KR102287470B1 - Porphyrin based catalyst system, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery - Google Patents

Porphyrin based catalyst system, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery Download PDF

Info

Publication number
KR102287470B1
KR102287470B1 KR1020200009671A KR20200009671A KR102287470B1 KR 102287470 B1 KR102287470 B1 KR 102287470B1 KR 1020200009671 A KR1020200009671 A KR 1020200009671A KR 20200009671 A KR20200009671 A KR 20200009671A KR 102287470 B1 KR102287470 B1 KR 102287470B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
porphyrin
lithium battery
metal
oxygen
catalyst
Prior art date
Application number
KR1020200009671A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210096355A (en
Inventor
류원희
김현수
김보란
Original Assignee
숙명여자대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숙명여자대학교산학협력단 filed Critical 숙명여자대학교산학협력단
Priority to KR1020200009671A priority Critical patent/KR102287470B1/en
Priority to PCT/KR2020/009940 priority patent/WO2021153865A1/en
Publication of KR20210096355A publication Critical patent/KR20210096355A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102287470B1 publication Critical patent/KR102287470B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9008Organic or organo-metallic compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/16Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes
    • B01J31/18Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes containing nitrogen, phosphorus, arsenic or antimony as complexing atoms, e.g. in pyridine ligands, or in resonance therewith, e.g. in isocyanide ligands C=N-R or as complexed central atoms
    • B01J31/1805Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes containing nitrogen, phosphorus, arsenic or antimony as complexing atoms, e.g. in pyridine ligands, or in resonance therewith, e.g. in isocyanide ligands C=N-R or as complexed central atoms the ligands containing nitrogen
    • B01J31/181Cyclic ligands, including e.g. non-condensed polycyclic ligands, comprising at least one complexing nitrogen atom as ring member, e.g. pyridine
    • B01J31/1815Cyclic ligands, including e.g. non-condensed polycyclic ligands, comprising at least one complexing nitrogen atom as ring member, e.g. pyridine with more than one complexing nitrogen atom, e.g. bipyridyl, 2-aminopyridine
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2531/00Additional information regarding catalytic systems classified in B01J31/00
    • B01J2531/02Compositional aspects of complexes used, e.g. polynuclearity
    • B01J2531/0238Complexes comprising multidentate ligands, i.e. more than 2 ionic or coordinative bonds from the central metal to the ligand, the latter having at least two donor atoms, e.g. N, O, S, P
    • B01J2531/0241Rigid ligands, e.g. extended sp2-carbon frameworks or geminal di- or trisubstitution
    • B01J2531/025Ligands with a porphyrin ring system or analogues thereof, e.g. phthalocyanines, corroles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8689Positive electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

포피린(porphyrin) 기반의 촉매 시스템, 상기 촉매 시스템을 이용한 리튬 전지용 양극 및 상기 리튬 전지용 양극을 포함하는 리튬 전지를 개시한다. 일실시예에 따른 포피린 기반의 촉매 시스템은, 포피린의 중심 금속을 전이금속으로 치환한 포피린계 촉매를 포함할 수 있다.Disclosed are a porphyrin-based catalyst system, a cathode for a lithium battery using the catalyst system, and a lithium battery including the cathode for a lithium battery. The porphyrin-based catalyst system according to an embodiment may include a porphyrin-based catalyst in which a central metal of the porphyrin is substituted with a transition metal.

Description

포피린 기반의 촉매 시스템, 상기 촉매 시스템을 이용한 리튬 전지용 양극 및 상기 리튬 전지용 양극을 포함하는 리튬 전지{PORPHYRIN BASED CATALYST SYSTEM, CATHODE OF LITHIUM BATTERY USING THE PORPHYRIN BASED CATALYST SYSTEM, AND LITHIUM BATTERY INCLUDING THE CATHODE OF LITHIUM BATTERY}A porphyrin-based catalyst system, a positive electrode for a lithium battery using the catalyst system, and a lithium battery including the positive electrode for a lithium battery }

아래의 설명은 포피린 기반의 촉매 시스템, 상기 촉매 시스템을 이용한 리튬 전지용 양극 및 상기 리튬 전지용 양극을 포함하는 리튬 전지에 관한 것이다.The following description relates to a porphyrin-based catalyst system, a lithium battery positive electrode using the catalyst system, and a lithium battery including the lithium battery positive electrode.

산업기술이 발전됨에 따라 화석연료의 소비가 빠르게 증가하였고, 이에 따른 이산화탄소의 배출 저감을 위하여 전기자동차(Electrical Vehicles) 및 하이브리드 자동차(Hybrid Vehicles)의 보급 역시 확대되고 있다. 현재의 리튬-이온전지(Lithium-ion battery)는 전지 용량의 제약에 의해 전기자동차의 장거리 주행을 가능하지 않게 하고, 용량을 충당하기 위해 다수의 전지의 패킹하여 사용할 경우 자동차의 무게 증가뿐만 아니라 판매가격의 상승을 초래하기 때문에 전기자동차의 상용화용으로 활용하기에는 적합하지 않다. 전기자동차의 가솔린 기반 자동차에 준하는 장거리 운행을 위해서는 대용량의 전지가 전기자동차에 탑재되어야 하며, 기존의 전지에 비해 5배 이상의 큰 에너지 밀도를 갖는 이차전지가 요구된다.With the development of industrial technology, the consumption of fossil fuels has rapidly increased, and the supply of electric vehicles and hybrid vehicles is also expanding in order to reduce carbon dioxide emissions. Current lithium-ion batteries do not allow long-distance driving of electric vehicles due to limitations in battery capacity, and when multiple batteries are packed and used to cover the capacity, not only increase the weight of the vehicle but also sales. Because it causes an increase in price, it is not suitable for commercial use of electric vehicles. For long-distance operation equivalent to the gasoline-based vehicle of an electric vehicle, a large-capacity battery must be installed in the electric vehicle, and a secondary battery having an energy density five times greater than that of a conventional battery is required.

이에 따라 리튬 이온 전지보다 큰 에너지 밀도를 갖는 리튬 공기 전지가 주목받고 있다. 리튬 공기 전지는 리튬 이온 전지와 달리 양극에 대기 중의 산소를 활물질(활물질: 전지가 방전할 때 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질)로 사용하므로 원료 수급 측면에서도 유리한 이점이 있다.Accordingly, a lithium-air battery having a greater energy density than that of a lithium ion battery is attracting attention. Unlike lithium ion batteries, lithium-air batteries use oxygen in the atmosphere as an active material (active material: a material that chemically reacts to produce electrical energy when the battery is discharged), unlike lithium-ion batteries, so there is an advantage in terms of supply and demand of raw materials.

