KR102336814B1 - Biocompatible electrode active material and method of manufacturing thereof and super capacitor including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 생체적합성 전극활물질 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기화학적 반응을 수반하며, 생체 적합한 특성을 갖는 생체적합성 전극활물질 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 슈퍼커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a biocompatible electrode active material, a method for producing the same, and a supercapacitor having the same, and more particularly, to a biocompatible electrode active material having biocompatible properties and a method for producing the same, and a supercapacitor having the same It's about capacitors.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충ㆍ방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다. Among next-generation energy storage devices, supercapacitors are in the spotlight as a next-generation energy storage device due to their fast charging/discharging speed, high stability, and eco-friendly characteristics. A typical supercapacitor is composed of a porous electrode, a current collector, a separator, and an electrolyte.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라, 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원, 생체 삽입 의료기기용 슈퍼커패시터 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Supercapacitors are also referred to as Electric Double Layer Capacitors (EDLC) or Ultra-capacitors, which are a pair of charge layers ( It is a device that does not require maintenance because deterioration due to repeated charging/discharging operations is very small. Accordingly, supercapacitors are mainly used in the form of backing up IC (integrated circuit) of various electric and electronic devices, and their use has recently been expanded to toys, solar energy storage, HEV (hybrid electric vehicle) power supply, bio-inserted medical devices It has been widely applied to supercapacitors for equipment, etc.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2 ~ 6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.Such a supercapacitor generally includes two electrodes of an anode and a cathode impregnated with an electrolyte, and a separator of a porous material that is interposed between these two electrodes to allow only ion conduction and to prevent insulation and short circuit, and the electrolyte; It has a unit cell composed of a gasket for preventing leakage and insulation and short circuit, and a metal cap as a conductor for packaging them. And it is completed by stacking one or more unit cells (usually, 2 to 6 in case of coin type) configured as above in series and combining the two terminals of the positive and negative electrodes.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 최근에는 고전압에서도 안정적으로 작동할 수 있는 슈퍼커패시터를 제조하기 위하여, 고전압에 적합한 전극활물질, 전해액, 밀봉재 등의 커패시터 부품들에 대한 핵심 소재 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. The performance of a supercapacitor is determined by the electrode active material and electrolyte, and in particular, the main performance such as capacitance is mostly determined by the electrode active material. Recently, in order to manufacture a supercapacitor that can operate stably even at a high voltage, development of core material technology for capacitor components such as an electrode active material suitable for a high voltage, an electrolyte, and a sealing material is being actively conducted.
본 발명의 발명자들은 전기화학적 반응을 수반하며, 생체 적합한 특성을 갖는 전극활물질을 개발하여 인체 삽입 의료기기용 슈퍼커패시터에 적용하는 것을 시도하였다.The inventors of the present invention tried to develop an electrode active material that is accompanied by an electrochemical reaction and has biocompatible properties and applied it to a supercapacitor for a medical device inserted into the human body.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1734822호(2017.05.12. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 생체 내 에너지 저장 시스템 및 이를 이용한 생체 내 에너지 저장 방법이 기재되어 있다.As a related prior document, there is Republic of Korea Patent Registration No. 10-1734822 (published on May 12, 2017), which describes an in vivo energy storage system and an in vivo energy storage method using the same.
본 발명의 목적은 전기화학적 반응을 수반하며, 생체 적합한 특성을 갖는 생체적합성 전극활물질 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 슈퍼커패시터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a biocompatible electrode active material accompanied by an electrochemical reaction and having biocompatible properties, a method for manufacturing the same, and a supercapacitor having the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 하기 [화학식 1]의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.A biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is characterized in that it consists of a compound having a structure of the following [Formula 1].
[화학식 1] : ATiOPO4 [Formula 1]: ATiOPO 4
(여기서, [A]는 Na 또는 K 임.)(Where [A] is Na or K.)
상기 [화학식 1]의 구조를 갖는 것에 의해, 체액에서 전기화학 반응을 통하여 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용된다.By having the structure of the above [Formula 1], it is used as an electrode active material of a supercapacitor through an electrochemical reaction in a body fluid.
아울러, 상기 전극활물질은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄 중 선택된 1종 이상의 탄소재를 더 포함하며, 상기 탄소재와의 혼합으로 복합화가 가능하다.In addition, the electrode active material further includes at least one carbon material selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, and activated carbon, and can be composited by mixing with the carbon material.
또한, 상기 전극활물질은 Na 또는 K를 함유하는 전해질에서 전기화학 반응을 수반한다.In addition, the electrode active material is accompanied by an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K.
여기서, 상기 전해질은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 상기 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함한다.Here, the electrolyte is MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K.) An electrolyte salt comprising at least one selected from, and a solvent for dissolving the electrolyte salt includes
아울러, 상기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the solvent is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane ( DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and may include one or more selected from water.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질 제조 방법은 (a) 출발물질인 Na4TiPO4를 합성하는 단계; (b) 상기 합성된 Na4TiPO4를 질산칼륨 또는 질산나트륨과 혼합하고 80 ~ 120℃에서 중탕한 후, 교반하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 결과물을 250 ~ 350℃로 가열하면서 교반한 후, 증류수를 이용하여 pH 6.5 ~ 7.5가 될 때까지 중화시키고 여과한 후 건조하여 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 전극활물질을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for preparing a biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes the steps of: (a) synthesizing Na 4 TiPO 4 as a starting material; (b) mixing the synthesized Na 4 TiPO 4 with potassium nitrate or sodium nitrate and bathing at 80 to 120° C., followed by stirring; And (c) the resultant of step (b) is stirred while heating to 250 ~ 350 ℃, neutralized until pH 6.5 ~ 7.5 using distilled water, filtered and dried to a compound having a structure of the following formula (1) It characterized in that it comprises; obtaining an electrode active material consisting of.
