, 나노튜브, 나노와이어 등)의 복합체를 제공하는 단계; 및 (3) 음극에서의 알루미늄의 가역적인 용해와 침적을 가능하게하고 양극에서 전해질 이온의 인터칼레이션 (intercalation) 및 디인터칼레이션 (deintercalation) 반응이 일어나도록 하는 전해질을 포함한다. The method of manufacturing an aluminum secondary battery includes (1) providing a negative electrode containing aluminum, (2) a positive electrode containing an active material capable of intercalating ions during charging and deintercalating the ions during discharge. As the step of providing, as the active material, providing a composite of at least one material selected from a layered carbon material, a layered chalcogenide material, and a layered oxide material and a carbon nanomaterial (nanoparticles, nanotubes, nanowires, etc.) ; And (3) an electrolyte that enables reversible dissolution and deposition of aluminum at the negative electrode and causes intercalation and deintercalation reactions of electrolyte ions at the positive electrode.

본 발명의 일 실시예에서는, 양극을 제공하는 단계에서 흑연 소재와 탄소나노튜브 또는, 전이금속 다이칼코게나이드 소재와 탄소나노튜브 또는, 나노크기의 탄소 복합체 형성을 통하여 전해질 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 용이하게 할 뿐만 아니라 인터칼레이션과 디인터칼레이션 과정에서 발생하는 양극의 부피팽창, 구조 붕괴, 전기적 단락 개선 등을 통하여 용량 증대가 가능하였다. In an embodiment of the present invention, in the step of providing an anode, intercalation of electrolyte ions and intercalation of electrolyte ions through formation of a graphite material and carbon nanotubes, a transition metal dichalcogenide material and a carbon nanotube, or a nano-sized carbon composite In addition to facilitating deintercalation, capacity increase was possible through volume expansion, structure collapse, and electrical short-circuit improvement of the positive electrode occurring during intercalation and deintercalation.

또한, 음극을 제공하는 단계에서 알루미늄을 포함하는 음극을 할로겐화 알루미늄과 이온성액체가 혼합되어 있는 전해액에 1분 이상 또는 48시간 이하 동안 담가 놓는 전처리 공정을 통하여 알루미늄을 포함하는 음극 표면의 산화막 제거 및 음극 활성화 과정을 포함시켰다.In addition, in the step of providing the negative electrode, the oxide film on the surface of the negative electrode containing aluminum is removed through a pretreatment process in which the negative electrode containing aluminum is immersed in an electrolyte solution in which aluminum halide and an ionic liquid are mixed for 1 minute or more or 48 hours or less. The cathode activation process was included.

실시예 1: 그래핀/탄소나노튜브 복합체를 양극으로 적용한 알루미늄 이차 전지의 제조Example 1: Preparation of an aluminum secondary battery using a graphene/carbon nanotube composite as a positive electrode