이러한 리튬 공기 전지는 원활한 산소의 이동을 위하여 다공질 탄소(Porous carbon)로 구성된 양극을 주로 사용하며, 방전 시 리튬이온이 음극에서 공기극으로 이동하여 산소와 전자가 함께 반응하는 산소환원반응(2Li+ + O2 +2e- → Li2O2, Oxygen reduction reaction, ORR) 을 통하여 전기를 생산하고, 이 때의 표준전압은 Nernst 공식에 의해 열역학적으로 2.96V 에서 반응이 일어나게 된다. 반대로 외부에서 이러한 표준전압보다 높은 전압을 걸어주면 역반응인 산소발생반응(Li2O2 → 2Li+ + O2 +2e-, Oxygen Evolution Reaction, OER)이 음극에서 일어나게 되어 충전이 이루어진다.These lithium-air batteries mainly use a positive electrode composed of porous carbon for smooth oxygen movement, and during discharge, lithium ions move from the negative electrode to the air electrode and oxygen reduction reaction (2Li + + O 2 +2e - → Li 2 O 2 , Oxygen reduction reaction, ORR) produces electricity, and the standard voltage at this time is thermodynamically reacted at 2.96V according to the Nernst formula. Conversely, if a voltage higher than the standard voltage is applied from the outside, the reverse reaction of oxygen evolution (Li 2 O 2 → 2Li + + O 2 +2e - , Oxygen Evolution Reaction, OER) takes place at the cathode and charging is performed.

그러나, 리튬 공기 전지는 반응생성물인 고상의 리튬산화물(Li2O2)이 가역적으로 분해되지 않고 전극 표면에 축적되어 미세 기공(pores)을 막음으로써 반응 비표면적이 줄어들게 되거나 전해질 및 산소의 유입이 막혀, 전극의 충방전에 필요한 전압이 증가(Overpotential)되는 것과 같은 근본적인 문제점을 가지고 있다. 즉, 리튬 공기 전지를 충전하기 위해서 표준 전압보다 훨씬 높은 과전압이 걸려야 하며, 이는 결국 에너지 손실을 초래하게 된다.However, in lithium-air batteries, solid lithium oxide (Li 2 O 2 ), a reaction product, is not reversibly decomposed but accumulates on the electrode surface to block micropores, thereby reducing the specific reaction surface area or preventing the inflow of electrolyte and oxygen. It has a fundamental problem, such as clogging, the voltage required for charging and discharging of the electrode is increased (Overpotential). In other words, an overvoltage much higher than the standard voltage must be applied to charge the lithium-air battery, which in turn results in energy loss.

현재까지 다양한 전기화학적 촉매가 연구되어왔으며, Au, Ag, Pt, Pd, Ru 또는 Ir과 같은 귀금속 촉매나, MnO2, Mn2O3, Mn3O4, Co3O4, CuO, Fe2O3, NiO, CeO2, LaMnO3, MnCo2O4 또는 Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3와 같은 전이금속산화물 기반 촉매 등이 탄소재와 결합하여 공기극에 도입됨으로써 전지의 효율을 높이는 연구가 많이 진행되어왔다. 그러나, 리튬산화물 혹은 리튬카보네이트 기반의 표면생성물에 의한 촉매 표면 비활성화 문제와 전이금속산화물의 가격상승문제 등이 발생하였다.Various electrochemical catalysts have been studied so far, noble metal catalysts such as Au, Ag, Pt, Pd, Ru or Ir, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , Co 3 O 4 , CuO, Fe 2 Transition metal oxide-based catalysts such as O 3 , NiO, CeO 2 , LaMnO 3 , MnCo 2 O 4 or Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 are combined with carbon materials and introduced into the cathode to improve battery efficiency has been going on a lot. However, the problem of deactivation of the catalyst surface due to the lithium oxide or lithium carbonate-based surface product and the price increase of the transition metal oxide occurred.

따라서, 리튬 산소 전지 및/또는 리튬 공기 전지에 적용 가능한 고효율 촉매의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need to develop a high-efficiency catalyst applicable to a lithium oxygen battery and/or a lithium air battery.

선행기술문헌Prior art literature

(특허문헌 0001) 대한민국 공개특허 제10-2017-0089122호 (Patent Document 0001) Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0089122

포피린(porphyrin) 기반의 리튬 전지용 촉매 시스템을 제공한다.A porphyrin-based catalyst system for a lithium battery is provided.

상기 촉매 시스템이 적용된 리튬 전지용 양극을 제공한다.A positive electrode for a lithium battery to which the catalyst system is applied is provided.

상기 리튬 전지용 양극을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.It provides a lithium battery including the positive electrode for the lithium battery.

포피린(porphyrin)의 중심 금속을 전이금속으로 치환한 포피린계 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템을 제공한다.It provides a catalyst system comprising a porphyrin-based catalyst in which the central metal of porphyrin is substituted with a transition metal.

일측에 따르면, 상기 전이금속은 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe), 아연(Zn), 바나듐(V), 망간(Mn), 니켈(Ni-Porphyrin) 및 코발트(Co) 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, the transition metal is titanium (Ti), copper (Cu), iron (Fe), zinc (Zn), vanadium (V), manganese (Mn), nickel (Ni-Porphyrin) and cobalt (Co) It may be characterized in that it comprises at least one metal.

다른 측면에 따르면, 상기 포피린계 촉매는 리튬 전지용 음극에서 발생된 리튬 이온을 리튬 전지용 양극으로 전달하는 전해질에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the porphyrin-based catalyst may be characterized in that it is included in an electrolyte that transfers lithium ions generated in the negative electrode for a lithium battery to the positive electrode for a lithium battery.

또 다른 측면에 따르면, 상기 포피린의 중심에 위치하는 중심 금속의 이온이 리튬 전지용 양극의 활물질로서의 산소와 결합 및 탈착함에 따라 상기 중심 금속의 이온의 산화수가 변화하며 상기 리튬 전지용 양극을 위한 전자 이동 반응(electron transfer reaction)을 도출하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, as the ion of the central metal located in the center of the porphyrin binds and desorbs oxygen as the active material of the positive electrode for a lithium battery, the oxidation number of the ion of the central metal changes, and the electron transfer reaction for the positive electrode for the lithium battery (electron transfer reaction) can be characterized by deriving.