[화학식 1] : ATiOPO4 [Formula 1]: ATiOPO 4
(여기서, [A]는 Na 또는 K 임.)(Where [A] is Na or K.)
여기서, 상기 (a) 단계는, (a-1) Ti(SO4)2를 증류수에 용해시킨 후, H3PO4와 NH3H2O를 첨가하고 5 ~ 7시간 동안 교반하는 단계; (a-2) 상기 교반된 결과물을 마이크로 웨이브 용기에 투입하여 마이크로 웨이브 처리하는 단계; 및 (a-3) 상기 마스크 웨이브 처리된 결과물을 증류수에 교반하여 pH 6.5 ~ 7.5가 될 때까지 세척한 후 여과하고, 100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 건조하여 Na4TiPO4를 수득하는 단계;를 포함한다.Here, the step (a) is, (a-1) after dissolving Ti(SO 4 ) 2 in distilled water, adding H 3 PO 4 and NH 3 H 2 O and stirring for 5 to 7 hours; (a-2) microwave-treating the stirred resultant into a microwave container; And (a-3) the resultant mask wave treatment is stirred in distilled water, washed until pH is 6.5 to 7.5, filtered, and dried at 100 to 140° C. for 20 to 30 hours to obtain Na 4 TiPO 4 . step; includes.
상기 마이크로 웨이브 처리는 350 ~ 450W 및 250 ~ 350psi 조건으로 10 ~ 30분 동안 실시하는 것이 바람직하다.The microwave treatment is preferably performed for 10 to 30 minutes under conditions of 350 to 450W and 250 to 350 psi.
상기 (b) 단계에서, 상기 Na4TiPO4와 질산칼륨 또는 질산나트륨은 1 : 2 ~ 1 : 4의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.In step (b), the Na 4 TiPO 4 and potassium nitrate or sodium nitrate is preferably mixed in a weight ratio of 1: 2 to 1: 4.
상기 (c) 단계에서, 상기 건조는 100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 실시한다.In step (c), the drying is carried out at 100 ~ 140 ℃ for 20 ~ 30 hours.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질을 갖는 슈퍼커패시터는 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고, In a supercapacitor having a biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the positive electrode and the negative electrode are spaced apart from each other, and between the positive electrode and the negative electrode, to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode A separator is disposed for the anode and the cathode are impregnated in the electrolyte of the supercapacitor,
상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, Each of the positive and negative electrodes includes an electrode active material, a conductive material and a binder,
상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는, At least one of the electrode active material of the positive electrode and the negative electrode,
하기 [화학식 1]의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it consists of a compound having the structure of the following [Formula 1].
[화학식 1] : ATiOPO4 [Formula 1]: ATiOPO 4
(여기서, [A]는 Na 또는 K 임.)(Where [A] is Na or K.)
이때, 상기 전해질은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 상기 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함한다.In this case, the electrolyte is MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K.) An electrolyte salt comprising at least one selected from, and a solvent for dissolving the electrolyte salt includes
아울러, 상기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the solvent is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane ( DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and may include one or more selected from water.
본 발명에 따른 생체적합성 전극활물질은 NaTiOPO4 또는 KTiOPO4의 구조를 갖는 화합물로 이루어지는 것에 의해, 체액 내에서 전기화학적 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.The biocompatible electrode active material according to the present invention is composed of a compound having a structure of NaTiOPO 4 or KTiOPO 4 , and thus accompanies an electrochemical reaction in a body fluid, and has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body.
이 결과, 본 발명에 따른 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 가지므로, 슈퍼커패시터 전극의 MTT assay(세포 증식 및 사멸도 변화 평가) 시험 결과 3일 이상의 세포 생존율 시험에서 90% 이상의 세포 생존율을 나타내는 것을 확인하였다.As a result, since the biocompatible electrode active material according to the present invention has excellent biocompatibility due to low toxicity to the living body, the MTT assay (cell proliferation and apoptosis change) test result of the supercapacitor electrode showed 90 in the cell viability test for more than 3 days. It was confirmed that the cell viability of % or more was exhibited.
아울러, 본 발명에 따른 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적으므로 생체 삽입 의료기기용 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있다.In addition, since the biocompatible electrode active material according to the present invention has little toxicity to the living body, it can be applied to an energy storage device for an implantable medical device.
따라서, 본 발명에 따른 생체적합성 전극활물질을 슈퍼커패시터용 양극과 음극의 전극활물질로 사용할 시, 우수한 생체적합성을 가지므로 생체 삽입 의료기기 등에 적용할 수 있는 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다.Therefore, when the biocompatible electrode active material according to the present invention is used as an electrode active material for a positive electrode and a negative electrode for a supercapacitor, it has excellent biocompatibility, so that it is possible to provide a supercapacitor that can be applied to a medical device inserted into a living body and the like.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3은 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질을 갖는 슈퍼커패시터에 대한 세포 생존율 시험 결과를 나타낸 그래프.1 is a process flow chart showing a method for manufacturing a biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a process flow chart showing a method of manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the cell viability test results for a supercapacitor having a biocompatible electrode active material prepared according to Examples 1 and 2;
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only this embodiment allows the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 슈퍼커패시터에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a biocompatible electrode active material according to a preferred embodiment of the present invention, a method for manufacturing the same, and a supercapacitor having the same will be described in detail as follows.