알루미늄 이차전지용 고용량 및 고안전성 양극 제조를 위하여, 증류수에 분산되어 있는 그래핀 나노시트(농도: 15 mg/mL)에 탄소나노튜브 파우더와 바인더를 넣고 혼합하여 그래핀/탄소나노튜브 복합체를 형성하였다. 여기에서 탄소나노튜브는 도전재 역할뿐만 아니라 전해질 이온이 그래핀 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션 하는 반응을 용이하게 할 수 있는 3차원 구조형성에 기여하고, 인터컬레이션/디인터컬레이션 과정에서 그래핀 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴를 방지해줄 수 있다. 전극은 그래핀(활물질)과 탄소나노튜브, 바인더를 8:1:1 질량 비율로 혼합하여 제조하였다. 먼저 물에 분산되어 있는 그래핀 나노시트(농도: 15 mg/L)와 탄소나노튜브 파우더를 잘 혼합하고, 바인더인 스티렌 부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1:1 질량 비율로 함께 넣고 녹인 후 충분히 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 위에 슬러리를 고르게 코팅한 뒤, 120 ℃ 진공오븐에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다. 건조된 전극이 일정한 두께를 갖도록 롤 프레스(roll-press)를 이용하여 압착시켰다. 압착된 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다. 분리막은 18mm 크기의 유리 섬유(glass fiber) 분리막(Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B)을 사용하였고, 전해질은 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하였다. 음극은 알루미늄 호일(10~300 ㎛ 두께)을 사용하였으며, 알루미늄 호일이 집전체 겸 음극 역할을 수행하였다. 알루미늄 음극 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다(도 1 참조). 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극은 2차원 그래핀 나노시트 사이에 일차원 구조의 탄소나노튜브가 끼어들어가 있는 상태의 3차원 구조체를 형성하고 있어 기존의 열분해 흑연 호일에 비하여 충전 및 방전 반응 동안 흑연 층 평면 사이의 공간 내로 AlCl4 - 이온이 인터칼레이션 되고 디인터칼레이션 되는 반응을 용이하게 해준다. 또한 기존의 천연 흑연 (반 데르 발스 결합) 만을 양극으로 사용한 경우에는 충방전 과정에서 심한 부피 팽창으로 전극 구조가 붕괴되거나 전기적 단락이 일어날 수 있으나, 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극은 탄소나노튜브와 그래핀 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있어, 부피 팽창으로 인한 전극 구조의 붕괴 및 전기적 단락을 방지해 주는 역할을 한다.In order to manufacture a high-capacity and high-safety positive electrode for an aluminum secondary battery, a graphene/carbon nanotube composite was formed by adding and mixing carbon nanotube powder and a binder in graphene nanosheets (concentration: 15 mg/mL) dispersed in distilled water. . Here, carbon nanotubes not only act as a conductive material, but also contribute to the formation of a three-dimensional structure that facilitates the reaction of intercalation/deintercalation of electrolyte ions to the graphene electrode, and intercalation/deintercalation. In the process, it is possible to prevent electrode collapse due to volume expansion of the graphene electrode. The electrode was prepared by mixing graphene (active material), carbon nanotubes, and a binder in an 8:1:1 mass ratio. First, the graphene nanosheets (concentration: 15 mg/L) dispersed in water and carbon nanotube powder are well mixed, and the binder is styrene-butadiene rubber (SBR) and carboxymethyl cellulose sodium salt (carboxymethyl cellulose). sodium salt, CMC) was added in a 1:1 mass ratio, dissolved, and sufficiently mixed to prepare a slurry. The slurry was evenly coated on a pyrolytic graphite foil (PG foil), which is a positive electrode current collector, and then sufficiently dried in a vacuum oven at 120° C. for 10 hours. The dried electrode was pressed using a roll-press to have a constant thickness. The pressed electrode was made of a coin type electrode with a diameter of 18 mm. As the separator, a 18mm-sized glass fiber separator (Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B) was used, and the electrolyte was AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) ionic liquid electrolyte. An aluminum foil (10 to 300 μm thick) was used as the negative electrode, and the aluminum foil served as a current collector and a negative electrode. The aluminum cathode electrode was made of a coin-type electrode having a diameter of 18 mm (see FIG. 1). The graphene/carbon nanotube composite electrode forms a three-dimensional structure in which a one-dimensional structure of carbon nanotubes are sandwiched between two-dimensional graphene nanosheets. ion is intercalated illustration facilitates the reaction of illustration di intercalation - AlCl 4 into the space between the planes. In addition, when only the existing natural graphite (van der Waals bond) is used as an anode, the electrode structure may collapse due to severe volume expansion during the charging and discharging process or electrical short circuits may occur. Since the graphene nanosheets are tightly wrapped around each other, they play a role in preventing collapse of the electrode structure and electrical short circuit due to volume expansion.

실시예 2: 전이금속 다이칼코게나이드 소재를 양극으로 적용한 알루미늄 이차 전지의 제조(이황화 몰리브덴, Molybdenum disulfide, MoSExample 2: Preparation of an aluminum secondary battery using a transition metal dichalcogenide material as a positive electrode (molybdenum disulfide, Molybdenum disulfide, MoS 2 2 양극 소재)Anode material)

알루미늄 이차전지용 고용량 및 고안전성 양극 제조를 위하여, 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2) 파우더와 바인더를 넣고 혼합하였다. 전극은 이황화 몰리브덴(활물질)과 바인더를 9:1 질량 비율로 혼합하여 제조하였다. 활물질인 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2) 파우더에 스티렌 부타디인 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1:1 질량 비율로 섞은 바인더를 함께 넣고 충분히 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 또는 몰리브데늄 호일 (Mo foil) 위에 슬러리를 고르게 코팅한 뒤, 120 ℃ 진공오븐에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다. 건조된 전극이 일정한 두께를 갖도록 롤 프레스(roll-press)를 이용하여 압착시켰다. 압착된 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 제조하였다. 분리막으로는 18mm 크기의 유리 섬유(glass fiber) 분리막(Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B)을 사용하였고, 전해질은 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하였다. 음극은 알루미늄 호일(10~300 ㎛ 두께)을 사용하였으며, 알루미늄 호일이 집전체 겸 음극 역할을 수행하였다. 알루미늄 음극 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다(도 1 참조). 이황화 몰리브덴 전극은 2차원 나노시트 상태를 형성하고 있어 흑연 전극과 유사하게 이황화 몰리브덴 층 평면 사이의 공간 내로 전해질 이온이 인터칼레이션 되고 디인터칼레이션 되는 반응이 진행된다. In order to manufacture a high-capacity and high-safety positive electrode for an aluminum secondary battery, molybdenum disulfide (MoS 2 ) powder and a binder were added and mixed. The electrode was prepared by mixing molybdenum disulfide (active material) and a binder in a ratio of 9:1 by mass. Molybdenum disulfide (MoS 2 ) powder, which is an active material, is mixed with styrene-butadiene rubber (SBR) and carboxymethyl cellulose sodium salt (CMC) in a 1:1 mass ratio. Put together and sufficiently mixed to prepare a slurry. The slurry was evenly coated on a pyrolytic graphite foil (PG foil) or a molybdenum foil (Mo foil), which is a positive electrode current collector, and then sufficiently dried in a vacuum oven at 120° C. for 10 hours. The dried electrode was pressed using a roll-press to have a constant thickness. The compressed electrode was manufactured as a coin type electrode having a diameter of 18 mm. As the separator, a 18mm-sized glass fiber separator (Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B) was used, and the electrolyte was AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) ionic liquid electrolyte. . An aluminum foil (10 to 300 μm thick) was used as the negative electrode, and the aluminum foil served as a current collector and a negative electrode. The aluminum cathode electrode was made of a coin-type electrode having a diameter of 18 mm (see FIG. 1). Since the molybdenum disulfide electrode forms a two-dimensional nanosheet state, similar to the graphite electrode, electrolyte ions are intercalated and deintercalated into the space between the planes of the molybdenum disulfide layer.