또 다른 측면에 따르면, 상기 포피린의 중심 금속으로서 치환된 금속의 종류에 따른 금속이온의 산화환원 전위에 따라 충전 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 및 방전 반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)을 촉진하는 정도가 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the degree of promoting the charge reaction (Oxygen Evolution Reaction, OER) and the discharge reaction (Oxygen Reduction Reaction, ORR) according to the redox potential of the metal ion according to the type of the substituted metal as the central metal of the porphyrin may be characterized as being different.

또 다른 측면에 따르면,상기 포피린의 중심 금속으로서 치환된 금속의 이온이 산소 분위기에서 리튬 전지용 양극의 활물질로서의 산소와 결합 및 탈착하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, it may be characterized in that the ion of the substituted metal as the central metal of the porphyrin binds and desorbs with oxygen as the active material of the positive electrode for a lithium battery in an oxygen atmosphere.

또 다른 측면에 따르면, 상기 포피린의 중심 금속으로서 치환된 금속의 이온이 대기(air) 분위기에서 리튬 전지용 양극의 활물질로서의 산소와 결합 및 탈착하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, it may be characterized in that the ion of the metal substituted as the central metal of the porphyrin binds and desorbs with oxygen as the active material of the positive electrode for a lithium battery in an air atmosphere.

전해액에 포함되는 촉매로서의 포피린(porphyrin)을 활용하여 리튬 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The performance of a lithium battery may be improved by utilizing porphyrin as a catalyst included in the electrolyte.

복잡한 전극제조공정이 없이 기존의 리튬 전지의 전해액 내에 포피린을 포함시키는 것만으로 셀 성능을 향상시킬 수 있어 전극의 대량생산이 가능하여 생산비를 줄일 수 있다.Without a complicated electrode manufacturing process, cell performance can be improved only by including porphyrin in the electrolyte of an existing lithium battery, which enables mass production of electrodes, thereby reducing production costs.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 리튬 전지용 촉매로서 포피린 기반 산화환원 중재자(Redox Mediator, RM)의 작동원리를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 산소 퍼지 셀에서의 CV(cyclic voltammetry) 측정결과의 예를 도시한 그래프들이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 산소 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 공기 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 니켈과 바나듐을 혼합한 경우의 산소 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 산소 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 니켈과 바나듐을 혼합한 경우의 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 산소 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 공기 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프이다.
1 is a view showing the operating principle of a porphyrin-based redox mediator (Redox Mediator, RM) as a catalyst for a lithium battery according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are graphs illustrating examples of cyclic voltammetry (CV) measurement results in an oxygen purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions, according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are graphs showing examples of charge/discharge curves in an oxygen purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions in an embodiment of the present invention.
6 and 7 are graphs showing examples of CV measurement results in an air purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions in an embodiment of the present invention.
8 and 9 are graphs showing examples of charge/discharge curves in an air purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions in an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing an example of CV measurement results in an oxygen purge cell when nickel and vanadium are mixed according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing an example of CV measurement results in an oxygen purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph illustrating an example of CV measurement results in an air purge cell when nickel and vanadium are mixed according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing an example of CV measurement results in an air purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph illustrating an example of a charge/discharge curve in an oxygen purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention.
15 is a graph illustrating an example of a charge/discharge curve in an air purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention can apply various transformations and can have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail based on the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 리튬 전지용 촉매로서 포피린 기반 산화환원 중재자(Redox Mediator, RM)의 작동원리를 도시한 도면이다.1 is a view showing the operating principle of a porphyrin-based redox mediator (Redox Mediator, RM) as a catalyst for a lithium battery according to an embodiment of the present invention.

포피린(porphyrin)은 자연의 엽록소나 혈액 등에 흔히 존재하는 풍부한 원료로서 포피린을 리튬 전지용 촉매의 원료로 이용 시 매우 큰 소재의 가격경쟁력이 있다. 일례로, 헤모글로빈(Hb)은 척추동물의 적혈구에서 발견되는 호흡 분자로서, 폐로부터 체세포로 산소를 운반하고, 체세포로부터 폐로 이산화탄소를 운반하는 기능을 한다.  헤모글로빈 한 분자는 4개의 폴리펩티드 사슬로 되어 있고, 각각의 폴리펩티드 사슬에는 Fe2+ 이온에 킬레이팅된 테트라피를 환으로 이루어진 1개씩의 헴(heme) 그룹이 함유되어 있다. 폐에서, 헤모글로빈 분자의 철 원자는 산소 분자에 가역적으로 결합한 다음, 혈액이 순환됨에 따라 체세포로 운반된다. 그리고 해당 산소는 조직에서 헤모글로빈 분자로부터 방출된 다음, 산소 비함유 헤모글로빈 분자가 이산화탄소를 흡수하고, 이는 다시 폐로 회귀한 다음 폐에서 방출된다. 즉, 헤모글로빈은 생체 내에서 산소 또는 이산화탄소를 운반하는 역할을 한다. 엽록소 역시 산소와의 결합 및 탈착이 이루어진다.Porphyrin is a rich raw material commonly found in natural chlorophyll or blood. When porphyrin is used as a raw material for a catalyst for lithium batteries, it has a very large price competitiveness. For example, hemoglobin (Hb) is a respiratory molecule found in the red blood cells of vertebrates, and functions to transport oxygen from the lungs to the body cells and carbon dioxide from the body cells to the lungs. One hemoglobin molecule consists of four polypeptide chains, and each polypeptide chain contains one heme group consisting of a tetrapyridyl ring chelated to an Fe 2+ ion. In the lungs, the iron atom of the hemoglobin molecule reversibly binds to a molecule of oxygen, which is then transported to the body cells as the blood circulates. Then, the oxygen is released from the hemoglobin molecules in the tissue, and then the oxygen-free hemoglobin molecules absorb carbon dioxide, which returns to the lungs and then is released from the lungs. That is, hemoglobin serves to transport oxygen or carbon dioxide in a living body. Chlorophyll also binds and desorbs oxygen.