본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 전기화학적 반응을 수반하며, 생체 적합한 특성을 갖는다.The biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention accompanies an electrochemical reaction and has biocompatible properties.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 하기 [화학식 1]의 구조를 갖는 화합물로 이루어진다.To this end, the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention consists of a compound having the structure of the following [Formula 1].
[화학식 1] : ATiOPO4 [Formula 1]: ATiOPO 4
여기서, [A]는 Na 또는 K 이다.Here, [A] is Na or K.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 NaTiOPO4 또는 KTiOPO4의 구조를 갖는 화합물이다.That is, the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention is a compound having a structure of NaTiOPO 4 or KTiOPO 4 .
본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 위의 [화학식 1]의 구조를 갖는 것에 의해, 체액에서 전기화학 반응을 통하여 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용된다.The biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention is used as an electrode active material of a supercapacitor through an electrochemical reaction in a body fluid by having the structure of the above [Formula 1].
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 NaTiOPO4 또는 KTiOPO4의 구조를 갖는 화합물로 이루어지는 것에 의해, 체액 내에서 전기화학적 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.As described above, the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention is composed of a compound having a structure of NaTiOPO 4 or KTiOPO 4 , and is accompanied by an electrochemical reaction in a body fluid, and has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body. have
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 가지므로, 슈퍼커패시터 전극의 MTT assay(세포 증식 및 사멸도 변화 평가) 시험 결과 3일 이상의 세포 생존율 시험에서 90% 이상의 세포 생존율을 나타낼 수 있게 된다.As a result, since the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body, the MTT assay (cell proliferation and apoptosis change) test result of the supercapacitor electrode results in a cell viability of 3 days or more It becomes possible to show a cell viability of more than 90% in the test.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄 중 선택된 1종 이상의 탄소재를 더 포함하며, 탄소재와의 혼합으로 복합화가 가능하다.In addition, the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention further includes one or more carbon materials selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, and activated carbon, and can be composited by mixing with the carbon material.
본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 Na 또는 K를 함유하는 전해질에서 전기화학 반응을 수반한다.The biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention involves an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K.
이를 위해, 전해질은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함한다.To this end, the electrolyte is MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K.) An electrolyte salt comprising at least one selected from, and a solvent dissolving the electrolyte salt include
이때, 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.At this time, the solvent is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane (DME) ), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and water.
본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 NaTiOPO4 또는 KTiOPO4의 구조를 갖는 화합물로 이루어지는 것에 의해, 체액 내에서 전기화학적 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.The biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention is composed of a compound having a structure of NaTiOPO 4 or KTiOPO 4 , and is accompanied by an electrochemical reaction in a body fluid, and has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 가지므로, 슈퍼커패시터 전극의 MTT assay(세포 증식 및 사멸도 변화 평가) 시험 결과 3일 이상의 세포 생존율 시험에서 90% 이상의 세포 생존율을 나타내는 것을 확인하였다.As a result, since the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body, the MTT assay (cell proliferation and apoptosis change) test result of the supercapacitor electrode results in a cell viability of 3 days or more It was confirmed that the test exhibited a cell viability of 90% or more.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적으므로 생체 삽입 의료기기용 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있다.In addition, since the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention has little toxicity to the living body, it can be applied to an energy storage device for a medical device inserted into a living body.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질을 슈퍼커패시터용 양극과 음극의 전극활물질로 사용할 시, 우수한 생체적합성을 가지므로 생체 삽입 의료기기 등에 적용할 수 있는 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다.Therefore, when the biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention is used as an electrode active material for a positive electrode and a negative electrode for a supercapacitor, it has excellent biocompatibility, so that it is possible to provide a supercapacitor that can be applied to a bio-inserted medical device.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a process flow chart showing a method for manufacturing a biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질 제조 방법은 출발물질 합성 단계(S10), 혼합 및 중탕 단계(S20), 가열 및 건조 단계(S30)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the method for manufacturing a biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention includes a starting material synthesis step (S10), a mixing and bathing step (S20), and a heating and drying step (S30).
출발물질 합성starting material synthesis
출발물질 합성 단계(S10)에서는 출발물질인 Na4TiPO4를 합성한다.In the starting material synthesis step (S10), the starting material Na 4 TiPO 4 is synthesized.
본 단계에서, 출발물질인 Na4TiPO4를 합성하는 과정은 다음과 같다.In this step, the process of synthesizing the starting material Na 4 TiPO 4 is as follows.
먼저, Ti(SO4)2를 증류수에 완전히 용해시킨 후, H3PO4와 NH3H2O를 첨가하고 5 ~ 7시간 동안 교반한다.First, Ti(SO 4 ) 2 After completely dissolving in distilled water, H 3 PO 4 and NH 3 H 2 O are added and stirred for 5 to 7 hours.
여기서, 교반은 1,000 ~ 3,000rpm의 속도로 5 ~ 7시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 1,000rpm 미만이거나, 교반 시간이 5시간 미만일 경우에는 출발물질들 간의 균일한 혼합이 이루어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 3,000rpm을 초과하거나, 교반 시간이 7시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.Here, the stirring is preferably performed for 5 to 7 hours at a speed of 1,000 to 3,000 rpm. If the stirring speed is less than 1,000 rpm or the stirring time is less than 5 hours, there is a fear that uniform mixing between the starting materials may not be achieved. Conversely, when the stirring speed exceeds 3,000 rpm or the stirring time exceeds 7 hours, it may act as a factor to increase the manufacturing cost without any further effect, so it is not economical.
다음으로, 교반된 결과물을 마이크로 웨이브 용기에 투입하여 마이크로 웨이브 처리한다.Next, the stirred resultant is put into a microwave container and subjected to microwave treatment.
