KR102389563B1 - Ultra thin anode for aluminium secondary battery and aluminium secondary battery including the same - Google Patents

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Abstract

초박막으로 제조된 알루미늄 이차전지용 음극 및 이의 제조방법과 상기 음극을 포함하는 알루미늄 이차전지가 개시된다.
상기 알루미늄 이차전지용 음극은 스퍼터링에 의해 음극활물질인 알루미늄을 음극 집전체 상에 초박막의 매우 얇은 두께로 증착시킬 수 있기 때문에 이를 포함하는 알루미늄 이차전지를 경량화시킬 수 있다.
Disclosed are a negative electrode for an aluminum secondary battery made of an ultra-thin film, a manufacturing method thereof, and an aluminum secondary battery including the negative electrode.
Since the anode for the aluminum secondary battery can deposit aluminum as the anode active material on the anode current collector in an ultra-thin thickness by sputtering, the aluminum secondary battery including the same can be reduced in weight.

Description

초박막 알루미늄 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 알루미늄 이차전지{ULTRA THIN ANODE FOR ALUMINIUM SECONDARY BATTERY AND ALUMINIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}Anode for ultra-thin aluminum secondary battery and aluminum secondary battery including same

본 발명은 초박막으로 제조된 알루미늄 이차전지용 음극 및 이의 제조방법과 상기 음극을 포함하는 알루미늄 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for an aluminum secondary battery made of an ultra-thin film, a method for manufacturing the same, and an aluminum secondary battery including the negative electrode.

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

이러한 자원적 한계를 지니는 리튬 계열의 에너지저장소재를 벗어나, 이들의 대안이 될 수 있는 초저가, 고안전성, 고출력 및 장수명 특성을 갖는 대안적 에너지저장소재 기반의 이차전지 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 알루미늄 이차전지는 알루미늄 이온을 사용하여 에너지를 저장하는 최신 기술로서 알루미늄은 많은 자원이 존재하고, 가격이 저렴하며, 친환경적이어서 향후 장기적으로 범용적으로 기존의 리튬이온전지 등을 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 기술이다. 알루미늄은 산소와 규소 다음으로 지구상에서 3번째로 많은 원소로(약 8.23%)로 리튬(0.006%)과 같은 자원 고갈의 문제가 없으며, 전 세계에 골고루 분포되어 있으며, 현재 알루미늄의 원료인 보크사이트는 탄산리튬의 1/300, 알루미늄 완제품의 가격은 리튬의 1/10로 리튬을 대체할 경우 원재료 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 또한, 알루미늄의 낮은 인화성 및 3전자 산화 환원 반응 특성으로 인해, 알루미늄 기반의 이차전지는 저비용, 고속 충방전, 고용량 및 고안전성을 제공할 수 있어 차세대 에너지 저장 장치로 큰 관심을 받고 있다.Beyond the lithium-based energy storage materials that have such resource limitations, there is a continuous demand for the development of secondary batteries based on alternative energy storage materials with ultra-low cost, high safety, high output and long lifespan characteristics that can be used as alternatives to them. Aluminum secondary batteries are the latest technology to store energy using aluminum ions. Aluminum has many resources, is cheap, and is eco-friendly, so there is a possibility that it can universally replace conventional lithium-ion batteries in the long term. It's a very high skill. Aluminum is the third most abundant element on earth after oxygen and silicon (about 8.23%), and there is no problem of resource depletion such as lithium (0.006%). The cost of lithium carbonate is 1/300 of that of lithium carbonate and the price of aluminum finished products is 1/10 of that of lithium. In addition, due to the low flammability and three-electron redox reaction characteristics of aluminum, aluminum-based secondary batteries can provide low cost, high-speed charging and discharging, high capacity, and high safety, thereby drawing great attention as a next-generation energy storage device.

하지만, 알루미늄 이차전지에 대한 지난 수년간에 걸친 연구는 낮은 전압, 리튬이차전지에 비하여 낮은 용량, 빠른 전지 용량 감소와 짧은 수명 등의 문제로 인해 다른 종류의 이차전지만큼 성공적이지 못했다. 최근 알루미늄 이차전지의 난제로 여겼던 양극물질의 개선 가능성이 최근 보고되면서 관련분야에서 큰 관심을 받고 있으며, 스탠포드 대학의 H.Dai 교수 연구팀이 최근에 보고한 알루미늄 이온 배터리의 경우에는 약 40 Wh/Kg의 에너지 밀도 및 최대 약 3,000 W/Kg의 높은 출력 밀도를 보였다. 이는 기존 납축전지와 니켈수소전지와 비교 가능한 수준의 에너지 밀도 값이며, 출력밀도 면에서는 수퍼커패시터와 유사한 값이다(참고 문헌: Nature 520, 324-328 (2015), 대한민국 공개 특허 제10-2016-0145557호). However, research on aluminum secondary batteries over the past several years has not been as successful as other types of secondary batteries due to problems such as low voltage, low capacity compared to lithium secondary batteries, rapid battery capacity reduction, and short lifespan. Recently, as the possibility of improvement of the cathode material, which was considered a difficult problem for aluminum secondary batteries, has been reported recently, it is receiving great attention in related fields. of energy density and high power density of up to about 3,000 W/Kg. This is an energy density value at a level comparable to that of a conventional lead-acid battery and a nickel-metal hydride battery, and is similar to a supercapacitor in terms of output density (Reference: Nature 520, 324-328 (2015), Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016- 0145557).

저가격, 안전성, 장수명 및 고율특성을 지닌 알루미늄 기반 에너지 저장소자는 최근 들어서 전지화 가능성이 확인된 기술로, 원천기술이 가장 덜 확보된 기술이므로 알루미늄 기반 에너지저장소자의 각 요소기술(양극, 음극, 전해질)의 개발 및 개선을 통하여 장기적으로 리튬이온전지 성능 전반을 넘어서는 초저가의 고용량, 고출력, 고안전성의 차세대 에너지저장장치 개발이 가능할 것으로 기대된다.Aluminum-based energy storage device with low price, safety, long lifespan, and high rate characteristics is a technology that has recently been confirmed for batteryization. Through the development and improvement of lithium-ion batteries, it is expected that it will be possible to develop next-generation energy storage devices with ultra-low cost, high capacity, high output, and high safety that go beyond the overall performance of lithium-ion batteries in the long term.

또한, 최근에는 모바일 기기 시장이 급성장하면서 에너지저장장치의 경량화가 요구되어 고용량, 고출력 특성을 가지면서도 초경량의 에너지 저장장치 개발을 필요로 하게 되었다. In addition, in recent years, as the mobile device market is rapidly growing, the weight reduction of energy storage devices is required, and it is necessary to develop ultra-light energy storage devices with high capacity and high output characteristics.