다시 말해, 전하를 전달만 하는 기존의 산화환원 중재자와는 달리 포피린계 전해액 촉매는 산소 분자와 능동적으로 결합 및 탈착을 반복하는 복합적 기능을 가지고 있다. 일례로, 아래 반응식 1은 종래의 산화환원 중재자에 의한 전자 이동 반응(electron transfer reaction)을 나타내고 있으며, 아래 반응식 2는 산소 분자와의 능동적인 결합 및 탈착을 반복하는 포피린 기반의 산화환원 중재자에 의한 전자 이동 반응을 나타내고 있다.In other words, unlike the existing redox mediators that only transfer charges, the porphyrin-based electrolyte catalyst has a complex function of actively repeating binding and desorption with oxygen molecules. As an example, Scheme 1 below shows an electron transfer reaction by a conventional redox mediator, and Scheme 2 below shows an electron transfer reaction by a porphyrin-based redox mediator that repeats active binding and desorption with oxygen molecules. An electron transfer reaction is shown.

[반응식 1][Scheme 1]

RM+ + e- → RMRM + + e - → RM

[반응식 2][Scheme 2]

RM(M3+) + O2 + e- → RM(M2+) - O2 RM(M 3+ ) + O 2 + e - → RM(M 2+ ) - O 2

여기서, 반응식 2의 "M"은 포피린 구조의 중심에 위치하는 금속이온을 의미할 수 있다. 이러한 금속이온은 산소와 결합함에 따라 산화수가 달라지며(M2+ ↔ M3+ + e-), 금속이온의 종류에 따라 전기화학적 산화환원 구동전압(Redox potential)이 변화할 수 있다. 다시 말해, 포피린 내 중심 금속이온의 산화환원 전위에 따라 충전 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)과 방전 반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)을 촉진하는 정도가 달라지게 되기 때문에, 최적의 중심 금속이온을 도입하는 것이 중요하다.Here, "M" in Scheme 2 may mean a metal ion located at the center of the porphyrin structure. As these metal ions combine with oxygen, the oxidation number changes (M 2+ ↔ M 3+ + e - ), and the electrochemical redox driving voltage (Redox potential) may change depending on the type of metal ion. In other words, since the degree of promoting the charging reaction (Oxygen Evolution Reaction, OER) and the discharging reaction (Oxygen Reduction Reaction, ORR) varies depending on the redox potential of the central metal ion in the porphyrin, the optimal central metal ion is introduced. it is important to do

또한, 본 실시예에 따른 포피린 기반 산화환원 중재자는 중심 금속(M)을 치환함에 따라 용해성 촉매의 반응 전압을 튜닝할 수 있으며, 다양한 기능기들(일례로, CO2H, SCH3, NO2, OH, NH2, SH)을 결착함에 따라 용해성 촉매에 반응하는 물질군의 종류를 튜닝할 수 있다.In addition, the porphyrin-based redox mediator according to this embodiment can tune the reaction voltage of the soluble catalyst by substituting the central metal (M), and various functional groups (eg, CO 2 H, SCH 3 , NO 2 ) , OH, NH 2 , SH), it is possible to tune the type of substance group that reacts to the soluble catalyst.

이처럼, 본 발명의 실시예에서는 포피린을 전해액 촉매로 도입함으로써, 리튬 산소 전지나 대기 분위기의 리튬 공기 전지와 같은 리튬 전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 중심 금속이온을 치환시켜 전해질 촉매의 산화환원특성 및 충방전시 촉매 활성을 조절할 수 있다.As such, in the embodiment of the present invention, by introducing porphyrin as an electrolyte catalyst, the performance of a lithium battery such as a lithium oxygen battery or a lithium-air battery in an atmospheric atmosphere can be improved, and the redox characteristics of the electrolyte catalyst by substituting a central metal ion and Catalyst activity can be adjusted during charging and discharging.

또한, 충전 반응 활성용 포피린 촉매와 방전 반응 활성용 포피린 촉매를 구분하며, 두 가지의 서로 다른 포피린 촉매를 적절히 혼합함으로써, 충방전 시 이중 기능성(bifunctional)을 갖는 포피린 촉매를 제공할 수 있다.In addition, by distinguishing the porphyrin catalyst for charge reaction activity and the porphyrin catalyst for discharge reaction activity, and by appropriately mixing two different porphyrin catalysts, a porphyrin catalyst having bifunctionality during charge and discharge can be provided.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 산소 퍼지 셀에서의 CV(cyclic voltammetry) 측정결과의 예를 도시한 그래프들이다. 도 2 및 도 3의 그래프들은 리튬비스마이드(LiTFSI)와 TEGDME(Tetraethylene glycol dimethyl ether)가 혼합된 전해질을 이용하고, 주사속도(scan rate)가 5mVs-1인 조건에서, 다양한 전해질 촉매를 사용한 경우의 산소 퍼지 셀(O2 Purged Cell)에서의 CV 측정결과를 나타내고 있다. 여기서 다양한 전해질 촉매로서 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine), 중심 금속이온으로 티타늄 이온을 치환한 포피린(Ti-Porphyrin), 중심 금속이온으로 구리 이온을 치환한 포피린(Cu-Porphyrin), 중심 금속이온으로 철 이온을 치환한 포피린(Fe-Porphyrin), 중심 금속이온으로 아연 이온을 치환한 포피린(Zn-Porphyrin), 중심 금속이온으로 바나듐 이온을 치환한 포피린(V-Porphyrin), 중심 금속이온으로 망간 이온을 치환한 포피린(Mn-Porphyrin), 중심 금속이온으로 니켈 이온을 치환한 포피린(Ni-Porphyrin), 중심 금속이온으로 코발트 이온을 치환한 포피린(Co-Porphyrin) 및 Cu-중심 클로로필린(Cu-centered Chlorophyllin)가 각각 활용되었다. 이러한 측정 결과에 따르면, 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)에서는 Zn-Porphyrin, Ni-Porphyrin, V-Porphyrin, Cu-Porphyrin, Fe-Porphyrin, Co-Porphyrin의 순서로 산소발생반응 촉매 활성이 높았으며, 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)에서는 Mn-Porphyrin, Fe-Porphyrin, Zn-Porphyrin, V-Porphyrin, Ni-Porphyrin, Cu-Porphyrin, Co-Porphyrin, Ti-Porphyrin의 순서로 산소환원반응 촉매 활성이 높았다. 2 and 3 are graphs illustrating examples of cyclic voltammetry (CV) measurement results in an oxygen purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions, according to an embodiment of the present invention. The graphs of FIGS. 2 and 3 show the case of using an electrolyte in which lithium bismide (LiTFSI) and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) are mixed, and using various electrolyte catalysts under the condition that the scan rate is 5 mVs −1 CV measurement results in an oxygen purge cell (O 2 Purged Cell) are shown. Here, as various electrolyte catalysts, as shown in FIGS. 2 and 3, a cell (Pristine) that does not introduce a porphyrin catalyst, a porphyrin (Ti-Porphyrin) in which a titanium ion is substituted with a central metal ion, and a copper ion is substituted with a central metal ion One porphyrin (Cu-Porphyrin), a porphyrin in which an iron ion is substituted with a central metal ion (Fe-Porphyrin), a porphyrin in which a zinc ion is substituted for a central metal ion (Zn-Porphyrin), and a porphyrin in which a vanadium ion is substituted for a central metal ion (V-Porphyrin), porphyrin with a manganese ion replaced with a central metal ion (Mn-Porphyrin), porphyrin with a nickel ion replaced with a central metal ion (Ni-Porphyrin), and porphyrin with a cobalt ion replaced with a central metal ion (Co) -Porphyrin) and Cu-centered chlorophyllin were utilized, respectively. According to these measurement results, in the oxygen evolution reaction (OER), the catalytic activity of the oxygen evolution reaction was high in the order of Zn-Porphyrin, Ni-Porphyrin, V-Porphyrin, Cu-Porphyrin, Fe-Porphyrin, and Co-Porphyrin. In the oxygen reduction reaction (ORR), the oxygen reduction reaction is in the order of Mn-Porphyrin, Fe-Porphyrin, Zn-Porphyrin, V-Porphyrin, Ni-Porphyrin, Cu-Porphyrin, Co-Porphyrin, and Ti-Porphyrin. The catalytic activity was high.