여기서, 마이크로 웨이브 처리는 350 ~ 450W 및 250 ~ 350psi 조건으로 10 ~ 30분 동안 실시하는 것이 바람직하다.Here, the microwave treatment is preferably carried out for 10 to 30 minutes under conditions of 350 ~ 450W and 250 ~ 350psi.
마이크로 웨이브 처리 시간이 10분 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 마이크로 웨이브 처리 시간이 30분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 시간 및 비용만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.If the microwave treatment time is less than 10 minutes, there is a fear that sufficient drying may not be achieved. Conversely, when the microwave treatment time exceeds 30 minutes, it is not economical because it may act as a factor increasing only the manufacturing time and cost without further increasing the effect.
다음으로, 마스크 웨이브 처리된 결과물을 증류수에 교반하여 pH 6.5 ~ 7.5가 될 때까지 세척한 후 여과하고, 100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 건조하여 출발물질인 Na4TiPO4를 수득한다.Next, the resultant mask wave treatment is stirred in distilled water, washed until the pH is 6.5 to 7.5, filtered, and dried at 100 to 140° C. for 20 to 30 hours to obtain Na 4 TiPO 4 as a starting material.
혼합 및 중탕mixing and bathing
혼합 및 중탕 단계(S20)에서는 합성된 Na4TiPO4를 질산칼륨 또는 질산나트륨과 혼합하고 80 ~ 120℃에서 중탕한 후, 교반한다.In the mixing and bathing step (S20), the synthesized Na 4 TiPO 4 is mixed with potassium nitrate or sodium nitrate and bathed at 80 to 120° C., followed by stirring.
본 단계에서, Na4TiPO4와 질산칼륨 또는 질산나트륨은 증류수와 함께 혼합될 수 있다.In this step, Na 4 TiPO 4 and potassium nitrate or sodium nitrate may be mixed with distilled water.
여기서, Na4TiPO4와 질산칼륨 또는 질산나트륨은 1 : 2 ~ 1 : 4의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다. Na4TiPO4와 질산칼륨 또는 질산나트륨의 중량비가 상기의 범위를 벗어날 경우에는 Na4TiPO4의 사용량이 증가하는데 기인하여 제조 비용이 상승할 우려가 있으므로, 바람직하지 않다.Here, Na 4 TiPO 4 and potassium nitrate or sodium nitrate is preferably mixed in a weight ratio of 1: 2 to 1: 4. When the weight ratio of Na 4 TiPO 4 and potassium nitrate or sodium nitrate is out of the above range, the production cost may increase due to an increase in the amount of Na 4 TiPO 4 , which is not preferable.
가열 및 건조heating and drying
가열 및 건조 단계(S30)에서는 혼합 및 중탕 단계(S20)의 결과물을 250 ~ 350℃로 가열하면서 교반한 후, 증류수를 이용하여 pH 6.5 ~ 7.5가 될 때까지 중화시키고 여과한 후 건조하여 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 전극활물질을 수득한다.In the heating and drying step (S30), the resultant of the mixing and bathing step (S20) is stirred while heating to 250 ~ 350 ℃, neutralized using distilled water until the pH is 6.5 ~ 7.5, filtered and dried to obtain the following formula An electrode active material composed of a compound having the structure of 1 is obtained.
[화학식 1] : ATiOPO4 [Formula 1]: ATiOPO 4
여기서, [A]는 Na 또는 K 이다.Here, [A] is Na or K.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 생체적합성 전극활물질은 NaTiOPO4 또는 KTiOPO4의 구조를 갖는 화합물로 이루어지는 것에 의해, 체액 내에서 전기화학적 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.As described above, the biocompatible electrode active material prepared by the method according to an embodiment of the present invention is composed of a compound having a structure of NaTiOPO 4 or KTiOPO 4 , and is accompanied by an electrochemical reaction in a body fluid, and has low toxicity to the living body. It has excellent biocompatibility.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 가지므로, 슈퍼커패시터 전극의 MTT assay(세포 증식 및 사멸도 변화 평가) 시험 결과 3일 이상의 세포 생존율 시험에서 90% 이상의 세포 생존율을 나타낼 수 있게 된다.As a result, since the biocompatible electrode active material prepared by the method according to the embodiment of the present invention has excellent biocompatibility with little toxicity to the living body, MTT assay (cell proliferation and apoptosis change evaluation) test result 3 of the supercapacitor electrode Cell viability of more than 90% can be exhibited in more than one day cell viability test.
본 단계에서, 건조는 100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 100℃ 미만이거나, 건조 시간이 20시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 않아 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 건조 온도가 140℃를 초과하거나, 건조 시간이 30시간을 초과할 경우에는 더 이상이 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In this step, drying is preferably carried out at 100 ~ 140 ℃ for 20 ~ 30 hours. If the drying temperature is less than 100° C. or the drying time is less than 20 hours, sufficient drying may not be achieved, and thus it may be difficult to secure strength. Conversely, when the drying temperature exceeds 140° C. or the drying time exceeds 30 hours, this is not economical because it may act as a factor that increases only the manufacturing cost without increasing the effect.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질 제조 방법이 종료될 수 있다.As described above, the method for manufacturing a biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention may be completed.