이에, 본 발명자들은 알루미늄 이차전지의 초경량화를 달성하기 위해 연구하던 중, 알루미늄 이차전지의 음극 집전체 상에 음극 활물질인 알루미늄을 스퍼터링을 이용하여 초박막으로 증착시켰을 때, 종래의 두꺼웠던 알루미늄 음극과 비교하여 거의 동일한 전극 용량 값을 보일 뿐만 아니라, 높은 셀 안정성을 보이는 것을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, while the present inventors were researching to achieve ultra-light weight of an aluminum secondary battery, when aluminum as an anode active material was deposited as an ultra-thin film using sputtering on the anode current collector of an aluminum secondary battery, the conventional thick aluminum anode and By comparison, it was found that the electrode capacitance value was almost the same as well as high cell stability, thereby completing the present invention.

이와 관련하여, 관련 선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-1705856호(알루미늄 이온 커패시터 및 이의 용도) 및 일본 공개 특허 제2018-037382호(알루미늄 이차전지)가 있으며, 상기 문헌들은 알루미늄 이차전지 및 알루미늄 커패시터의 음극으로 사용되는 알루미늄 활물질에 관한 내용을 개시하고 있다.In this regard, as related prior art, there are Republic of Korea Patent No. 10-1705856 (aluminum ion capacitor and its use) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-037382 (aluminum secondary battery), which include an aluminum secondary battery and aluminum Disclosed is an aluminum active material used as a negative electrode of a capacitor.

본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 초박막 알루미늄 이차전지용 음극을 제공한다.The present invention has been devised to solve the above-described problem, and an embodiment of the present invention provides an anode for an ultra-thin aluminum secondary battery.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 초박막 알루미늄 이차전지용 음극의 제조방법을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing an anode for an ultra-thin aluminum secondary battery.

또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 초박막 음극을 포함하는 알루미늄 이차전지를 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides an aluminum secondary battery including an ultra-thin anode.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. it could be

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은, As a technical means for achieving the above-described technical problem, one aspect of the present invention is,

알루미늄 이차전지용 음극으로서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 증착된 알루미늄을 포함하고, 상기 증착된 알루미늄의 두께는 1 μm 내지 10 μm인 것인 초박막 알루미늄 이차전지용 음극을 제공한다.As a negative electrode for an aluminum secondary battery, the negative electrode includes a negative electrode current collector and aluminum deposited on the negative electrode current collector, and the thickness of the deposited aluminum is 1 μm to 10 μm It provides a negative electrode for an ultra-thin aluminum secondary battery.

상기 알루미늄의 증착은 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착된 것일 수 있다.The deposition of the aluminum may be deposited using sputtering.

상기 증착된 알루미늄의 두께는 1 μm 내지 5 μm인 것일 수 있다.The deposited aluminum may have a thickness of 1 μm to 5 μm.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은, In addition, another aspect of the present invention,

음극 집전체에 스퍼터링을 이용하여 알루미늄을 증착시키는 단계;를 포함하고, 상기 증착된 알루미늄의 두께는 1 μm 내지 10 μm인 것인 초박막 알루미늄 이차전지용 음극의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing an anode for an ultra-thin aluminum secondary battery, including; depositing aluminum on the anode current collector by sputtering, wherein the deposited aluminum has a thickness of 1 μm to 10 μm.

상기 스퍼터링은 DC(Direct Current) 스퍼터링 방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.The sputtering may be performed by a DC (Direct Current) sputtering method.

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은, In addition, another aspect of the present invention,

음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 증착된 음극활물질을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 상기 양극 집전체에 증착된 양극활물질을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서, 상기 음극활물질은 알루미늄을 포함하고, 상기 음극 집전체에 증착된 음극활물질의 두께는 1 μm 내지 10 μm인 것인 알루미늄 이차전지를 제공한다.a negative electrode unit including a negative electrode current collector and a negative electrode active material deposited on the negative electrode current collector; a positive electrode unit including a positive electrode current collector and a positive electrode active material deposited on the positive electrode current collector; a separator interposed between the anode part and the cathode part; and an electrolyte, wherein the anode active material includes aluminum, and the thickness of the anode active material deposited on the anode current collector is 1 μm to 10 μm.

상기 알루미늄 이차전지의 단위무게당 에너지밀도는 40 Wh/Kg 내지 110 Wh/Kg인 것일 수 있다.The energy density per unit weight of the aluminum secondary battery may be 40 Wh/Kg to 110 Wh/Kg.

상기 알루미늄 이차전지는 300 사이클 이상에서 쿨롱효율(coulombic efficiency)이 90% 이상 유지되는 것일 수 있다.The aluminum secondary battery may maintain a coulombic efficiency of 90% or more in 300 cycles or more.

상기 알루미늄 이차전지는 300 사이클 이상에서 충방전 용량(specific capacity)이 50 mAh/g 이상 유지되는 것일 수 있다.The aluminum secondary battery may maintain a specific capacity of 50 mAh/g or more in 300 cycles or more.

상기 양극활물질은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 그래핀과 탄소나노튜브의 3차원 복합체 또는 전이금속 다이칼코게나이드와 탄소나노튜브의 3차원 복합체를 포함하는 것일 수 있다.The positive active material is composed of an active material forming a layered structure, and the active material constituting the layered structure is a three-dimensional composite of graphene and carbon nanotubes or a three-dimensional composite of transition metal dichalcogenide and carbon nanotubes. there is.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄 이차전지용 음극은 스퍼터링에 의해 음극활물질인 알루미늄을 음극 집전체 상에 초박막의 매우 얇은 두께로 증착시킬 수 있기 때문에 이를 포함하는 알루미늄 이차전지를 경량화시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the anode for the aluminum secondary battery can deposit aluminum as the anode active material on the anode current collector to a very thin thickness by sputtering, the aluminum secondary battery including the same can be lightened. .

또한, 상기 알루미늄 이차전지는 초박막의 음극을 포함함에도 불구하고, 종래 두께가 두꺼운 음극을 포함하는 알루미늄 이차전지와 거의 유사한 전극 용량 값을 나타낼 수 있으며, 현저히 높은 단위무게당 에너지밀도를 가질 수 있다. 더불어, 500 사이클 이상에서도 우수한 셀 안정성을 나타낼 수 있다.In addition, although the aluminum secondary battery includes an ultra-thin negative electrode, it may exhibit an electrode capacity value almost similar to that of an aluminum secondary battery including a conventional thick negative electrode, and may have a remarkably high energy density per unit weight. In addition, excellent cell stability may be exhibited even after 500 cycles or more.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄 이차전지용 음극은 스퍼터링에 의해 음극활물질인 알루미늄을 음극 집전체 상에 초박막의 매우 얇은 두께로 증착시킬 수 있기 때문에 이를 포함하는 알루미늄 이차전지를 경량화시킬 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 이차전지는 초박막의 음극을 포함함에도 불구하고, 종래 두께가 두꺼운 음극을 포함하는 알루미늄 이차전지와 거의 유사한 전극 용량 값을 나타낼 수 있으며, 현저히 높은 단위무게당 에너지밀도를 가질 수 있다. 더불어, 500 사이클 이상에서도 우수한 셀 안정성을 나타낼 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, since the anode for the aluminum secondary battery can deposit aluminum as the anode active material on the anode current collector to a very thin thickness by sputtering, the aluminum secondary battery including the same can be lightened. .
In addition, although the aluminum secondary battery includes an ultra-thin negative electrode, it can exhibit an electrode capacity value almost similar to that of an aluminum secondary battery including a conventional thick negative electrode, and can have a remarkably high energy density per unit weight. In addition, excellent cell stability may be exhibited even after 500 cycles or more.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the present invention may be embodied in various different forms, and the present invention is not limited by the embodiments described herein, and the present invention is only defined by the claims to be described later.

덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, the terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the entire specification of the present invention, 'including' any component means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본원의 제 1 측면은,The first aspect of the present application is

알루미늄 이차전지용 음극으로서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 증착된 알루미늄을 포함하고, 상기 증착된 알루미늄의 두께는 1 μm 내지 10 μm인 것인 초박막 알루미늄 이차전지용 음극을 제공한다.As a negative electrode for an aluminum secondary battery, the negative electrode includes a negative electrode current collector and aluminum deposited on the negative electrode current collector, and the thickness of the deposited aluminum is 1 μm to 10 μm It provides a negative electrode for an ultra-thin aluminum secondary battery.

본원의 제 2측면은, The second aspect of the present application is

음극 집전체에 스퍼터링을 이용하여 알루미늄을 증착시키는 단계;를 포함하고, 상기 증착된 알루미늄의 두께는 1 μm 내지 10 μm인 것인 초박막 알루미늄 이차전지용 음극의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing an anode for an ultra-thin aluminum secondary battery, including; depositing aluminum on the anode current collector by sputtering, wherein the deposited aluminum has a thickness of 1 μm to 10 μm.

이하, 본원의 제 1 측면에 따른 초박막 알루미늄 이차전지용 음극 및 본원의 제 2 측면에 따른 초박막 알루미늄 이차전지용 음극의 제조방법을 제조방법의 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the anode for an ultra-thin film aluminum secondary battery according to the first aspect of the present application and the anode for an ultra-thin film aluminum secondary battery according to the second aspect of the present application will be described in detail step by step of the manufacturing method.

우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초박막 알루미늄 이차전지용 음극의 제조방법은 상기 음극 집전체에 스퍼터링을 이용하여 알루미늄을 증착시키는 단계; 이전에 음극 집전체를 준비하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.First, in one embodiment of the present application, the method of manufacturing the anode for an ultra-thin aluminum secondary battery includes depositing aluminum on the anode current collector by sputtering; It may include; preparing the negative electrode current collector before.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극 집전체는 전도성이 높은 탄소재 또는 다양한 금속 소재 등을 적용할 수 있다. 상기 탄소재는 예를 들어, 그라파이트, 그래핀, 유리상 탄소, 활성탄소 또는 탄소나노튜브 등을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 금속 소재는 예를 들어, 몰리브데늄, 금, 니켈, 알루미늄, 티타늄, 스테인리스 스틸, 크롬, 탄탈륨 또는 구리 등을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 음극 집전체는 표면의 산화막을 플라즈마 표면처리로 제거하여 표면 거칠기를 향상시킴으로써 상기 음극 집전체 상에 알루미늄 음극이 일정한 두께로 코팅되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the negative electrode current collector may be a carbon material having high conductivity or various metal materials. The carbon material may include, for example, graphite, graphene, glassy carbon, activated carbon or carbon nanotubes, and the metal material is, for example, molybdenum, gold, nickel, aluminum, titanium, stainless steel. It may include steel, chromium, tantalum or copper. Meanwhile, the anode current collector may be one in which an aluminum anode is coated to a predetermined thickness on the anode current collector by removing an oxide film on the surface by plasma surface treatment to improve surface roughness.

또한, 상기 음극 집전체 상에 3차원의 알루미늄 음극 패턴을 형성함으로써 반응성 또는 알루미늄 이차전지의 출력 특성을 향상시키는 것일 수 있다.In addition, by forming a three-dimensional aluminum negative electrode pattern on the negative electrode current collector, the reactivity or output characteristics of the aluminum secondary battery may be improved.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초박막 알루미늄 이차전지용 음극의 제조방법은 음극 집전체에 스퍼터링을 이용하여 알루미늄을 증착시키는 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, the method for manufacturing the anode for an ultra-thin aluminum secondary battery includes depositing aluminum on the anode current collector by sputtering.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄은 음극활물질로서 사용되는 것이며, 이때 상기 알루미늄은 알루미늄 단독의 물질 또는 알루미늄을 포함하는 합금이 사용되는 것일 수 있다. 한편, 상기 알루미늄 합금은 예를 들면 Al-Mo, Al-Au, Al-Ga, Al-In, Al-Mn, Al-Ni, Al-Pt 또는 Al-Si를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the aluminum is used as an anode active material, and in this case, the aluminum may be a material of aluminum alone or an alloy containing aluminum. Meanwhile, the aluminum alloy may include, for example, Al-Mo, Al-Au, Al-Ga, Al-In, Al-Mn, Al-Ni, Al-Pt, or Al-Si.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄 음극활물질은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 내지 48시간 담그는 전처리 과정을 통하여 알루미늄 음극활물질 표면의 산화막 제거 및 음극 활성화가 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the aluminum anode active material is a pretreatment process of immersing the aluminum halide and an ionic liquid in an electrolyte for 1 second to 48 hours to remove the oxide film on the surface of the aluminum anode active material and activate the anode. there is.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3, AlI3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-Ethyl-3-methylimidazolium bromide, [EMIM]Br), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide, [EMIM]I), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-butyl-3-methylimidazolium cholride, [BMIM]Cl]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-butyl-3-methylimidazolium bromide, [BMIM]Br]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드 (1-butyl-3-methylimidazolium iodide,[BMIM]I]), 1-(1-부틸)피리디움 클로라이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride), 1-(1-부틸)피리디움 브로마이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the aluminum halide may include a material selected from the group consisting of AlCl 3 , AlBr 3 , AlI 3 and combinations thereof. In addition, the ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl), 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide (1-Ethyl- 3-methylimidazolium bromide, [EMIM]Br), 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide (1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide, [EMIM]I), 1-butyl-3-methylimidazolium Chloride (1-butyl-3-methylimidazolium cholride, [BMIM]Cl]), 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([BMIM]Br]), 1-butyl- 3-methylimidazolium iodide (1-butyl-3-methylimidazolium iodide, [BMIM] I]), 1- (1-butyl) pyridium chloride (1- (1-butyl) pyridinium chloride), 1- It may include a material selected from the group consisting of (1-butyl)pyridinium chloride (1-(1-butyl)pyridinium chloride) and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스퍼터링은 DC(Direct Current) 스퍼터링 방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the sputtering may be performed by a DC (Direct Current) sputtering method.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스퍼터링은 불활성 가스 분위기 하에서 스퍼터링 증발원에 부착된 알루미늄 타겟으로부터 알루미늄을 증발시켜 음극 집전체 상에 알루미늄층을 형성하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the sputtering may be to form an aluminum layer on the anode current collector by evaporating aluminum from an aluminum target attached to a sputtering evaporation source under an inert gas atmosphere.