다시 말해, 도 2 및 도 3의 그래프들은 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)이나 Cu-중심 클로로필린(Cu-centered Chlorophyllin)보다 특정 금속이온이 치환된 포피린들의 산소 퍼지 셀에서의 촉매 활성이 상대적으로 높음을 나타내고 있다. 또한, 산소 퍼지 셀에서의 충전 반응 활성에 적절한 포피린 촉매와 방전 반응 활성에 적절한 포피린 촉매가 상이함을 알 수 있다.In other words, the graphs of FIGS. 2 and 3 show that the catalytic activity in the oxygen purge cell of the porphyrins substituted with specific metal ions is higher than that of the cell (Pristine) or Cu-centered Chlorophyllin without the introduction of the porphyrin catalyst. indicates relatively high. In addition, it can be seen that the porphyrin catalyst suitable for the charge reaction activity in the oxygen purge cell and the porphyrin catalyst suitable for the discharge reaction activity are different.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 산소 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프들이다. 도 4 및 도 5의 그래프들은 Cu-중심 클로로필린(Cu-centered Chlorophyllin)을 제외한 모든 포피린들이 충전 영역(OER영역)에서 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)보다 더 낮은 과전압을 가짐(Mn-Porphyrin > Zn-Porphyrin > Co-Porphyrin > Fe-Porphyrin = V-Porphyrin > Ni-Porphyrin = Ti-Porphyrin > Cu-Porphyrin)을 나타내고 있다. Mn-porphyrin의 경우 방전의 반응 시작 전압이 약 2.87V 로 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)에서의 2.5 V보다 높아 방전 영역(ORR 영역)에서도 우수함을 나타내고 있다. Co-porphyrin 및 Zn-porphyrin의 경우 ORR영역에서 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)보다 방전 과전압(discharge overpotential)이 크며 그 외의 나머지 포피린들은 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)과 큰 차이가 없었다.4 and 5 are graphs showing examples of charge/discharge curves in an oxygen purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions in an embodiment of the present invention. The graphs of FIGS. 4 and 5 show that all porphyrins except Cu-centered chlorophyllin have a lower overvoltage than that of the cell (Pristine) without introducing the porphyrin catalyst in the charging region (OER region) (Mn- Porphyrin > Zn-Porphyrin > Co-Porphyrin > Fe-Porphyrin = V-Porphyrin > Ni-Porphyrin = Ti-Porphyrin > Cu-Porphyrin). In the case of Mn-porphyrin, the reaction start voltage of the discharge is about 2.87 V, which is higher than 2.5 V in the cell (pristine) without the introduction of the porphyrin catalyst, indicating that it is excellent in the discharge region (ORR region). In the case of co-porphyrin and Zn-porphyrin, the discharge overpotential is greater than that of the cell without the porphyrin catalyst (Pristine) in the ORR region, and the other porphyrins have a significant difference from the cell without the porphyrin catalyst (Pristine). there was no

도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프들이다. 도 6 및 도 7의 그래프들은 리튬비스마이드(LiTFSI)와 TEGDME(Tetraethylene glycol dimethyl ether)가 혼합된 전해질을 이용하고, 주사속도(scan rate)가 5mVs-1인 조건에서, 다양한 전해질 촉매를 사용한 경우의 공기 퍼지 셀(Air Purged Cell)에서의 CV 측정결과를 나타내고 있다. 이러한 측정 결과에 따르면, 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)에서는 도 2 및 도 3을 통해 설명한 산소 퍼지 셀에서와 달리, Mn-Porphyrin, Ni-Porphyrin, Co-Porphyrin, Cu-Porphyrin, Fe-Porphyrin, V-Porphyrin, Zn-Porphyrin의 순서로 산소발생반응 촉매 활성이 높았다. 또한, 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)에서도 도 2 및 도 3을 통해 설명한 산소 퍼지 셀에서와 달리, Mn-Porphyrin, Ti-Porphyrin, Fe-Porphyrin, Co-Porphyrin, Zn-Porphyrin, Ni-Porphyrin, Cu-Porphyrin의 순서로 산소환원반응 촉매 활성이 높았다.6 and 7 are graphs showing examples of CV measurement results in an air purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions in an embodiment of the present invention. The graphs of FIGS. 6 and 7 show the case of using an electrolyte in which lithium bismide (LiTFSI) and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) are mixed, and using various electrolyte catalysts under the condition that the scan rate is 5 mVs −1 . CV measurement results in an air purged cell of According to these measurement results, in the oxygen evolution reaction (OER), unlike in the oxygen purge cell described with reference to FIGS. 2 and 3 , Mn-Porphyrin, Ni-Porphyrin, Co-Porphyrin, Cu-Porphyrin, Fe- In the order of Porphyrin, V-Porphyrin, and Zn-Porphyrin, the catalytic activity of oxygen evolution reaction was high. Also, in the oxygen reduction reaction (ORR), unlike in the oxygen purge cell described with reference to FIGS. 2 and 3 , Mn-Porphyrin, Ti-Porphyrin, Fe-Porphyrin, Co-Porphyrin, Zn-Porphyrin, Ni- In the order of Porphyrin and Cu-Porphyrin, the oxygen reduction reaction catalytic activity was high.