실시예 3: 전이금속 다이칼코게나이드 기반 복합소재를 양극으로 적용한 알루미늄 이차 전지의 제조 (이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2)/CNT 복합체를 이용한 양극 소재)Example 3: Preparation of an aluminum secondary battery using a transition metal dichalcogenide-based composite material as a positive electrode (Molybdenum disulfide (MoS2) / positive electrode material using a CNT composite)

알루미늄 이차전지용 고용량 및 고안전성 양극 제조를 위하여, 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2) 파우더 및 탄소나노튜브 파우더와 바인더를 넣고 혼합하여 이황화 몰리브덴/탄소나노튜브 복합체를 형성하였다. 여기에서 탄소나노튜브는 도전재 역할뿐만 아니라 전해질 이온이 그래핀 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션하는 반응을 용이하게 할 수 있는 3차원 구조형성에 기여하고, 인터컬레이션/디인터컬레이션 과정에서 그래핀 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴를 방지해줄 수 있다. 전극은 이황화 몰리브덴 나노시트 (활물질)과 탄소나노튜브, 바인더를 7:2:1 질량 비율로 혼합하여 제조하였다. 먼저 이황화 몰리브덴 나노시트 파우더와 탄소나노튜브 파우더를 잘 혼합하고, 바인더인 스티렌 부타디인 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1:1 질량 비율로 함께 넣고 충분히 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 또는 몰리브데늄 호일 (Mo foil) 위에 슬러리를 고르게 코팅한 뒤, 120 ℃ 진공오븐에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다. 건조된 전극이 일정한 두께를 갖도록 롤 프레스(roll-press)를 이용하여 압착시켰다. 압착된 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다. 분리막은 18mm 크기의 유리 섬유(glass fiber) 분리막(Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B)을 사용하였고, 전해질은 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하였다. 음극은 알루미늄 호일(10~300 ㎛ 두께)을 사용하였으며, 알루미늄 호일이 집전체 겸 음극 역할을 수행하였다. 알루미늄 음극 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다(도 1 참조). 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브 복합체 전극은 2차원 이황화 몰리브덴 나노시트 사이에 일차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조체를 형성하고 있다. 또한 기존의 이황화 몰리브덴(반 데르 발스 결합)만을 양극으로 사용한 경우에는 충방전 과정에서 심한 부피 팽창으로 전극 구조가 붕괴되거나 전기적 단락이 일어날 수 있으나, 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브 복합체 전극은 탄소나노튜브와 이황화 몰리브덴 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있어, 부피 팽창으로 인한 전극 구조의 붕괴 및 전기적 단락을 방지해 주는 역할을 할 수 있다.In order to manufacture a high-capacity and high-safety positive electrode for an aluminum secondary battery, molybdenum disulfide (MoS 2 ) powder, carbon nanotube powder, and a binder were added and mixed to form a molybdenum disulfide/carbon nanotube composite. Here, carbon nanotubes not only act as a conductive material, but also contribute to the formation of a three-dimensional structure that facilitates the reaction of intercalation/deintercalation of electrolyte ions to the graphene electrode, and intercalation/deintercalation. In the process, it is possible to prevent electrode collapse due to volume expansion of the graphene electrode. The electrode was prepared by mixing molybdenum disulfide nanosheets (active material), carbon nanotubes, and a binder in a mass ratio of 7:2:1. First, mix the molybdenum disulfide nanosheet powder and the carbon nanotube powder well, and mix styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder and carboxymethyl cellulose sodium salt (CMC) by 1:1 mass. Put together in a ratio and sufficiently mixed to prepare a slurry. The slurry was evenly coated on a pyrolytic graphite foil (PG foil) or a molybdenum foil (Mo foil), which is a positive electrode current collector, and then sufficiently dried in a vacuum oven at 120° C. for 10 hours. The dried electrode was pressed using a roll-press to have a constant thickness. The pressed electrode was made of a coin type electrode with a diameter of 18 mm. As the separator, a 18mm-sized glass fiber separator (Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B) was used, and the electrolyte was AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) ionic liquid electrolyte. An aluminum foil (10 to 300 μm thick) was used as the negative electrode, and the aluminum foil served as a current collector and a negative electrode. The aluminum cathode electrode was made of a coin-type electrode having a diameter of 18 mm (see FIG. 1). The molybdenum disulfide nanosheet/carbon nanotube composite electrode forms a three-dimensional structure in which carbon nanotubes having a one-dimensional structure are inserted between two-dimensional molybdenum disulfide nanosheets. In addition, when only the existing molybdenum disulfide (van der Waals bond) is used as the anode, the electrode structure may collapse due to severe volume expansion during the charging and discharging process, or an electrical short may occur, but the molybdenum disulfide nanosheet/carbon nanotube composite electrode is carbon nanoparticles. Since the tube and the molybdenum disulfide nanosheets are tightly wrapped around each other, it can play a role in preventing collapse of the electrode structure and electrical short circuit due to volume expansion.