바람직하게, 상기 스퍼터링은 멀티 타겟 스퍼터(Multi Target sputter)를 이용하여, DC(Direct Current) 2.5 kW를 조사하고, 압력 5 mTorr 하에서 아르곤 가스 65 sccm을 투입함으로써 수행하는 것일 수 있으며, 이를 통하여 몰리브데늄 집전체 상에 알루미늄을 증착시키는 것일 수 있다.Preferably, the sputtering may be performed by irradiating DC (Direct Current) 2.5 kW using a multi-target sputter, and injecting 65 sccm of argon gas under a pressure of 5 mTorr, through which molyb It may be to deposit aluminum on the denium current collector.

이때, 상기 집전체 상에 증착되는 알루미늄의 두께는 200 nm 내지 10 μm일 수 있으며, 바람직하게는 1 μm 내지 5 μm인 것일 수 있고, 더 바람직하게는 2 μm 내지 5 μm인 것일 수 있다. 즉, 상기 스퍼터링을 통하여 음극 집전체 상에 알루미늄을 증착시킴으로써 상기와 같이 얇은 두께의 알루미늄 증착이 가능한 것일 수 있으며, 이를 통하여 초경량의 알루미늄 이차전지가 제조 가능한 것일 수 있다.In this case, the thickness of the aluminum deposited on the current collector may be 200 nm to 10 μm, preferably 1 μm to 5 μm, and more preferably 2 μm to 5 μm. That is, by depositing aluminum on the anode current collector through the sputtering, the thin aluminum deposition as described above may be possible, and through this, an ultra-light aluminum secondary battery may be manufactured.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄 이차전지용 음극은 스퍼터링을 통하여 음극 집전체 상에 초박막으로 증착된 알루미늄을 포함하기 때문에 상기 알루미늄 음극이 상기 음극 집전체 상에 고르게 분포되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, since the anode for an aluminum secondary battery includes aluminum deposited as an ultra-thin film on the anode current collector through sputtering, the aluminum anode may be evenly distributed on the anode current collector.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄 음극은 벌크형 전지의 전극에 비하여 단위 부피나 단위무게 당 용량이 크지만 두께가 얇아 실제적으로 구현가능한 전지의 방전용량이 100 내지 200 μAh/cm2 인 종래의 박막 전지에 비하여 알루미늄 음극의 두께와 상관없이 동일한 전극 용량값을 보이는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the aluminum negative electrode has a larger capacity per unit volume or unit weight than an electrode of a bulk-type battery, but has a thin thickness, so that the discharge capacity of the battery that can be implemented is 100 to 200 μAh/cm 2 Conventional Compared to the thin film battery, the electrode capacity value may be the same regardless of the thickness of the aluminum anode.

본원의 제 3 측면은, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 증착된 음극활물질을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 상기 양극 집전체에 증착된 양극활물질을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서, 상기 음극활물질은 알루미늄을 포함하고, 상기 음극 집전체에 증착된 음극활물질의 두께는 1 μm 내지 10 μm인 것인 알루미늄 이차전지를 제공한다.A third aspect of the present application, a negative electrode portion comprising a negative electrode current collector and a negative electrode active material deposited on the negative electrode current collector; a positive electrode unit including a positive electrode current collector and a positive electrode active material deposited on the positive electrode current collector; a separator interposed between the anode part and the cathode part; and an electrolyte, wherein the anode active material includes aluminum, and the thickness of the anode active material deposited on the anode current collector is 1 μm to 10 μm.

본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of parts overlapping with the first and second aspects of the present application are omitted, the descriptions of the first and second aspects of the present application may be equally applied even if the description is omitted in the third aspect. .

본원의 일 구현예에 있어서, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 증착된 음극활물질을 포함하는 음극부는 상기 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에서 설명한 내용과 동일한 바, 하기 본원의 제 3 측면에서는 그 설명을 생략하도록 한다.In one embodiment of the present application, the negative electrode current collector and the negative electrode portion including the negative electrode active material deposited on the negative electrode collector are the same as those described in the first and second aspects of the present application, and in the third aspect of the present application The description will be omitted.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양극은 표면적이 넓은 다공성 탄소를 활물질로서 포함할 수 있으며, 또한 산화물, 황화물 및 질화물 등의 물질에서 선택된 활물질을 포함하여 구성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 탄소나노 혼, 케첸블랙, 하드카본 등의 탄소 재료, 불화 탄소 재료, 금속 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 불화물 또는 전이금속 칼코겐화물을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the positive electrode may include porous carbon having a large surface area as an active material, and may also include an active material selected from materials such as oxides, sulfides and nitrides. Specifically, the cathode active material may include a carbon material such as carbon nanohorn, Ketjen black, hard carbon, or the like, a fluorinated carbon material, a metal oxide, a transition metal oxide, a transition metal fluoride, or a transition metal chalcogenide.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양극은 바람직하게 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 흑연 소재와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체를 포함하는 것일 수 있다In one embodiment of the present application, the positive electrode is preferably composed of an active material forming a layered structure, and the active material constituting the layered structure is a graphite material and a one-dimensional carbon structure material or a composite of carbon nanoparticles. can

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흑연 소재는 흑연 필름, 흑연 플레이크, 그래핀 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the graphite material may include a material selected from the group consisting of a graphite film, graphite flakes, graphene, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 1차원 탄소구조의 물질은 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the material of the one-dimensional carbon structure may include carbon nanotubes, and the carbon nanotubes may include single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 그래핀과 탄소나노튜브의 복합체를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the active material constituting the layered structure may include a composite of graphene and carbon nanotubes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양극은 2차원 그래핀 나노 시트 사이에 일차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조로 형성하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the anode may be formed in a three-dimensional structure in which carbon nanotubes having a one-dimensional structure are inserted between two-dimensional graphene nanosheets.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the active material constituting the layered structure may include a transition metal dichalcogenide.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체로 구성되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the active material constituting the layered structure may be composed of a complex of a transition metal dichalcogenide and a material having a one-dimensional carbon structure or carbon nanoparticles.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전이금속 디칼코제나이드는 MX2 (여기에서 M은 Mo, W 또는 Ti 등의 전이금속을 의미하며, X는 S, Se 또는 Te 등의 칼코젠 원자를 의미함)로 구성되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the transition metal dichalcogenide is MX 2 (where M means a transition metal such as Mo, W or Ti, and X means a chalcogen atom such as S, Se or Te) ) may be composed of