그럼에도 불구하고, 도 6 및 도 7의 그래프들은 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)이나 Cu-중심 클로로필린(Cu-centered Chlorophyllin)보다 특정 금속이온이 치환된 포피린들의 공기 퍼지 셀에서의 촉매 활성이 상대적으로 높음을 나타내고 있다. 또한, 공기 퍼지 셀에서도 충전 반응 활성에 적절한 포피린 촉매와 방전 반응 활성에 적절한 포피린 촉매가 상이함을 알 수 있다.Nevertheless, the graphs of FIGS. 6 and 7 show the catalytic activity in the air purge cell of the porphyrins substituted with specific metal ions rather than the cells (Pristine) or Cu-centered chlorophyllin without the introduction of the porphyrin catalyst. This indicates that it is relatively high. In addition, in the air purge cell, it can be seen that the porphyrin catalyst suitable for the charge reaction activity and the porphyrin catalyst suitable for the discharge reaction activity are different.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 다양한 금속이온을 포함하는 포피린 촉매를 이용한 공기 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프들이다. 도 8 및 도 9의 그래프들에서는 모든 종류의 포피린들이 충전 영역(OER영역)에서 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)보다 더 낮은 과전압을 가짐(Mn-Porphyrin > Co-Porphyrin, Ni-Porphyrin, Fe-Porphyrin > Zn-Porphyrin, Ti-Porphyrin, V-Porphyrin > Cu-Porphyrin > Cu-centered chloropyllin)을 나타내고 있다. 또한, 방전 영역(ORR영역)에서는 대부분의 포피린들이 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)과 비슷함을 나타내고 있다.8 and 9 are graphs showing examples of charge/discharge curves in an air purge cell using a porphyrin catalyst including various metal ions in an embodiment of the present invention. In the graphs of FIGS. 8 and 9, all types of porphyrins have a lower overvoltage than the cell (Pristine) without introducing the porphyrin catalyst in the charging region (OER region) (Mn-Porphyrin > Co-Porphyrin, Ni-Porphyrin, Fe-Porphyrin > Zn-Porphyrin, Ti-Porphyrin, V-Porphyrin > Cu-Porphyrin > Cu-centered chloropyllin). In addition, in the discharge region (ORR region), most of the porphyrins are similar to the cell (Pristine) to which the porphyrin catalyst is not introduced.

한편, 이미 설명한 바와 같이, 산소 퍼지 셀과 공기 퍼지 셀 모두에서 충전 반응 활성에 적절한 포피린 촉매와 방전 반응 활성에 적절한 포피린 촉매가 상이함을 알 수 있다. 이에 이하에서는 충전 반응 활성용 포피린 촉매와 방전 반응 활성용 포피린 촉매를 구분하며, 두 가지의 서로 다른 포피린 촉매를 적절히 혼합함으로써, 충방전 시 이중 기능성(bifunctional)을 갖는 포피린 촉매에 대해 설명한다.On the other hand, as already described, it can be seen that the porphyrin catalyst suitable for the charge reaction activity and the porphyrin catalyst suitable for the discharge reaction activity are different in both the oxygen purge cell and the air purge cell. Hereinafter, the porphyrin catalyst for charge reaction activity and the porphyrin catalyst for discharge reaction activity are distinguished, and two different porphyrin catalysts are appropriately mixed to describe a porphyrin catalyst having bifunctionality during charge and discharge.

도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 니켈과 바나듐을 혼합한 경우의 산소 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다. 도 10의 실시예에서는 중심 금속이온으로 니켈(Ni) 이온을 사용한 포피린 촉매와 중심 금속이온으로 바나듐(V)을 사용한 포피린 촉매를 혼합(Ni + V blending)하여 전해액에 첨가한 산소 퍼지 셀에서의 CV 측정결과를 나타내고 있다. 이때, 도 10의 그래프는 Ni + V blending의 경우 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine)과 비교하였을 때 OER 영역과 ORR 영역에서는 촉매 효과를 보이지만 Ni-porphyrin와 V-porphyrin 각각의 물질과 개별로 비교했을 때는 그 효과가 감소함을 나타내고 있다.10 is a graph showing an example of CV measurement results in an oxygen purge cell when nickel and vanadium are mixed according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 10, a porphyrin catalyst using nickel (Ni) ions as a central metal ion and a porphyrin catalyst using vanadium (V) as a central metal ion are mixed (Ni + V blending) and added to the electrolyte in the oxygen purge cell. CV measurement results are shown. At this time, the graph of FIG. 10 shows the catalytic effect in the OER region and the ORR region when compared to the cell (Pristine) without the introduction of the porphyrin catalyst in the case of Ni + V blending, but Ni-porphyrin and V-porphyrin each material separately When compared, it shows that the effect is reduced.

도 11은 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 산소 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다. 도 11의 실시예에서는 중심 금속이온으로 아연(Zn) 이온을 사용한 포피린 촉매와 중심 금속이온으로 망간(Mn)을 사용한 포피린 촉매를 혼합(Zn + Mn blending)하여 전해액에 첨가한 산소 퍼지 셀에서의 CV 측정결과를 나타내고 있다. 이때, 도 11의 그래프는 Zn + Mn blending 역시 Zn-porphyrin와 Mn-porphyrin 각각의 물질을 촉매로 사용한 경우의 촉매 효과를 동시에 가지기 보다 오히려 Mn-porphyrin만 사용한 경우와 비슷한 개형을 보이고 있다.11 is a graph showing an example of CV measurement results in an oxygen purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 11, a porphyrin catalyst using zinc (Zn) ions as a central metal ion and a porphyrin catalyst using manganese (Mn) as a central metal ion are mixed (Zn + Mn blending) in an oxygen purge cell added to the electrolyte. CV measurement results are shown. At this time, in the graph of FIG. 11 , Zn + Mn blending also shows a similar shape to that in the case of using only Mn-porphyrin rather than simultaneously having a catalytic effect when using each of Zn-porphyrin and Mn-porphyrin as a catalyst.