실험예 1: 물리적 특성 분석 Experimental Example 1: Analysis of physical properties

실시예에 따라 제조한 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극의 형상 분석을 위하여 단면 주사 전자 현미경(cross-section field emission scanning electron microscopy, FESEM) 장비를 이용하여 전극의 단면을 관찰하였다. 도 2a와 2b는 본 발명에 사용한 열분해 흑연 호일 및 그래핀 나노시트 전극의 단면 SEM 사진을 보여준다. 도 2c는 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극의 단면 SEM 사진을 보여주며, 탄소나노튜브가 그래핀 나노시트 사이사이에 잘 혼합되어 3차원 구조적으로 연결된 구조를 나노시트 형태임을 보여준다. In order to analyze the shape of the graphene/carbon nanotube composite electrode prepared according to the example, a cross-section of the electrode was observed using a cross-section field emission scanning electron microscopy (FESEM) equipment. 2A and 2B show cross-sectional SEM photographs of the pyrolytic graphite foil and graphene nanosheet electrode used in the present invention. FIG. 2C shows a cross-sectional SEM photograph of a graphene/carbon nanotube composite electrode, and shows that a structure in which carbon nanotubes are well mixed between graphene nanosheets and connected in a three-dimensional structure is in the form of a nanosheet.

또한 도 2d 및 도 2e는 이황화 몰리브덴 나노시트 전극(실시예 2)의 단면 SEM 사진이다. 도 2f는 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브 복합체 전극(실시예 3)의 단면 SEM 사진이며, 탄소나노튜브가 이황화 몰리브덴 나노시트 사이사이에 잘 혼합되어 3차원 구조적으로 연결된 구조를 나노시트 형태임을 보여준다. 2D and 2E are cross-sectional SEM photographs of a molybdenum disulfide nanosheet electrode (Example 2). 2F is a cross-sectional SEM photograph of a molybdenum disulfide nanosheet/carbon nanotube composite electrode (Example 3), showing that the carbon nanotubes are well mixed between molybdenum disulfide nanosheets and are connected in a three-dimensional structure in the form of a nanosheet. .

실험예 2: 전기화학적 특성 분석 Experimental Example 2: Analysis of electrochemical properties

알루미늄 이차전지 전극은 글러브 박스 안에서 조립한다. 전극 제조에 앞서 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 내지 48시간 담그는 전처리 과정을 거친다. 이 과정에서 알루미늄 음극 표면의 산화막이나 불순물을 제거를 통하여 전지 구동을 가능하게 한다. 제조한 전극의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하여, 대칭적인 2전극 시스템 구조로 셀을 제작하였다. 대략 300 ㎕의 이온성 액체 전해질이 주입되고 전지를 밀봉하였다. 본 발명의 알루미늄 이차전지에 사용되는 이온성 액체 전해액은 그 자체가 애노드액 (anolyte) 역할도 수행하므로 전해액을 레독스 플로우 배터리의 애노드액과 같이 공급하는 형태로도 전지 구동이 가능하다. 다채널을 가지고 있는 일정전위기 (VSP potentiostat/galvanostat/EIS, BioLogic) 장비를 사용하였으며, 순환 전압 전류 시험(cyclic voltammetry, CV)을 이용하여 측정하였다. 0V에서 2.5V까지의 전압 범위에서 10 mV/s으로 주사 속도(scan rate)로 순환 전압 전류 시험(CV)를 수행하였다. The aluminum secondary battery electrode is assembled in a glove box. Prior to electrode fabrication, the aluminum cathode undergoes a pretreatment process in which aluminum halide and ionic liquid are mixed for 1 second to 48 hours in an electrolyte solution. In this process, the battery can be driven by removing the oxide film or impurities on the surface of the aluminum anode. In order to evaluate the electrochemical properties of the prepared electrode , a cell was fabricated with a symmetrical two-electrode system structure using AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) ionic liquid electrolyte. Approximately 300 μl of ionic liquid electrolyte was injected and the cell was sealed. The ionic liquid electrolyte used in the aluminum secondary battery of the present invention itself also serves as an anolyte, so it is possible to drive the battery in the form of supplying the electrolyte together with the anolyte of a redox flow battery. A multi-channel constant potentiometer (VSP potentiostat/galvanostat/EIS, BioLogic) equipment was used, and measurements were made using a cyclic voltammetry (CV) test. Cyclic voltammetry (CV) was performed at a scan rate of 10 mV/s in a voltage range from 0V to 2.5V.