전술한 방법에 의해 제조되는 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 전극활물질은 NaTiOPO4 또는 KTiOPO4의 구조를 갖는 화합물로 이루어지는 것에 의해, 체액 내에서 전기화학적 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.The biocompatible electrode active material according to an embodiment of the present invention prepared by the above-described method is composed of a compound having a structure of NaTiOPO 4 or KTiOPO 4 , and is accompanied by an electrochemical reaction in a body fluid, and has low toxicity to the living body. It has excellent biocompatibility.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 가지므로, 슈퍼커패시터 전극의 MTT assay(세포 증식 및 사멸도 변화 평가) 시험 결과 3일 이상의 세포 생존율 시험에서 90% 이상의 세포 생존율을 나타내게 된다.As a result, since the biocompatible electrode active material prepared by the method according to the embodiment of the present invention has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body, MTT assay (cell proliferation and apoptosis change evaluation) test result 3 of the supercapacitor electrode Cell viability of more than 90% is shown in a cell viability test of more than one day.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 생체적합성 전극활물질은 생체에 대한 독성이 적으므로 생체 삽입 의료기기용 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있다.In addition, since the biocompatible electrode active material manufactured by the method according to the embodiment of the present invention has low toxicity to the living body, it can be applied to an energy storage device for an implantable medical device.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 생체적합성 전극활물질을 슈퍼커패시터용 양극과 음극의 전극활물질로 사용할 시, 우수한 생체적합성을 가지므로 생체 삽입 의료기기 등에 적용할 수 있는 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다.Therefore, when the biocompatible electrode active material prepared by the method according to the embodiment of the present invention is used as an electrode active material for a positive electrode and a negative electrode for a supercapacitor, it has excellent biocompatibility, so a supercapacitor that can be applied to a bio-inserted medical device, etc. is provided. can do.
슈퍼커패시터 및 그 제조 방법Supercapacitor and manufacturing method thereof
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.2 is a process flowchart illustrating a method of manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110), 전극 형태로 형성 단계(S120), 슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130) 및 전해액 함침 단계(S140)를 포함한다.As shown in Figure 2, the supercapacitor manufacturing method according to the embodiment of the present invention is a supercapacitor electrode composition forming step (S110), an electrode form forming step (S120), a supercapacitor electrode forming step (S130), and an electrolyte solution It includes an impregnation step (S140).
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성Formation of composition for supercapacitor electrode
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110)에서는 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.In the step of forming the composition for a supercapacitor electrode ( S110 ), a composition for a supercapacitor electrode is prepared by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium.
전극활물질, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.A composition for a supercapacitor electrode including an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium is prepared.
슈퍼커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 전극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 200 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.The composition for a supercapacitor electrode contains 2 to 20 parts by weight of the conductive material based on 100 parts by weight of the electrode active material and the electrode active material, 2 to 20 parts by weight of the binder based on 100 parts by weight of the electrode active material, and 200 to 300 parts by weight of the dispersion medium based on 100 parts by weight of the electrode active material. It is preferable to include wealth.
이러한 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분 ~ 12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.Since such a composition for supercapacitor electrodes is in a doughy state, it may be difficult to uniformly mix (completely disperse). Using a mixer such as a planetary mixer for a predetermined time (eg, 10 minutes to 12 hours) If stirred for a while, a composition for a supercapacitor electrode suitable for electrode manufacturing can be obtained. A mixer such as a planetary mixer enables the preparation of a uniformly mixed composition for a supercapacitor electrode.
전극활물질은 앞서 설명한 생체적합성 전극활물질이 이용된다. 즉, 전극활물질은 NaTiOPO4 또는 KTiOPO4의 구조를 갖는 화합물로 이루어진다. 이에 따라, 전극활물질은 체액 내에서 전기화학적 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.As the electrode active material, the biocompatible electrode active material described above is used. That is, the electrode active material is composed of a compound having a structure of NaTiOPO 4 or KTiOPO 4 . Accordingly, the electrode active material accompanies an electrochemical reaction in the body fluid and has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body.
아울러, 전극활물질은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄 중 선택된 1종 이상의 탄소재를 더 포함하며, 탄소재와의 혼합으로 복합화가 가능하다.In addition, the electrode active material further includes at least one carbon material selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, and activated carbon, and can be composited by mixing with the carbon material.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The binder is polytetrafluoroethylene (PTFE; polytetrafluoroethylene), polyvinylidene fluoride (PVdF; polyvinylidenefloride), carboxymethylcellulose (CMC; carboxymethylcellulose), polyvinyl alcohol (PVA; polyvinyl alcohol), polyvinyl butyral (PVB) ; polyvinyl butyral), polyvinylpyrrolidone (PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), styrene butadiene rubber (SBR), polyamide-imide, polyimide, etc. One selected type or a mixture of two or more types may be used.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not cause chemical change, and examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Super-P black, carbon fiber, copper, nickel, A metal powder, such as aluminum, silver, or a metal fiber, etc. are possible.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.The dispersion medium may be an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene glycol (PG), or water.
전극 형태로 형성formed in the form of an electrode
전극 형태로 형성 단계(S120)에서는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.In the electrode form forming step (S120), the supercapacitor electrode composition is compressed to form an electrode form, or the supercapacitor electrode composition is coated on a metal foil to form an electrode form, or the supercapacitor electrode composition is pressed with a roller to form a sheet It is made into a state of being and attached to a metal foil or a current collector to form an electrode.
전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150℃로 하는 것이 바람직하다.When explaining the example of the step of forming in the form of an electrode in more detail, the composition for a supercapacitor electrode may be molded by compression using a roll press molding machine. The roll press molding machine aims to improve the electrode density and control the thickness of the electrode through rolling, and includes a controller that can control the thickness and heating temperature of the upper and lower rolls and rolls, and a winding that can unwind and wind the electrode. made up of wealth The rolling process proceeds as the electrode in a roll state passes through the roll press, which is then wound into a roll state to complete the electrode. At this time, it is preferable that the pressing pressure of the press is 5 to 20 ton/cm 2 and the temperature of the roll is 0 to 150°C.
또한, 전극 형태로 형성하는 다른 예를 살펴보면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.In addition, looking at another example of forming an electrode in the form of an electrode, the composition for a supercapacitor electrode is coated on a metal foil such as a titanium foil, an aluminum foil, or an aluminum etching foil. Alternatively, the composition for supercapacitor electrodes may be made into a sheet state (rubber type) by pushing the composition with a roller, and may be manufactured in an electrode shape by attaching it to a metal foil or a metal current collector. Here, the aluminum etching foil means that the aluminum foil is etched in a concave-convex shape.
슈퍼커패시터 전극 형성Supercapacitor electrode formation
슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130)에서는 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성한다.In the supercapacitor electrode forming step ( S130 ), the resultant formed in the form of an electrode is dried to form a supercapacitor electrode.
프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃ ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.The composition for supercapacitor electrodes that has been subjected to the press compression process is subjected to a drying process. The drying process is carried out at a temperature of 100 °C to 350 °C, preferably 150 °C to 300 °C. At this time, when the drying temperature is less than 100 ° C., it is not preferable because evaporation of the dispersion medium is difficult, and when drying at a high temperature exceeding 350 ° C., oxidation of the conductive material may occur. Therefore, it is preferable that the drying temperature is at least 100°C or higher and does not exceed 350°C. And, the drying process is preferably carried out at the same temperature as above for 10 minutes to 6 hours. This drying process dries the molded composition for a supercapacitor electrode (evaporating the dispersion medium) and at the same time binds the powder particles to improve the strength of the supercapacitor electrode.
한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the electrode is formed by another example of forming an electrode, it is preferably dried at a temperature of 100 to 250 °C, preferably 150 to 200 °C.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.The supercapacitor electrode manufactured by the above processes (S110 to S130) has a high capacity and can be usefully applied to a small coin-type supercapacitor.
전해액 함침Electrolyte impregnation
전해액 함침 단계(S140)에서는 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 양극 및 음극을 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시킨다.In the electrolyte impregnation step (S140), a supercapacitor electrode is used as an anode and a cathode, a separator is disposed between the anode and the cathode to prevent a short circuit between the anode and the cathode, and the anode and the cathode are immersed in the electrolyte of the supercapacitor.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함한다.Here, the electrolyte of the supercapacitor is an electrolyte salt comprising at least one selected from MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K.) solvents.
용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The solvent is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane (DME), It may include at least one selected from tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and water.
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Content not described here will be omitted because it can be technically inferred sufficiently by a person skilled in the art.
1. 생체적합성 전극활물질 제조1. Manufacture of biocompatible electrode active material
실시예 1Example 1
Ti(SO4)2를 증류수에 완전히 용해시킨 후 H3PO4와 NH3H2O를 첨가한 후, 6시간 동안 교반하였다.Ti(SO 4 ) 2 After completely dissolving in distilled water, H 3 PO 4 and NH 3 H 2 O were added, followed by stirring for 6 hours.
다음으로, 흰색 에멀젼 상태로 교반된 결과물을 마이크로 웨이브 용기에 투입한 후, 마이크로 웨이브(MARS, CEM Corp.)를 사용하여 400W 및 300psi의 조건으로 20분 동안 마이크로 웨이브 처리를 수행하였다.Next, the resultant stirred in a white emulsion state was put into a microwave container, and then microwave treatment was performed for 20 minutes at 400 W and 300 psi using a microwave (MARS, CEM Corp.).
다음으로, 마스크로 웨이브 처리된 결과물을 증류수에 교반하여 pH가 7이 될 때까지 세척한 후 여과하고, 120℃에서 24시간 동안 건조하여 Na4TiPO4(NTP)를 수득하였다.Next, the resultant wave-treated with a mask was stirred in distilled water, washed until pH reached 7, filtered, and dried at 120° C. for 24 hours to obtain Na 4 TiPO 4 (NTP).
다음으로, 증류수 500ml에 NaNO3 : NTP를 3 : 1의 중량비로 혼합하고 100℃에서 중탕한 후, 2시간 동안 교반한 후, 300℃로 가열하면서 6시간 동안 교반한 후, 증류수를 이용하여 pH 7이 될 때까지 중화시키고 여과한 후, 120℃에서 24동안 건조하여 NaTiOPO4의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 전극활물질을 제조하였다. Next, NaNO 3 : NTP was mixed in 500 ml of distilled water in a weight ratio of 3 : 1 and stirred at 100 ° C., stirred for 2 hours, stirred for 6 hours while heating to 300 ° C., and then using distilled water to pH After neutralization and filtration until 7, the electrode was dried at 120° C. for 24 to prepare an electrode active material composed of a compound having a structure of NaTiOPO 4 .
실시예 2Example 2
350W 및 250psi의 조건으로 25분 동안 마이크로 웨이브 처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 생체적합성 전극활물질을 제조하였다.A biocompatible electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that microwave treatment was performed for 25 minutes under conditions of 350 W and 250 psi.
실시예 3Example 3
450W 및 250psi의 조건으로 25분 동안 마이크로 웨이브 처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 생체적합성 전극활물질을 제조하였다.A biocompatible electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that microwave treatment was performed for 25 minutes under conditions of 450 W and 250 psi.
실시예 4Example 4
NaNO3 : NTP를 4 : 1의 중량비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 생체적합성 전극활물질을 제조하였다.A biocompatible electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that NaNO 3 : NTP was mixed in a weight ratio of 4 : 1.
비교예 1Comparative Example 1
200W 및 200psi의 조건으로 5분 동안 마이크로 웨이브 처리를 수행하고, NaNO3 : NTP를 1 : 1의 중량비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 생체적합성 전극활물질을 제조하였다.A biocompatible electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that microwave treatment was performed for 5 minutes under conditions of 200 W and 200 psi, and NaNO 3 : NTP was mixed in a weight ratio of 1:1.
2. 세포 생존율 시험2. Cell viability test
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질에 대한 세포 생존율 시험 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the cell viability test results for the biocompatible electrode active materials prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
시험 방법Test Methods
시험 관내 세포 독성 시험은 인간 섬유 모세포 fibroblast) 및 원숭이 신장 섬유 모세포 유사 (COS-7) 세포에 대한 Cell Counting Kit-8 (CCK-8) 분석 (CK04-11, Dojindo, Japan)을 사용하여 수행되었다. 두 세포 유형 모두 10% 소태아혈청(fetal bovine serum)(FBS; Gibco, USA) 및 1% 페니실린-스트렙토마이신(penicillin-streptomycin)(Gibco, USA)을 37℃에서 함유하는 Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM; Gibco, Lifetechnology Inc., USA)에서 37℃, 5% CO2 환경에서 배양하였다.In vitro cytotoxicity tests were performed using the Cell Counting Kit-8 (CCK-8) assay (CK04-11, Dojindo, Japan) for human fibroblast fibroblast) and monkey kidney fibroblast-like (COS-7) cells. . Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) containing 10% fetal bovine serum (FBS; Gibco, USA) and 1% penicillin-streptomycin (Gibco, USA) at 37°C for both cell types ; Gibco, Lifetechnology Inc., USA) in 37 ℃, 5% CO 2 It was cultured in an environment.
재료의 세포 독성을 평가하기 위해 초음파 처리기를 사용하여 탈 이온수에 분산된 유형의 샘플을 준비하였다. 섬유 모세포 및 COS-7을 웰(well)당 3.0 × 104 세포로 24-웰 세포 배양 플레이트에 시딩하고 24 시간 동안 배양하였다. 이어서, 세포를 NaTiOPO4 분산액에 24 시간 동안 인큐베이션 하였다. 세포를 dPBS로 3회 세척하고, 10% CCK-8 염료가 보충된 500㎕의 DMEM을 각 웰에 첨가하고 2시간 동안 배양하였다. 상청액의 흡광도는 마이크로 플레이트 리더를 사용하여 450nm에서 측정되었다.To evaluate the cytotoxicity of the material, samples of the type dispersed in deionized water were prepared using a sonicator. Fibroblasts and COS-7 were seeded in 24-well cell culture plates at 3.0 × 10 4 cells per well and cultured for 24 hours. Cells were then incubated in NaTiOPO 4 dispersion for 24 h. Cells were washed 3 times with dPBS, and 500 μl of DMEM supplemented with 10% CCK-8 dye was added to each well and incubated for 2 hours. The absorbance of the supernatant was measured at 450 nm using a microplate reader.
[표 1][Table 1]
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질은 목표 값에 해당하는 세포 생존율 70% 이상을 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, it can be confirmed that the biocompatible electrode active materials prepared according to Examples 1 to 4 satisfy all of the cell viability of 70% or more corresponding to the target value.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질은 세포 생존율이 목표값에 미달하였다.On the other hand, the cell viability of the biocompatible electrode active material prepared according to Comparative Example 1 was less than the target value.
또한, 도 3은 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질을 갖는 슈퍼커패시터에 대한 세포 생존율 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 세포 생존율은 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질을 슈퍼커패시터의 음극 및 양극 활물질로 각각 사용한 슈퍼커패시터를 제조한 후, 5일간 상온에서 보관한 후에 측정한 것이다.In addition, Figure 3 is a graph showing the cell viability test results for the supercapacitor having the biocompatible electrode active material prepared according to Examples 1-2. Here, the cell viability is measured after preparing a supercapacitor using the biocompatible electrode active material prepared according to Examples 1 and 2 as a negative electrode and a positive electrode active material of the supercapacitor, respectively, and storing it at room temperature for 5 days.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질을 슈퍼커패시터의 음극 및 양극 활물질로 각각 사용한 슈퍼커패시터에 대한 세포 생존율 시험 결과, 세포 생존율이 90% 이상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 3, the cell viability test results for the supercapacitor using the biocompatible electrode active material prepared according to Examples 1 and 2 as the negative and positive electrode active materials of the supercapacitor, respectively, showed that the cell viability was 90% or more. can be checked
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been mainly described, but various changes or modifications can be made at the level of those skilled in the art to which the present invention pertains. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention without departing from the scope of the technical spirit provided by the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be judged by the claims described below.
S10 : 출발물질 합성 단계
S20 : 혼합 및 중탕 단계
S30 : 가열 및 건조 단계
S110 : 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계
S120 : 전극 형태로 형성 단계
S130 : 슈퍼커패시터 전극 형성 단계
S140 : 전해액 함침 단계S10: starting material synthesis step
S20: mixing and bathing step
S30: heating and drying step
S110: Formation step of composition for supercapacitor electrode
S120: Formation step in the form of an electrode
S130: Supercapacitor electrode formation step
S140: electrolyte impregnation step
Claims (14)
상기 전극활물질은 Na 또는 K를 함유하는 전해질에서 전기화학 반응을 수반하고,
상기 전해질은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 상기 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질.
[화학식 1] : ATiOPO4
(여기서, [A]는 Na 또는 K 임.)
As a biocompatible electrode active material comprising a compound having the structure of the following [Formula 1],
The electrode active material is accompanied by an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K,
The electrolyte includes an electrolyte salt comprising at least one selected from MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K), and a solvent dissolving the electrolyte salt A biocompatible electrode active material, characterized in that.
[Formula 1]: ATiOPO 4
(Where [A] is Na or K.)
상기 [화학식 1]의 구조를 갖는 것에 의해,
체액에서 전기화학 반응을 통하여 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용되는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질.
According to claim 1,
By having the structure of the above [Formula 1],
A biocompatible electrode active material, characterized in that it is used as an electrode active material of a supercapacitor through an electrochemical reaction in a body fluid.
상기 전극활물질은
탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄 중 선택된 1종 이상의 탄소재를 더 포함하며,
상기 탄소재와의 혼합으로 복합화가 가능한 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질.
According to claim 1,
The electrode active material is
It further comprises at least one carbon material selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene and activated carbon,
A biocompatible electrode active material, characterized in that it can be compounded by mixing with the carbon material.
상기 용매는
에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질.
According to claim 1,
The solvent is
Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane (DME), tetraethylene A biocompatible electrode active material comprising at least one selected from glycol dimethyl ether (tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and water.
(b) 상기 합성된 Na4TiPO4를 질산칼륨 또는 질산나트륨과 혼합하고 80 ~ 120℃에서 중탕한 후, 교반하는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계의 결과물을 250 ~ 350℃로 가열하면서 교반한 후, 증류수를 이용하여 pH 6.5 ~ 7.5가 될 때까지 중화시키고 여과한 후 건조하여 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 전극활물질을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질 제조 방법.
[화학식 1] : ATiOPO4
(여기서, [A]는 Na 또는 K 임.)
(a) synthesizing Na 4 TiPO 4 as a starting material;
(b) mixing the synthesized Na 4 TiPO 4 with potassium nitrate or sodium nitrate and bathing at 80 to 120° C., followed by stirring; and
(c) the resultant of step (b) is stirred while heating to 250 ~ 350 ℃, neutralized until pH 6.5 ~ 7.5 using distilled water, filtered and dried to obtain a compound having the structure of the following formula (1) obtaining an electrode active material consisting of;
A method for producing a biocompatible electrode active material comprising a.
[Formula 1]: ATiOPO 4
(Where [A] is Na or K.)
상기 (a) 단계는,
(a-1) Ti(SO4)2를 증류수에 용해시킨 후, H3PO4와 NH3H2O를 첨가하고 5 ~ 7시간 동안 교반하는 단계;
(a-2) 상기 교반된 결과물을 마이크로 웨이브 용기에 투입하여 마이크로 웨이브 처리하는 단계; 및
(a-3) 상기 마이크로 웨이브 처리된 결과물을 증류수에 교반하여 pH 6.5 ~ 7.5가 될 때까지 세척한 후 여과하고, 100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 건조하여 NH4TiOPO4를 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The step (a) is,
(a-1) after dissolving Ti(SO 4 ) 2 in distilled water, adding H 3 PO 4 and NH 3 H 2 O and stirring for 5 to 7 hours;
(a-2) microwave-treating the stirred resultant into a microwave container; and
(a-3) The microwave-treated product is stirred in distilled water, washed until pH is 6.5 to 7.5, filtered, and dried at 100 to 140° C. for 20 to 30 hours to obtain NH 4 TiOPO 4 . ;
A method for producing a biocompatible electrode active material comprising a.
상기 마이크로 웨이브 처리는
350 ~ 450W 및 250 ~ 350psi 조건으로 10 ~ 30분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The microwave treatment is
A method of manufacturing a biocompatible electrode active material, characterized in that it is carried out for 10 to 30 minutes under the conditions of 350 ~ 450W and 250 ~ 350psi.
상기 (b) 단계에서,
상기 Na4TiPO4와 질산칼륨 또는 질산나트륨은 1 : 2 ~ 1 : 4의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질 제조 방법.
8. The method of claim 7,
In step (b),
The Na 4 TiPO 4 and potassium nitrate or sodium nitrate 1: 2 to 1: A method for producing a biocompatible electrode active material, characterized in that mixed in a weight ratio of 4.
상기 (c) 단계에서,
상기 건조는
100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질 제조 방법.
8. The method of claim 7,
In step (c),
the drying
A method for producing a biocompatible electrode active material, characterized in that carried out at 100 ~ 140 ℃ for 20 ~ 30 hours.
상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며,
상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는, 하기 [화학식 1]의 구조를 갖는 화합물로 이루어지고,
상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는, Na 또는 K를 함유하는 전해질에서 전기화학 반응을 수반하고,
상기 전해질은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 상기 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질을 갖는 슈퍼커패시터.
[화학식 1] : ATiOPO4
(여기서, [A]는 Na 또는 K 임.)
The positive electrode and the negative electrode are disposed to be spaced apart from each other, and a separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode are impregnated with an electrolyte of a supercapacitor,
Each of the positive and negative electrodes includes an electrode active material, a conductive material and a binder,
At least one of the electrode active materials of the positive electrode and the negative electrode consists of a compound having a structure of the following [Formula 1],
At least one of the electrode active materials of the positive electrode and the negative electrode is accompanied by an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K,
The electrolyte includes an electrolyte salt comprising at least one selected from MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K), and a solvent dissolving the electrolyte salt A supercapacitor having a biocompatible electrode active material, characterized in that
[Formula 1]: ATiOPO 4
(Where [A] is Na or K.)
상기 용매는
에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 전극활물질을 갖는 슈퍼커패시터.13. The method of claim 12,
The solvent is
Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane (DME), tetraethylene A supercapacitor having a biocompatible electrode active material, comprising at least one selected from glycol dimethyl ether (tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and water.
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