도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 니켈과 바나듐을 혼합한 경우의 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다. 도 12의 실시예에서는 중심 금속이온으로 니켈(Ni) 이온을 사용한 포피린 촉매와 중심 금속이온으로 바나듐(V)을 사용한 포피린 촉매를 혼합(Ni + V blending)하여 전해액에 첨가한 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과를 나타내고 있다. 이때, 도 12의 그래프는 Ni + V blending이 Ni-porphyrin와 V-porphyrin 각각의 물질과 개별로 비교했을 때, 그 효과가 감소함을 나타내고 있다.12 is a graph illustrating an example of CV measurement results in an air purge cell when nickel and vanadium are mixed according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 12, a porphyrin catalyst using nickel (Ni) ions as a central metal ion and a porphyrin catalyst using vanadium (V) as a central metal ion are mixed (Ni + V blending) in an air purge cell added to the electrolyte. CV measurement results are shown. At this time, the graph of FIG. 12 shows that when Ni + V blending is compared with each of Ni-porphyrin and V-porphyrin individually, the effect is reduced.

도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과의 예를 도시한 그래프이다. 도 13의 실시예에서는 중심 금속이온으로 아연(Zn) 이온을 사용한 포피린 촉매와 중심 금속이온으로 망간(Mn)을 사용한 포피린 촉매를 혼합(Zn + Mn blending)하여 전해액에 첨가한 공기 퍼지 셀에서의 CV 측정결과를 나타내고 있다. 이때, 도 13의 그래프는 Zn + Mn blending의 경우, 대기(air) Zn-porphyrin와 Mn-porphyrin의 촉매 효과를 동시에 보이며 ORR 영역과 OER 영역 모두에서 촉매 효과가 나타남을 보이고 있다.13 is a graph illustrating an example of CV measurement results in an air purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 13, a porphyrin catalyst using zinc (Zn) ions as a central metal ion and a porphyrin catalyst using manganese (Mn) as a central metal ion are mixed (Zn + Mn blending) in an air purge cell added to the electrolyte. CV measurement results are shown. At this time, the graph of FIG. 13 shows that in the case of Zn + Mn blending, the catalytic effect of air Zn-porphyrin and Mn-porphyrin is simultaneously shown, and the catalytic effect is shown in both the ORR region and the OER region.

도 14는 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 산소 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프이다. 도 14의 실시예에서는 중심 금속이온으로 아연(Zn) 이온을 사용한 포피린 촉매와 중심 금속이온으로 망간(Mn)을 사용한 포피린 촉매를 혼합(Zn + Mn blending)하여 전해액에 첨가한 공기 퍼지 셀에서의 충방전 곡선을 나타내고 있다. 이때, 도 14의 그래프는 Zn + Mn blending의 경우, 산소 분위기에서 포피린 촉매를 도입하지 않은 셀(Pristine) 대비로는 좋은 성능을 보이지만 Zn-porphyrin와 Mn-porphyrin 각각의 물질과 비교하였을 땐 효과가 오히려 감소함을 보이고 있다.14 is a graph illustrating an example of a charge/discharge curve in an oxygen purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 14, a porphyrin catalyst using zinc (Zn) ions as a central metal ion and a porphyrin catalyst using manganese (Mn) as a central metal ion are mixed (Zn + Mn blending) in the air purge cell added to the electrolyte. A charge-discharge curve is shown. At this time, in the graph of FIG. 14, in the case of Zn + Mn blending, compared to the cell (Pristine) without introducing the porphyrin catalyst in an oxygen atmosphere, the performance is good, but when compared with the respective materials of Zn-porphyrin and Mn-porphyrin, the effect is not Rather, it shows a decrease.

도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 아연과 망간을 혼합한 경우의 공기 퍼지 셀에서의 충방전 곡선의 예를 도시한 그래프이다. 도 15의 실시예에서는 중심 금속이온으로 아연(Zn) 이온을 사용한 포피린 촉매와 중심 금속이온으로 망간(Mn)을 사용한 포피린 촉매를 혼합(Zn + Mn blending)하여 전해액에 첨가한 공기 퍼지 셀에서의 충방전 곡선을 나타내고 있다. 이때, 도 15의 그래프는 Zn + Mn blending의 경우, 대기 분위기에서 혼합하였을 때, Zn-porphyrin와 Mn-porphyrin가 개별로 존재할 때보다 더 낮은 과전압과 더 높은 방전 반응 시작 전압(약 2.9 V)을 보임으로써, 그 촉매 효과가 도 15의 CV 측정결과와 동일하게 실제 충방전 실험에서도 증명되었다.15 is a graph illustrating an example of a charge/discharge curve in an air purge cell when zinc and manganese are mixed according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 15, a porphyrin catalyst using zinc (Zn) ions as a central metal ion and a porphyrin catalyst using manganese (Mn) as a central metal ion are mixed (Zn + Mn blending) in the air purge cell added to the electrolyte. A charge-discharge curve is shown. At this time, the graph of FIG. 15 shows a lower overvoltage and a higher discharge reaction start voltage (about 2.9 V) than when Zn-porphyrin and Mn-porphyrin exist separately in the case of Zn + Mn blending when mixed in an atmospheric atmosphere. As shown, the catalytic effect was verified in the actual charge/discharge experiment as in the CV measurement result of FIG. 15 .

한편, 이상의 설명에서는 포피린 촉매의 중심 금속이온으로서 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe), 아연(Zn), 바나듐(V), 망간(Mn), 니켈(Ni-Porphyrin) 및 코발트(Co) 중 적어도 하나의 금속의 이온을 설명하고 있으나, 포피린 촉매의 중심에 치환될 수 있는 금속이온은 전이금속의 이온으로 확장될 수 있다.Meanwhile, in the above description, titanium (Ti), copper (Cu), iron (Fe), zinc (Zn), vanadium (V), manganese (Mn), nickel (Ni-Porphyrin) and cobalt as the central metal ion of the porphyrin catalyst Although the ion of at least one metal among (Co) is described, the metal ion that can be substituted in the center of the porphyrin catalyst can be extended to the ion of the transition metal.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and are not limited to these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (7)