도 3은 알루미늄 음극, 열분해 흑연 포일을 양극으로 사용한 알루미늄 이차전지의 0V에서 2.5V 까지의 전압 범위에서의 순환 전압 전류 곡선을 보여주며, 도 4는 알루미늄을 음극, 그래핀/MWCNT 복합체가 코팅된 열분해 흑연 포일을 양극으로 사용한 알루미늄 이차전지의 0-2.5V 까지의 전압 범위에서의 순환 전압 전류 곡선을 보여준다 (주사 속도: 10 mV s-1). 3 shows a circulating voltage current curve in a voltage range from 0V to 2.5V of an aluminum secondary battery using an aluminum negative electrode and a pyrolytic graphite foil as a positive electrode, and FIG. 4 is a graphene/MWCNT composite coated with aluminum as a negative electrode. It shows the circulating voltage and current curve in the voltage range of 0-2.5V of an aluminum secondary battery using pyrolytic graphite foil as a positive electrode (scanning speed: 10 mV s -1 ).

도 5는 약 64 mA g-1의 전류밀도에서 측정한 정전류 방전/충전 곡선을 보여주며, 정전류 방전/충전 반응은 0.01 V 내지 2.45 V의 전지 전압에서 수행되었다. 전지의 양극으로서 열분해 흑연 포일(PG foil) (약 8.5 mg, 두께: 17 ㎛, 직경: 18 mm), 유리섬유 분리막, 및 애노드로서 알루미늄 포일(약 17.8 mg, 두께: 25 ㎛, 직경: 18 mm)을 이용하여 구성되었다. 약 300 ㎕의 이온성 액체 전해질(1.1 내지 2.0의 AlCl3/[EMIM]Cl의 몰비)이 글러브 박스 내에서 전지에 채워지고 밀봉되었다. 약 64mAg-1의 일정한 전류 밀도에서 약 2.45 내지 약 0.01V의 전지 전압에서 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지 (음극: 알루미늄 포일, 양극: 열분해 흑연 포일)는 약 62 mAh g-1의 비용량(specific capacity) 값과 91%의 충방전 효율 값을 보였다. 또한, 도 6은 64 mA g-1, 128 mA g-1 및 320 mA g-1의 다양한 전류 밀도 조건 하에서 2.45 내지 0.01V의 전지 전압에서의 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지의 비용량(specific capacity)값을 보여주며, 128 mA g-1의 전류밀도에서는 56 mAh g-1 (충방전 효율: 95%), 320 mA g-1의 전류밀도에서는 35 mAh g-1 (충방전 효율: 98%)의 비용량(specific capacity) 값을 각각 보여주었다. 5 shows a constant current discharge/charge curve measured at a current density of about 64 mA g -1 , and the constant current discharge/charge reaction was performed at a battery voltage of 0.01 V to 2.45 V. PG foil (about 8.5 mg, thickness: 17 μm, diameter: 18 mm) as a positive electrode of the battery, a glass fiber separator, and aluminum foil (about 17.8 mg, thickness: 25 μm, diameter: 18 mm) as an anode ). About 300 μl of an ionic liquid electrolyte ( a molar ratio of 1.1 to 2.0 AlCl 3 /[EMIM]Cl) was filled into the cell and sealed in a glove box. The aluminum secondary battery (cathode: aluminum foil, positive electrode: pyrolytic graphite foil) charged and discharged at a battery voltage of about 2.45 to about 0.01 V at a constant current density of about 64 mAg -1 has a specific capacity of about 62 mAh g -1. capacity) and 91% charge/discharge efficiency. In addition, FIG. 6 shows the specific capacity of the charged and discharged aluminum secondary battery at a battery voltage of 2.45 to 0.01V under various current density conditions of 64 mA g -1 , 128 mA g -1 and 320 mA g -1. ) Value, 56 mAh g -1 (charging/discharging efficiency: 95%) at a current density of 128 mA g -1 , 35 mAh g -1 (charging/discharging efficiency: 98% ) at a current density of 320 mA g -1 The specific capacity values of) are shown.

도 7은 알루미늄 이차전지의 양극으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체의 3차원 전극을 사용하여, 약 60 mA g-1(± 0.561 mA)의 전류밀도에서 측정한 정전류 방전/충전 곡선을 보여주며, 정전류 방전/충전 반응은 0.01 V 내지 2.45 V의 전지 전압에서 수행되었다. 전지의 양극으로서 그래핀/탄소나노튜브가 코팅된 열분해 흑연 포일(graphene/CNT composite coated on PG foil) (약 9.35 mg, 두께: 20 ㎛, 직경: 18 mm), 유리섬유 분리막, 및 애노드로서 알루미늄 포일(약 17.8 mg, 두께: 25 ㎛, 직경: 18 mm)을 이용하여 구성되었다. 약 300 ㎕의 이온성 액체 전해질(1.1 내지 2.0의 AlCl3/[EMIM]Cl의 몰비)이 글러브 박스 내에서 전지에 채워지고 밀봉되었다. 약 60mAg-1의 일정한 전류 밀도에서 대략 2.45 내지 대략 0.01V의 전지 전압에서 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지 (음극: 알루미늄 포일, 양극: 그래핀/탄소나노튜브 복합체가 코팅된 열분해 흑연 포일)는 약 75 mAh g-1의 비용량(specific capacity) 값과 82%의 충방전 효율 값을 보였다. 이는 같은 정전류 조건 하에서 (± 0.561 mA) 열분해 흑연 양극을 사용한 경우에 비하여 비용량(specific capacity) 값이 약 20% 증가한 값이다. 도 8은 약 120 mA g-1의 전류밀도에서 측정한 정전류 방전/충전 곡선을 보여주며, 약 68 mAh g-1의 비용량(specific capacity)값과 90%의 충방전 효율 값을 보였다. 이 값은 또한 같은 정전류 조건 하에서 (± 1.122 mA) 열분해 흑연 양극을 사용한 알루미늄 전지의 비용량(specific capacity) 값과 비교하여 약 21% 증가한 값이다. FIG. 7 shows a constant current discharge/charge curve measured at a current density of about 60 mA g -1 (± 0.561 mA) using a three-dimensional electrode of a graphene/carbon nanotube composite as a positive electrode of an aluminum secondary battery, The constant current discharge/charge reaction was carried out at a cell voltage of 0.01 V to 2.45 V. Graphene/CNT composite coated on PG foil (graphene/CNT composite coated on PG foil) as a positive electrode of the battery (about 9.35 mg, thickness: 20 μm, diameter: 18 mm), a glass fiber separator, and aluminum as an anode It was constructed using foil (about 17.8 mg, thickness: 25 μm, diameter: 18 mm). About 300 μl of an ionic liquid electrolyte ( a molar ratio of 1.1 to 2.0 AlCl 3 /[EMIM]Cl) was filled into the cell and sealed in a glove box. The aluminum secondary battery (cathode: aluminum foil, positive electrode: graphene/carbon nanotube composite coated pyrolytic graphite foil) charged and discharged at a battery voltage of about 2.45 to about 0.01 V at a constant current density of about 60 mAg -1 is about It showed a specific capacity value of 75 mAh g -1 and a charge/discharge efficiency value of 82%. This is a value of about 20% increase in specific capacity compared to the case of using pyrolytic graphite anode under the same constant current condition (± 0.561 mA). FIG. 8 shows a constant current discharge/charge curve measured at a current density of about 120 mA g -1 , and shows a specific capacity value of about 68 mAh g -1 and a charge/discharge efficiency value of 90%. This value is also an increase of about 21% compared to the specific capacity value of an aluminum battery using pyrolytic graphite anode (± 1.122 mA) under the same constant current condition (± 1.122 mA).

도 9는 이황화 몰리브덴 나노시트 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 53 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 이때 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다. 정전류 방전/충전 반응은 0.01 V 내지 2.45 V의 전지 전압에서 수행되었다. 전지의 양극으로서 이황화 몰리브덴 나노시트 (MoS2 nanosheet) (약 10 mg, 두께: 10 ㎛, 직경: 18 mm), 유리섬유 분리막, 및 애노드로서 알루미늄 포일(약 5 mg, 두께: 10 ㎛, 직경: 18 mm)을 이용하여 구성되었다. 약 300 ㎕의 이온성 액체 전해질(1.1 내지 2.0의 AlCl3/[EMIM]Cl의 몰비)이 글러브 박스 내에서 전지에 채워지고 밀봉되었다. 약 53mAg-1의 일정한 전류 밀도에서 약 2.45 내지 약 0.01V의 전지 전압에서 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지 (음극: 알루미늄 포일, 양극: 이황화 몰리브덴 나노시트)는 약 54 mAh g-1의 비용량(specific capacity) 값을 보였다. 9 is a constant current charging and discharging measured at a current density of about 53 mA g -1 (± 0.561 mA) in an electrolyte of AlCl 3 :[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) using a molybdenum disulfide nanosheet anode. It is a curve. At this time, an aluminum foil was used as a negative electrode. The constant current discharge/charge reaction was carried out at a cell voltage of 0.01 V to 2.45 V. Molybdenum disulfide nanosheet (MoS 2 nanosheet) (about 10 mg, thickness: 10 μm, diameter: 18 mm) as a positive electrode of the battery, a glass fiber separator, and aluminum foil (about 5 mg, thickness: 10 μm, diameter: about 5 mg, thickness: 10 μm, diameter:) as an anode of the battery: 18 mm). About 300 μl of an ionic liquid electrolyte ( a molar ratio of 1.1 to 2.0 AlCl 3 /[EMIM]Cl) was filled into the cell and sealed in a glove box. An aluminum secondary battery (cathode: aluminum foil, positive electrode: molybdenum disulfide nanosheet) charged and discharged at a battery voltage of about 2.45 to about 0.01 V at a constant current density of about 53 mAg -1 has a specific capacity of about 54 mAh g -1 ( specific capacity).

Claims (9)

음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부;
양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부;
상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및
전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서,
상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질 및 바인더로 구성되고, 일정한 두께를 갖도록 롤프레스(roll-press)를 이용하여 압착되며,
상기 층상구조를 이루는 활물질은 그래핀과 탄소나노튜브의 복합체로서, 2차원 구조의 그래핀 나노 시트가 적층된 층상구조 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조적으로 연결된 구조이고, 탄소나노튜브와 그래핀 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있으며,
상기 탄소나노튜브는 알루미늄 및 할로겐으로 이루어진 음이온이 그래핀 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션 하는 반응을 위한 상기 3차원 구조 형성에 기여하여, 인터컬레이션/디인터컬레이션 반응에서 그래핀 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴가 방지된 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
A negative electrode part including a negative electrode current collector and a negative electrode;
A positive electrode part including a positive electrode current collector and a positive electrode;
A separator interposed between the anode part and the cathode part; And
As an aluminum secondary battery containing an electrolyte,
The negative electrode is composed of aluminum,
The positive electrode is composed of an active material and a binder constituting a layered structure, and is compressed using a roll-press to have a certain thickness,
The active material constituting the layered structure is a composite of graphene and carbon nanotubes, and is connected three-dimensionally in a state in which a one-dimensional carbon nanotube is inserted between a layered structure in which a two-dimensional graphene nanosheet is stacked. Structure, carbon nanotubes and graphene nanosheets are tightly wrapped around each other,
The carbon nanotubes contribute to the formation of the three-dimensional structure for a reaction in which anions composed of aluminum and halogen intercalate/deintercalate to the graphene electrode, and thus, the graphene electrode in the intercalation/deintercalation reaction. Aluminum secondary battery, characterized in that the collapse of the electrode due to the volume expansion of the.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성액체의 혼합물이고,
상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체의 몰비는 1.1 ~ 2.0 : 1 범위인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
The method of claim 1,
The electrolyte is a mixture of aluminum halide and an ionic liquid,
The aluminum secondary battery, characterized in that the molar ratio of the aluminum halide and the ionic liquid is in the range of 1.1 to 2.0: 1.
제2항에 있어서,
상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고,
상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
The method of claim 2,
The aluminum halide includes at least one selected from the group consisting of AlCl 3 , AlBr 3 and AlI 3,
The ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide, 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide, 1-butyl-3-methyl An aluminum secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of imidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium bromide, and 1-butyl-3-methylimidazolium iodide.
음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부;
양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부;
상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및
전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서,
상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질 및 바인더로 구성되고, 일정한 두께를 갖도록 롤프레스(roll-press)를 이용하여 압착되며,
상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드와 1차원 탄소구조의 물질과의 복합체로서, 2차원 구조의 전이금속 다이칼코게나이드 나노시트가 적층된 층상구조 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조적으로 연결된 구조이고, 탄소나노튜브와 전이금속 다이칼코게나이드 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있으며,
상기 탄소나노튜브는 알루미늄 및 할로겐으로 이루어진 음이온이 전이금속 다이칼코게나이드 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션 하는 반응을 위한 상기 3차원 구조 형성에 기여하여, 인터컬레이션/디인터컬레이션 반응에서 전이금속 다이칼코게나이드 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴가 방지된 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
A negative electrode part including a negative electrode current collector and a negative electrode;
A positive electrode part including a positive electrode current collector and a positive electrode;
A separator interposed between the anode part and the cathode part; And
As an aluminum secondary battery containing an electrolyte,
The negative electrode is composed of aluminum,
The positive electrode is composed of an active material and a binder constituting a layered structure, and is compressed using a roll-press to have a certain thickness,
The active material constituting the layered structure is a composite of a transition metal dichalcogenide and a one-dimensional carbon structure material, and a one-dimensional carbon nanostructure between the layered structure in which the two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheets are stacked. It is a three-dimensional structurally connected structure with a tube inserted, and the carbon nanotube and the transition metal dichalcogenide nanosheet are tightly wrapped around each other as a whole,
The carbon nanotubes contribute to the formation of the three-dimensional structure for a reaction in which anions made of aluminum and halogen intercalate/deintercalate the transition metal dichalcogenide electrode, thereby contributing to the intercalation/deintercalation reaction. In the aluminum secondary battery, characterized in that the collapse of the electrode due to volume expansion of the transition metal dichalcogenide electrode is prevented.
제4항에 있어서,
상기 전이금속 디칼코제나이드는 MX2 (여기에서 M은 Mo, W 또는 Ti 를 의미하며, X는 S, Se 또는 Te를 의미함)로 구성되는 것을 특징으로 하는알루미늄 이차전지.
The method of claim 4,
The transition metal dichalcogenide is an aluminum secondary battery, characterized in that consisting of MX 2 (wherein M refers to Mo, W or Ti, and X refers to S, Se or Te).
음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 순차로 적층한 후, 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄 이차전지의 제조방법으로서,
상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
상기 양극은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자, 및 바인더를 혼합하여 제조한 슬러리를 양극 집전체 상에 코팅하는 방법으로 형성하며,
상기 양극은 그래핀 또는 전이금속 다이칼코게나이드 나노시트와, 탄소나노튜브 파우더 및 바인더를 혼합하여 2차원 구조의 그래핀 또는 전이금속 다이칼코게나이드 나노시트가 적층된 층상구조 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조적으로 연결된 구조이고, 탄소나노튜브와 그래핀 또는 전이금속 다이칼코게나이드 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있으며,
상기 탄소나노튜브는 알루미늄 및 할로겐으로 이루어진 음이온이 그래핀 전극 또는 전이금속 다이칼코게나이드 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션 하는 반응을 위한 상기 3차원 구조 형성에 기여하여, 인터컬레이션/디인터컬레이션 반응에서 그래핀 전극 또는 전이금속 다이칼코게나이드 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴가 방지된 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
A method for manufacturing an aluminum secondary battery comprising the step of sequentially stacking a negative electrode current collector, a negative electrode, a separator, a positive electrode, and a positive electrode current collector, and then injecting an electrolyte,
The negative electrode is composed of aluminum,
The positive electrode is formed by coating a slurry prepared by mixing a graphite material or transition metal dichalcogenide, a one-dimensional carbon structure material or carbon nanoparticles, and a binder on the positive electrode current collector,
The anode is a one-dimensional structure between the layered structure in which graphene or transition metal dichalcogenide nanosheets, carbon nanotube powder and a binder are mixed, and a two-dimensional structure of graphene or transition metal dichalcogenide nanosheets is stacked. It is a three-dimensional structurally connected structure in which the carbon nanotubes of are inserted, and the carbon nanotubes and graphene or transition metal dichalcogenide nanosheets are tightly wrapped around each other as a whole,
The carbon nanotubes contribute to the formation of the three-dimensional structure for a reaction in which anions composed of aluminum and halogen intercalate/deintercalate to a graphene electrode or a transition metal dichalcogenide electrode. Method of manufacturing an aluminum secondary battery, characterized in that the collapse of the electrode due to volume expansion of the graphene electrode or the transition metal dichalcogenide electrode in the intercalation reaction is prevented.
제6항에 있어서,
상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌, 스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
The method of claim 6,
The method of manufacturing an aluminum secondary battery, wherein the binder comprises at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, styrene butadiene rubber, and carboxymethyl cellulose sodium salt.
제6항에 있어서,
상기 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 ~ 48시간 담그는 전처리 과정 거친 후 음극 집전체 상에 적층하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
The method of claim 6,
The aluminum negative electrode is a method of manufacturing an aluminum secondary battery, characterized in that after undergoing a pretreatment process in which the aluminum halide and the ionic liquid are mixed for 1 second to 48 hours and then laminated on the negative electrode current collector.
음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부;
양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부;
상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및
전해질을 포함하는 에너지 저장 장치로서,
상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
상기 양극은 층상구조를 갖는 활물질 및 바인더로 구성되고, 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조적으로 연결된 구조로 형성되며,
상기 층상구조를 갖는 활물질은 그래핀 나노시트 또는 전이금속 다이칼코게나이드 나노시트로 구성되어, 탄소나노튜브와 그래핀 또는 전이금속 다이칼코게나이드 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있으며,
상기 탄소나노튜브는 알루미늄 및 할로겐으로 이루어진 음이온이 그래핀 전극 또는 전이금속 다이칼코게나이드 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션 하는 반응을 위한 상기 3차원 구조 형성에 기여하여, 인터컬레이션/디인터컬레이션 반응에서 그래핀 전극 또는 전이금속 다이칼코게나이드 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴가 방지된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
A negative electrode part including a negative electrode current collector and a negative electrode;
A positive electrode part including a positive electrode current collector and a positive electrode;
A separator interposed between the anode part and the cathode part; And
An energy storage device comprising an electrolyte,
The negative electrode is composed of aluminum,
The positive electrode is composed of an active material having a layered structure and a binder, and formed in a three-dimensional structurally connected structure in which carbon nanotubes of a one-dimensional structure are inserted between the active materials having a layered structure of a two-dimensional structure,
The active material having the layered structure is composed of graphene nanosheets or transition metal dichalcogenide nanosheets, and carbon nanotubes and graphene or transition metal dichalcogenide nanosheets are tightly wrapped around each other as a whole,
The carbon nanotubes contribute to the formation of the three-dimensional structure for a reaction in which anions composed of aluminum and halogen intercalate/deintercalate to a graphene electrode or a transition metal dichalcogenide electrode. Energy storage device, characterized in that the collapse of the electrode due to volume expansion of the graphene electrode or the transition metal dichalcogenide electrode in the intercalation reaction is prevented.
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