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전이금속 디칼코제나이드는 더욱 구체적으로 MoS2, WS2, TiS2, MoSe2, WSe2, TiSe2, MoTe2, WTe2, TiTe2 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the transition metal dichalcogenide is more specifically MoS 2 , WS 2 , TiS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , TiSe 2 , MoTe 2 , WTe 2 , TiTe 2 and combinations thereof. It may include a material selected from the group consisting of.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양극은 활물질로서 Al3+ 또는 알루미늄 함유 착이온의 삽입 제거 반응이 가능한 재료를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면 AlX4 - 또는 Al2X7 - (X는 Cl, Br 또는 I이며 각각의 X는 동일하거나 상이할 수 있다.)로 표시되는 착이온을 포함하는 것일 수 있다. 또한 양극 활물질로서 Al3+ 또는 알루미늄 함유 착이온의 컨버전 반응이 가능한 재료를 이용할 수 있다. 컨버전 반응에서는 금속 산화물이 Al3+ 또는 알루미늄 함유 착이온과 반응하고 산화물이 환원하여 금속과 알루미늄 산화물에 변화하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the positive electrode may include a material capable of intercalation and removal of Al 3+ or aluminum-containing complex ions as an active material. For example, it may include a complex ion represented by AlX 4 - or Al 2 X 7 - (X is Cl, Br or I, and each X may be the same or different.). In addition, as the positive electrode active material, a material capable of converting Al 3+ or aluminum-containing complex ions may be used. In the conversion reaction, the metal oxide may react with Al 3+ or aluminum-containing complex ions, and the oxide may be reduced to change the metal and aluminum oxide.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 분리막은 유리섬유, 나노 셀룰로오스, 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)이 코팅된 셀룰로오스 또는 유리섬유 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the separation membrane is to include a material selected from the group consisting of glass fiber, nano cellulose, polyacrylonitrile (PAN) coated cellulose or glass fiber, and combinations thereof. can

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄 이차전지는 알루미늄을 포함하는 음극 (anode), 층상 구조를 이루는 활물질을 포함하는 양극 (cathode) 및 음극에서의 알루미늄의 가역적인 용해와 침적을 가능하게 하면서, 양극에서 음이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 반응이 일어나도록 하는 전해질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present application, the aluminum secondary battery enables reversible dissolution and deposition of aluminum in a negative electrode containing aluminum, a positive electrode containing an active material forming a layered structure, and a negative electrode, The positive electrode may include an electrolyte for causing intercalation and deintercalation reactions of anions to occur.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전해질은 알루미늄 이온을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the electrolyte may include aluminum ions.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄 이온을 포함하는 전해질로는 이온성 액체 전해질과 유기 전해질 또는 수계 전해질 등을 사용할 수 것일 수 있다. 상기 이온성 액체 전해질은 AlCl3과 같은 알루미늄염을 이온성 액체에 용해하는 것을 포함할 수 있으며, 상기 알루미늄 이온을 포함하는 것으로 알킬리미다졸륨 알루미네이트 (alkylimidazolium aluminates), 알킬피리디늄 알루미네이트(alkylpyridinium aluminates), 알킬플루오로피라졸리륨 알루미네이트(alkylfluoropyrazolium aluminates), 알킬트리아졸륨 알루미네이트(alkyltriazolium aluminates), 알알킬암모늄 알루미네이트(aralkylammonium aluminates), 디알킬피펜디늄 알루미네이트(dialkylpipendinium aluminates), 알킬알콕시암모늄 알루미네이트(alkylalkoxyammonium aluminates), 알알킬포스포늄 알루미네이트(aralkylphosphonium aluminates), 알알킬설포늄 알루미네이트(aralkylsulfonium aluminates), 에틸메틸이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트(ethylmethylimidazolium tetrachloroaluminate) 등을 포함하는 것일 수 있다. 상기 유기 전해질로는 AlCl3과 Al(NO3)3 등의 알루미늄염을 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate), 아세토니트릴(Acetronitrile), 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethylcarbonate), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate), 디에틸 카보네이트(Diethyl Carbonate), 메틸 삼차-부틸 에테르(Methyl tert-butyl ether), 프로필렌 글리콜(Propylene glycol) 등의 유기용매에 용해시킨 것을 포함하는 것일 수 있다. 수계 전해질로는 AlCl3, Al(NO3)3 등의 수용액을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, an ionic liquid electrolyte, an organic electrolyte, or an aqueous electrolyte may be used as the electrolyte containing the aluminum ions. The ionic liquid electrolyte may include dissolving an aluminum salt such as AlCl 3 in an ionic liquid, and an alkylimidazolium aluminates, alkylpyridinium containing the aluminum ions. aluminates, alkylfluoropyrazolium aluminates, alkyltriazolium aluminates, aralkylammonium aluminates, dialkylpipendinium aluminates, alkylalkoxy Ammonium aluminates (alkylalkoxyammonium aluminates), alalkylphosphonium aluminates (aralkylphosphonium aluminates), alalkylsulfonium aluminates (aralkylsulfonium aluminates), ethylmethylimidazolium tetrachloroaluminate (ethylmethylimidazolium tetrachloroaluminate), etc. may be included. . As the organic electrolyte, aluminum salts such as AlCl 3 and Al(NO 3 ) 3 are mixed with propylene carbonate, acetonitrile, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and ethyl methyl carbonate (Ethyl). Methyl Carbonate), diethyl carbonate (Diethyl Carbonate), methyl tert-butyl ether (Methyl tert-butyl ether), propylene glycol (Propylene glycol), such as dissolved in an organic solvent may be included. The aqueous electrolyte may include an aqueous solution such as AlCl 3 , Al(NO 3 ) 3 .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전해질은 바람직하게 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체의 혼합물일 수 있다.In one embodiment of the present application, the electrolyte may preferably be a mixture of aluminum halide and an ionic liquid.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체는 1: 1.1 내지 2.0의 몰비로 혼합될 수 있다.In one embodiment of the present application, the aluminum halide and the ionic liquid may be mixed in a molar ratio of 1: 1.1 to 2.0.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the aluminum halide may include at least one selected from the group consisting of AlCl 3 , AlBr 3 and AlI 3 .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-Ethyl-3-methylimidazolium bromide, [EMIM]Br), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide, [EMIM]I), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-butyl-3-methylimidazolium cholride, [BMIM]Cl]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-butyl-3-methylimidazolium bromide, [BMIM]Br]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드 (1-butyl-3-methylimidazolium iodide,[BMIM]I]), 1-(1-부틸)피리디움 클로라이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride) 및1-(1-부틸)피리디움 브로마이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl), 1-ethyl-3-methylimidazolium Bromide (1-Ethyl-3-methylimidazolium bromide, [EMIM]Br), 1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide (1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide, [EMIM]I), 1-Butyl- 3-methylimidazolium chloride (1-butyl-3-methylimidazolium cholride, [BMIM]Cl]), 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([BMIM]Br] ), 1-butyl-3-methylimidazolium iodide (1-butyl-3-methylimidazolium iodide, [BMIM] I]), 1- (1-butyl) pyridium chloride (1- (1-butyl) pyridinium chloride) and 1-(1-butyl)pyridium bromide (1-(1-butyl)pyridinium chloride).

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄 이차전지의 제조방법은 음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 순차로 적층한 후, 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄 이차전지의 제조방법으로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자, 및 바인더를 혼합하여 제조한 슬러리를 양극 집전체 상에 코팅하는 방법으로 형성되는 것일 수 있다,In one embodiment of the present application, the method for manufacturing the aluminum secondary battery comprises sequentially stacking a negative electrode current collector, a negative electrode, a separator, a positive electrode and a positive electrode current collector, and then injecting an electrolyte. As a manufacturing method, the negative electrode is configured to include aluminum, and the positive electrode is prepared by mixing a graphite material or transition metal dichalcogenide, a one-dimensional carbon structure material or carbon nanoparticles, and a binder to collect a slurry. It may be formed by a method of coating on the whole,

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 스티렌 부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR) 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있으며, 바람직하게는 스티렌 부타디인 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1:1~50의 질량 비율(더욱 바람직하게는 1:1의 질량 비율)로 혼합하여 사용되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the binder is a group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR) and carboxymethyl cellulose sodium salt (CMC). It may be configured to include one or more selected from, preferably, styrene-butadiene rubber (SBR) and carboxymethyl cellulose sodium salt (CMC) of 1:1 to 50 It may be used by mixing in a mass ratio (more preferably a mass ratio of 1:1).

본원의 일 구현예에 있어서, 충전 과정 동안에 일어나는 알루미늄 이차전지의 작동 메커니즘은 다음과 같다 (참고문헌: Chem. Mater. 29, 4484 (2017)). 구체적으로, 음극 측에서, 충전 및 방전 반응 동안 각각 금속 Al, AlCl4 - 및 Al2Cl7 -가 활성종(active species)으로 작용할 수 있다. 양극 측에서는, 충전 및 방전 반응 동안 흑연 층 평면 사이의 공간 내로 주로 AlCl4 -가 각각 인터칼레이션되고 디인터칼레이션될 수 있다.In one embodiment of the present application, the operating mechanism of the aluminum secondary battery occurring during the charging process is as follows (Reference: Chem. Mater. 29, 4484 (2017)). Specifically, on the cathode side, metals Al, AlCl 4 and Al 2 Cl 7 may act as active species during the charging and discharging reactions, respectively. On the anode side, mainly AlCl 4 can intercalate and deintercalate into the space between the graphite layer planes during the charging and discharging reactions, respectively.

(음극): 4Al2Cl7 - + 3e- ⇔ 7AlCl4 - + Al(cathode): 4Al 2 Cl 7 - + 3e - ⇔ 7AlCl 4 - + Al

(양극): xC + AlCl4 - ⇔ Cx(AlCl4 -) + e- (Anode): xC + AlCl 4 - ⇔ Cx(AlCl 4 - ) + e -

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 알루미늄 이차전지의 단위무게당 에너지밀도는 40 Wh/Kg 내지 110 Wh/Kg인 것일 수 있으며, 바람직하게는 60 Wh/Kg 내지 110 Wh/Kg인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 80 Wh/Kg 내지 110 Wh/Kg인 것일 수 있다. 이는 기존 알려진 알루미늄 이차전지의 단위무게당 에너지밀도인 40 Wh/Kg을 넘어서는 것으로서, 최대 약 2.5배 만큼 향상된 에너지밀도를 가지는 것일 수 있다. 또한, 상기 상기 알루미늄 이차전지는 300 사이클 바람직하게는 500 사이클 이상에서 쿨롱효율(coulombic efficiency)이 90% 이상 유지되는 것일 수 있으며, 충방전 용량(specific capacity)이 50 mAh/g 이상 유지되는 것일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 알루미튬 이차전지는 1 μm 내지 10 μm 두께 범위의 초박막 알루미늄 음극을 사용함에도 불구하고, 전기화학적 특성이 우수한 것일 수 있으며, 초경량의 알루미늄 이차전지가 제조 가능한 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the energy density per unit weight of the aluminum secondary battery may be 40 Wh/Kg to 110 Wh/Kg, preferably 60 Wh/Kg to 110 Wh/Kg, More preferably, it may be 80 Wh/Kg to 110 Wh/Kg. This exceeds the known energy density per unit weight of 40 Wh/Kg of an aluminum secondary battery, and may have an energy density improved by a maximum of about 2.5 times. In addition, the aluminum secondary battery may have a coulombic efficiency of 90% or more at 300 cycles, preferably 500 cycles or more, and a specific capacity of 50 mAh/g or more. there is. That is, the aluminum secondary battery according to the present invention may have excellent electrochemical properties despite using an ultra-thin aluminum negative electrode having a thickness of 1 μm to 10 μm, and an ultra-light aluminum secondary battery may be manufactured.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

실시예 1-1. 초박막 알루미늄 (두께 2 μm)을 음극으로 적용한 알루미늄 이차전지의 제조Example 1-1. Manufacture of an aluminum secondary battery using ultra-thin aluminum (2 μm thick) as a negative electrode

1. 초박막 알루미늄 이차전지용 음극 제조1. Manufacture of anode for ultra-thin aluminum secondary battery

알루미늄 이차전지 음극을 글러브 박스 안에서 조립하였다. 전극 제조에 앞서 알루미늄 음극활물질을 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 내지 48시간 담그는 전처리 과정을 수행하였다. 이 과정을 통하여 알루미늄 음극 표면의 산화막이나 불순물을 제거함으로써 이후 제조되는 알루미늄 이차전지의 구동을 가능하게 하였다. 전처리 과정을 거친 음극활물질을 멀티 타겟 스퍼터링 장비인 Sorona 사의 SRN-110을 이용하여, DC(Direct Current) 2.5 kW를 조사하고, 압력 5 mTorr 하에서 아르곤 가스 65 sccm을 투입하면서 몰리브데늄 집전체(도 1a) 상에 증착시킴으로써 알루미늄 이차전지용 음극을 제조하였다. 이때, 상기 증착된 알루미늄 음극활물질의 두께는 2 μm 이었다(도 1b 내지 1e). 상기 몰리브데늄 집전체에 대한 SEM 사진을 도 1a에 나타내었으며, 상기 증착된 알루미늄 음극활물질의 SEM 사진을 배율을 달리하여 각각 도 1b 내지 1e에 나타내었다.The aluminum secondary battery negative electrode was assembled in a glove box. Prior to electrode preparation, a pretreatment process was performed in which the aluminum anode active material was immersed in an electrolyte in which aluminum halide and an ionic liquid were mixed for 1 second to 48 hours. By removing the oxide film or impurities on the surface of the aluminum anode through this process, it was possible to drive the aluminum secondary battery to be manufactured later. The negative active material that has undergone the pretreatment process is irradiated with DC (Direct Current) 2.5 kW using SRN-110 of Sorona, a multi-target sputtering equipment, and 65 sccm of argon gas is injected under a pressure of 5 mTorr while molybdenum current collector (Fig. A negative electrode for an aluminum secondary battery was prepared by depositing on 1a). At this time, the thickness of the deposited aluminum anode active material was 2 μm ( FIGS. 1B to 1E ). An SEM photograph of the molybdenum current collector is shown in FIG. 1A, and the SEM images of the deposited aluminum negative active material are shown in FIGS. 1B to 1E at different magnifications, respectively.

2. 알루미늄 이차전지의 제조2. Manufacturing of aluminum secondary battery

알루미늄 이차전지의 양극으로는 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil)을 단독으로 사용하였으며, 상기 열분해 흑연호일을 직경 18 mm 크기의 코인형(coin type) 전극으로 만들었다.A pyrolytic graphite foil (PG foil) was used alone as the positive electrode of the aluminum secondary battery, and the pyrolytic graphite foil was made into a coin type electrode having a diameter of 18 mm.

또한, 분리막으로서 18 mm 크기의 와트만 사의 유리섬유(glass Fiber) 분리막(glass microfiber filters, Grade GF/B)를 사용하였다. In addition, as a separator, an 18 mm-sized Whatman's glass fiber separator (glass microfiber filters, Grade GF/B) was used.

마지막으로, 양극과 음극에 채워지는 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해질을 사용하였다. 음극은 몰리브데늄 집전체 상에 2 μm두께로 증착된 초박막 알루미늄을 사용하였으며, 상기 알루미늄을 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다.Finally, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 molar ratio) ionic liquid electrolyte filled in the anode and cathode was used. As the negative electrode, ultra-thin aluminum deposited to a thickness of 2 μm on a molybdenum current collector was used, and the aluminum was made into a coin-type electrode having a diameter of 18 mm.

실시예 1-2. 초박막 알루미늄 (두께 2 μm)을 음극으로 적용한 알루미늄 이차전지의 제조Example 1-2. Manufacture of an aluminum secondary battery using ultra-thin aluminum (2 μm thick) as a negative electrode

1. 초박막 알루미늄 이차전지용 음극 제조 1. Manufacture of anode for ultra-thin aluminum secondary battery

상기 실시예 1-1의 초박막 알루미늄 이차전지용 음극과 동일하게 제조하였다.It was prepared in the same manner as the negative electrode for an ultra-thin aluminum secondary battery of Example 1-1.

2. 알루미늄 이차전지의 제조2. Manufacturing of aluminum secondary battery

알루미늄 이차전지의 양극으로써 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 상에 코팅시킨 그래핀 및 탄소나노튜브를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 알루미늄 이차전지를 제조하였다.An aluminum secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1-1, except that graphene and carbon nanotubes coated on a pyrolytic graphite foil (PG foil), which are a positive electrode current collector, were used as the positive electrode of the aluminum secondary battery. did

실시예 1-3. 초박막 알루미늄 (두께 2 μm)을 음극으로 적용한 알루미늄 이차전지의 제조Examples 1-3. Manufacture of an aluminum secondary battery using ultra-thin aluminum (2 μm thick) as a negative electrode

1. 초박막 알루미늄 이차전지용 음극 제조1. Manufacture of anode for ultra-thin aluminum secondary battery

상기 실시예 1-1의 초박막 알루미늄 이차전지용 음극과 동일하게 제조하였다.It was prepared in the same manner as the negative electrode for an ultra-thin aluminum secondary battery of Example 1-1.

2. 알루미늄 이차전지의 제조2. Manufacturing of aluminum secondary battery

알루미늄 이차전지의 양극으로써 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 또는 몰리브데늄 호일 (Mo foil)상에 코팅시킨 전이금속 다이칼코게나이드 소재인 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 알루미늄 이차전지를 제조하였다.Molybdenum disulfide (MoS 2 ), a transition metal dichalcogenide material coated on pyrolytic graphite foil (PG foil) or molybdenum foil (Mo foil), is used as the positive electrode of the aluminum secondary battery. Except for that, an aluminum secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1-1.

실시예 1-4. 초박막 알루미늄 (두께 2 μm)을 음극으로 적용한 알루미늄 이차전지의 제조Examples 1-4. Manufacture of an aluminum secondary battery using ultra-thin aluminum (2 μm thick) as a negative electrode

1. 초박막 알루미늄 이차전지용 음극 제조1. Manufacture of anode for ultra-thin aluminum secondary battery

상기 실시예 1-1의 초박막 알루미늄 이차전지용 음극과 동일하게 제조하였다.It was prepared in the same manner as the negative electrode for an ultra-thin aluminum secondary battery of Example 1-1.

2. 알루미늄 이차전지의 제조2. Manufacturing of aluminum secondary battery

알루미늄 이차전지의 양극으로써 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 또는 몰리브데늄 호일 (Mo foil) 상에 코팅시킨 전이금속 다이칼코게나이드 소재인 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2)과 탄소나노튜브의 복합소재를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 알루미늄 이차전지를 제조하였다.Molybdenum disulfide (MoS 2 ), a transition metal dichalcogenide material coated on pyrolytic graphite foil (PG foil) or molybdenum foil (Mo foil) as a positive electrode of an aluminum secondary battery, and carbon nano An aluminum secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that the composite material of the tube was used.

실시예 2. 초박막 알루미늄 (두께 5 μm)을 음극으로 적용한 알루미늄 이차전지의 제조Example 2. Manufacture of an aluminum secondary battery using ultra-thin aluminum (thickness of 5 μm) as a negative electrode

상기 실시예 1-1 내지 1-4의 1. 초박막 알루미늄 이차전지용 음극 제조에서 5 μm의 두께로 알루미늄 음극활물질을 몰리브데늄 집전체에 증착시킨 것을 제외하고는 동일한 방법을 사용하여 알루미늄 이차전지를 제조하였다.An aluminum secondary battery was prepared in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4, except that an aluminum anode active material was deposited on a molybdenum current collector to a thickness of 5 μm in the preparation of the anode for ultra-thin aluminum secondary battery 1. prepared.

비교예 1. 음극인 알루미늄의 두께가 10 μm인 알루미늄 이차전지 준비Comparative Example 1. Preparation of an aluminum secondary battery having a thickness of 10 μm of aluminum as an anode

상기 실시예의 알루미늄 이차전지 음극과 제조방법 및 사용되는 물질은 동일하나, 음극으로 사용되는 알루미늄의 두께가 10 μm인 알루미늄 이차전지를 준비하였다.Although the manufacturing method and materials used as the negative electrode of the aluminum secondary battery of the above embodiment are the same, an aluminum secondary battery having a thickness of 10 μm of aluminum used as the negative electrode was prepared.

비교예 2. 음극인 알루미늄의 두께가 25 μm인 알루미늄 이차전지 준비Comparative Example 2. Preparation of an aluminum secondary battery having a thickness of 25 μm of aluminum as an anode

상기 실시예의 알루미늄 이차전지 음극과 제조방법 및 사용되는 물질은 동일하나, 음극으로 사용되는 알루미늄의 두께가 25 μm인 알루미늄 이차전지를 준비하였다.Although the manufacturing method and materials used as the negative electrode of the aluminum secondary battery of the above embodiment are the same, an aluminum secondary battery having a thickness of 25 μm of aluminum used as the negative electrode was prepared.

실험예 1. 알루미늄 이차전지의 에너지밀도 측정Experimental Example 1. Measurement of Energy Density of Aluminum Secondary Battery

상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 알루미늄 이차전지의 단위무게당 에너지밀도를 측정하기 위하여, 정전류 충전/방전 반응을 0.01V 내지 2.45V의 전지 전압에서 수행하였으며, 다채널을 가지고 있는 일정전위기 (VSP potentiostat/galvanostat/EIS, BioLogic) 장비를 사용하여, 정전류 충전/방전 용량을 측정하였다. 이에 대한 결과를 도 2 내지 4에 각각 나타내었다.In order to measure the energy density per unit weight of the aluminum secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, a constant current charging/discharging reaction was performed at a battery voltage of 0.01 V to 2.45 V, and having multiple channels. Using a constant potential (VSP potentiostat/galvanostat/EIS, BioLogic) equipment, constant current charge/discharge capacity was measured. The results are shown in FIGS. 2 to 4, respectively.

도 2를 참조하여 보면, 실시예 1에 따라 제조된 알루미늄 이차전지는 약 66 mA/g의 전류밀도에서 약 103 Wh/kg의 에너지 밀도(energy density) 값과 약 98.8%의 충방전 효율 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 3(비교예 1) 및 4(비교예 2)를 참조하면, 알루미늄 음극의 두께가 각각 10 μm, 25 μm로 커질수록 에너지 밀도값이 각각 72 Wh/kg, 40 Wh/kg으로 낮아 지는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 2 , the aluminum secondary battery manufactured according to Example 1 had an energy density value of about 103 Wh/kg and a charge/discharge efficiency value of about 98.8% at a current density of about 66 mA/g. could see what was visible. On the other hand, referring to FIGS. 3 (Comparative Example 1) and 4 (Comparative Example 2), as the thickness of the aluminum anode increases to 10 μm and 25 μm, respectively, the energy density values are lowered to 72 Wh/kg and 40 Wh/kg, respectively. I could see losing.

이에 따라, 실시예 1에서 제조된 알루미늄 이차전지의 단위무게당 에너지 밀도가 비교예 1 및 2에 비해 더욱 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that the energy density per unit weight of the aluminum secondary battery prepared in Example 1 was higher than those of Comparative Examples 1 and 2.

실험예 2. 알루미늄 이차전지의 사이클 특성 측정Experimental Example 2. Measurement of cycle characteristics of an aluminum secondary battery

상기 실시예 1에서 제조된 알루미늄 이차전지의 사이클 특성을 분석하기 위하여 다채널을 가지고 있는 일정전위기 (VSP potentiostat/galvanostat/EIS, BioLogic) 장비를 사용하여 사이클 특성을 평가하였으며, 이에 대한 결과를 도 5에 나타내었다.In order to analyze the cycle characteristics of the aluminum secondary battery prepared in Example 1, the cycle characteristics were evaluated using a constant potential (VSP potentiostat/galvanostat/EIS, BioLogic) equipment having multiple channels, and the results are shown 5 is shown.

도 5를 참조하여 보면, 상기 실시예 1에서 제조된 알루미늄 이차전지는 500 사이클 후에도 약 95% 이상의 높은 쿨롱효율(coulombic efficiency)을 나타내었으며, 약 60 mAh/g의 충/방전 용량을 나타내어 우수한 안정성을 가진 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 5 , the aluminum secondary battery prepared in Example 1 exhibited a high coulombic efficiency of about 95% or more even after 500 cycles, and exhibited a charge/discharge capacity of about 60 mAh/g, resulting in excellent stability. was confirmed to have

Claims (6)

음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 증착된 음극활물질을 포함하는 음극부;
양극 집전체 및 상기 양극 집전체에 증착된 양극활물질을 포함하는 양극부;
상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및
전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서,
상기 음극활물질은 알루미늄을 포함하고,
상기 음극활물질의 증착은 스퍼터링을 이용하여 증착되어 상기 음극활물질이 음극 집전체 상에 고르게 분포되고,
상기 음극 집전체에 증착된 음극활물질의 두께는 1 내지 5 μm 미만이고,
상기 알루미늄 이차전지의 단위무게당 에너지밀도는 80 Wh/Kg 내지 110 Wh/Kg이며,
상기 알루미늄 이차전지는 300 사이클 이상에서 쿨롱효율(coulombic efficiency)이 90% 이상 유지되는 것인 알루미늄 이차전지.
a negative electrode unit including a negative electrode current collector and a negative electrode active material deposited on the negative electrode current collector;
a positive electrode unit including a positive electrode current collector and a positive electrode active material deposited on the positive electrode current collector;
a separator interposed between the anode part and the cathode part; and
An aluminum secondary battery comprising an electrolyte, comprising:
The negative active material includes aluminum,
The anode active material is deposited using sputtering so that the anode active material is evenly distributed on the anode current collector,
The thickness of the negative electrode active material deposited on the negative electrode current collector is less than 1 to 5 μm,
The energy density per unit weight of the aluminum secondary battery is 80 Wh/Kg to 110 Wh/Kg,
In the aluminum secondary battery, a coulombic efficiency of 90% or more is maintained at 300 cycles or more.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 이차전지는 300 사이클 이상에서 충방전 용량(specific capacity)이 60 mAh/g 이상 유지되는 것인 알루미늄 이차전지.
The method of claim 1,
The aluminum secondary battery is an aluminum secondary battery that maintains a charge/discharge capacity (specific capacity) of 60 mAh/g or more in 300 cycles or more.
제1항에 있어서,
상기 양극활물질은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며,
상기 층상구조를 이루는 활물질은 그래핀과 탄소나노튜브의 3차원 복합체 또는 전이금속 다이칼코게나이드와 탄소나노튜브의 3차원 복합체를 포함하는 것인 알루미늄 이차전지.
The method of claim 1,
The positive electrode active material is composed of an active material forming a layered structure,
The active material constituting the layered structure is an aluminum secondary battery comprising a three-dimensional composite of graphene and carbon nanotubes or a three-dimensional composite of transition metal dichalcogenide and carbon nanotubes.
제1항의 알루미늄 이차전지의 제조방법으로서,
음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 각각 준비하는 단계;
상기 음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 적층하는 단계; 및
전해질을 주입하는 단계;
를 포함하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
As a method for manufacturing the aluminum secondary battery of claim 1,
preparing a negative electrode current collector, a negative electrode, a separator, a positive electrode, and a positive electrode current collector, respectively;
stacking the negative current collector, the negative electrode, the separator, the positive electrode and the positive electrode current collector; and
injecting an electrolyte;
A method of manufacturing an aluminum secondary battery comprising a.
제4항에 있어서,
상기 음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 각각 준비하는 단계;는,
상기 음극 집전체에 스퍼터링을 이용하여 알루미늄을 증착시키는 단계;를 포함하는, 알루미늄 이차전지의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Preparing the negative electrode current collector, the negative electrode, the separator, the positive electrode and the positive electrode current collector, respectively;
Depositing aluminum on the negative electrode current collector by sputtering; comprising, a method of manufacturing an aluminum secondary battery.
제5항에 있어서,
상기 스퍼터링은 DC(Direct Current) 스퍼터링 방법에 의해 수행되는 것인 알루미늄 이차전지의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The sputtering is a method of manufacturing an aluminum secondary battery that is performed by a DC (Direct Current) sputtering method.
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