포피린(porphyrin)의 중심 금속을 전이금속으로 치환한 포피린계 촉매를 포함하고,
상기 포피린의 중심 금속으로서 치환된 금속이 대기(air) 분위기에서 리튬 전지용 양극의 활물질로서의 산소와 결합 및 탈착하고,
상기 포피린계 촉매는 포피린의 중심 금속을 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe), 아연(Zn), 바나듐(V), 망간(Mn), 니켈(Ni-Porphyrin) 및 코발트(Co)를 포함하는 금속 그룹에서 선택된 제1 금속으로 치환한 제1 포피린계 촉매 및 상기 포피린의 중심 금속을 상기 금속 그룹에서 선택되고 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속으로 치환한 제2 포피린계 촉매를 포함하고,
상기 제1 금속 및 상기 제2 금속으로 선택되는 금속의 종류에 따라 상기 제1 포피린계 촉매 및 상기 제2 포피린계 촉매의 촉매 효과가 달라지는 것
을 특징으로 하는 촉매 시스템.
It contains a porphyrin-based catalyst in which the central metal of porphyrin is substituted with a transition metal,
The metal substituted as the central metal of the porphyrin binds and desorbs with oxygen as an active material of the positive electrode for a lithium battery in an air atmosphere,
The porphyrin-based catalyst uses titanium (Ti), copper (Cu), iron (Fe), zinc (Zn), vanadium (V), manganese (Mn), nickel (Ni-Porphyrin) and cobalt (Co) as the central metal of porphyrin. ) a first porphyrin-based catalyst substituted with a first metal selected from the group containing including,
The catalytic effects of the first porphyrin-based catalyst and the second porphyrin-based catalyst vary depending on the type of metal selected as the first metal and the second metal
Catalyst system characterized in that.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 포피린계 촉매는 리튬 전지용 음극에서 발생된 리튬 이온을 리튬 전지용 양극으로 전달하는 전해질에 포함되는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
According to claim 1,
The porphyrin-based catalyst is a catalyst system, characterized in that it is included in the electrolyte for transferring lithium ions generated in the negative electrode for a lithium battery to the positive electrode for a lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 포피린의 중심에 위치하는 중심 금속의 이온이 리튬 전지용 양극의 활물질로서의 산소와 결합 및 탈착함에 따라 상기 중심 금속의 이온의 산화수가 변화하며 상기 리튬 전지용 양극을 위한 전자 이동 반응(electron transfer reaction)을 도출하는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
According to claim 1,
As the ion of the central metal located in the center of the porphyrin binds to and desorbs oxygen as the active material of the positive electrode for a lithium battery, the oxidation number of the ion of the central metal changes, and an electron transfer reaction for the positive electrode for the lithium battery is performed. Catalyst system, characterized in that for deriving.
제1항에 있어서,
상기 포피린의 중심 금속으로서 치환된 금속의 종류에 따른 금속이온의 산화환원 전위에 따라 충전 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 및 방전 반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)을 촉진하는 정도가 상이한 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
According to claim 1,
The degree of promoting the charge reaction (Oxygen Evolution Reaction, OER) and the discharge reaction (ORR) is different according to the redox potential of the metal ion according to the type of metal substituted as the central metal of the porphyrin. catalyst system.
제1항에 있어서,
상기 포피린의 중심 금속으로서 치환된 금속의 이온이 산소 분위기에서 리튬 전지용 양극의 활물질로서의 산소와 결합 및 탈착하는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
According to claim 1,
Catalyst system, characterized in that the ion of the substituted metal as the central metal of the porphyrin binds and desorbs with oxygen as the active material of the positive electrode for a lithium battery in an oxygen atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 포피린의 중심 금속으로서 치환된 금속의 이온이 대기(air) 분위기에서 리튬 전지용 양극의 활물질로서의 산소와 결합 및 탈착하는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
According to claim 1,
Catalyst system, characterized in that the ion of the substituted metal as the central metal of the porphyrin binds and desorbs with oxygen as the active material of the positive electrode for a lithium battery in an air atmosphere.
KR1020200009671A 2020-01-28 2020-01-28 Porphyrin based catalyst system, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery KR102287470B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200009671A KR102287470B1 (en) 2020-01-28 2020-01-28 Porphyrin based catalyst system, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery
PCT/KR2020/009940 WO2021153865A1 (en) 2020-01-28 2020-07-28 Porphyrin-based catalyst system, cathode using catalyst system for lithium battery, and lithium battery comprising cathode for lithium battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200009671A KR102287470B1 (en) 2020-01-28 2020-01-28 Porphyrin based catalyst system, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210096355A KR20210096355A (en) 2021-08-05
KR102287470B1 true KR102287470B1 (en) 2021-08-09

Family

ID=77313070

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200009671A KR102287470B1 (en) 2020-01-28 2020-01-28 Porphyrin based catalyst system, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102287470B1 (en)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120063163A (en) * 2010-12-07 2012-06-15 삼성전자주식회사 Lithium air battery

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210096355A (en) 2021-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7767345B2 (en) Lithium-air battery
EP2752925B1 (en) Use of a positive electrode material in a sodium battery, and sodium battery comprising said positive electrode active material
JP5023936B2 (en) Cathode catalyst and lithium-air secondary battery
KR102287471B1 (en) Cathode of lithium battery using porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery
JP6310420B2 (en) Lithium air secondary battery
KR102287470B1 (en) Porphyrin based catalyst system, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery
KR102287467B1 (en) Catalyst system based on porphyrins including different center metals, cathode of lithium battery using the porphyrin based catalyst system, and lithium battery including the cathode of lithium battery
WO2021153865A1 (en) Porphyrin-based catalyst system, cathode using catalyst system for lithium battery, and lithium battery comprising cathode for lithium battery
JP6673767B2 (en) Aluminum air battery
Sripad et al. The Iron-Age of Storage Batteries: Techno-Economic Promises and Challenges
JP6769927B2 (en) Lithium air secondary battery
JP6769926B2 (en) Lithium air secondary battery
JP6695302B2 (en) Lithium air secondary battery
JP6688210B2 (en) Separator and lithium-air secondary battery
KR101897523B1 (en) Catalyst compelx material for metal air battery and metal air battery having the same
JP6487314B2 (en) Lithium air secondary battery and electrolyte for lithium air secondary battery
WO2023096075A1 (en) Positive electrode for carbon dioxide battery using porphyrin-based catalyst system and carbon dioxide battery comprising positive electrode for carbon dioxide battery
KR101282961B1 (en) Fabrication method of λ-phase MnO2 electrode for air cathode using electron beam irradiation, and the λ-phase MnO2 electrode for air cathode
JP6378646B2 (en) Lithium air secondary battery
US11456498B2 (en) Lithium air secondary battery
JP7417226B2 (en) metal air battery
JP6639050B2 (en) Lithium air secondary battery
JP6778673B2 (en) Lithium air secondary battery
JP6711700B2 (en) Lithium air secondary battery
JPH067495B2 (en) Gas regenerative secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant