KR102443867B1 - 전극 소자용 화합물 및 이를 포함하는 전극, 에너지 저장 소자 - Google Patents
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Abstract
전극 소자용 화합물 및 이를 포함하는 전극, 에너지 저장 소자가 개시된다. 상기 전극 소자용 화합물은 레독스-활성 화합물로서, 전극의 활물질로 사용되었을 때, 우수한 전기화학적 특성을 나타낼 수 있다.
Description
본 발명은 전극 소자용 화합물, 특히 레독스-활성 화합물 및 이를 포함하는 전극과, 전극을 포함하는 에너지 저장 소자에 관한 것이다.
종래의 리튬 2차 전지는 양극에 코발트산 리튬(LiCoO2), 니켈산 리튬(LiNiO2), 망간산 리튬(LiMn2O4) 등의 리튬계 무기 금속 산화물이 사용되고, 음극에 탄소계 재료가 사용되고 있다. 이들 전극 재료가 가지는 이론 용량은 양극 재료가 100 내지 150Ah/kg인 데 대하여, 음극 재료는 그 3배 이상(탄소 재료로 370 내지 800Ah/kg)인 것이 알려져 있다.
그러나, 이들 리튬계 무기 금속 산화물 전극물질은 전지 폭발의 위험, 높은 독성, 재활용의 어려움, 높은 가격 및/또는 낮은 비용량(specific capacity)과 같은 다수의 단점을 나타낸다. 또한, 이들 무기 물질은 일반적으로 지질학적 기원의 자원으로부터 제조되고, 제조 시에 에너지를 소비한다. 전지의 예상 생산 용량을 고려하면, 이들 무기 전극 물질들은 미래에는 다량으로 더 이상은 이용될 수 없다는 위험이 있다. 이에 따라, 전이 금속을 기반으로 하는 금속 산화물에 비해 구조적 다양성을 확보하기 쉽고, 가격 측면에서 경쟁력이 높으며, 환경 친화적인 유기물 기반의 전극 소재에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 점에서, 레독스 유기 구조체(예를 들어, 질소산화물 유도체, 폴리방향족 화합물), 즉, 전자들을 전극과 교환하는 동시에 리튬 이온과 결합함으로써 하나 이상의 가역성 산화/환원 반응(reversible oxidation/reduction reaction)을 수행할 수 있는 유기 구조체를 양극 또는 음극 활물질로 포함하는 유기 리튬이차전지는 재생가능한 자원으로부터 잠재적으로 유도되어 더욱 풍부할 수 있는 화학적 원소(특히, C, H, N, O, S)를 포함하는 이점을 나타낸다.
또한, 이들의 전기화학적 특성(이온 및 전자 전도 특성, 산화 전위, 비용량)은 적절한 작용기화(예를 들어, 산화환원 중심에 근접한 전자끄는 기의 도입)를 통해 조절될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 레독스 유기 구조체는 일반적으로 1 g/cm3 정도의 상대 밀도를 가지므로, 이들은 무기 전극 물질보다 더욱 가벼워서, 감소된 중량을 나타내는 리튬 전지를 제공할 수 있다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 연구하던 중, 해당 유기소재의 레독스 활성(redox-active)인 구조체를 활용하고, 기존 유기 소재 기반 전극의 용해도 문제를 해결함으로써 고안정성의 유기물 소재 전극개발에 성공하였고, 본 발명에 이르게 되었다.
또한 해당 유기소재는, 기존의 리튬, 소듐을 사용한 이차전지와는 달리, 레독스 플로우 전지의 경우 용매 속에 활물질이 녹아 있는 상태로 양극과 음극에서 각각의 활물질이 산화 환원 반응을 거치면서, 충전되고 방전되는 용량 발현 메커니즘을 가지고, 음극 전해액과 양극 전해액으로 사용되는 전해액에 각각 녹여 주는 활물질의 산화환원쌍(Redox couple)의 표준 환원 전위를 달리하게 되면 이 각각의 전위의 차이로 인하여 셀의 작동 전압이 결정되는 특성을 갖는, 경제성과 더불어 긴 수명을 가지는 이차전지인 레독스 플로우 전지에서도 활용이 가능할 것이다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 전극 소자용 화합물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 화합물을 포함하는 전극을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시에는 상기 전극을 포함하는 에너지 저장 소자를 제공한다.
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.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는, 전극 소자용 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 수소, 나이트릴기, N-치환 또는 비치환된 아미드기, N-치환 또는 비치환된 아민기, 또는 할로겐이거나, 또는 X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환 또는 비치환된 아릴환을 형성하고, Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 질소 또는 황이다.
상기 Y1 내지 Y6은 질소이고, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 나이트릴기, N-치환 또는 비치환된 아미드기, N-치환 또는 비치환된 아민기, 또는 할로겐이거나, 또는 X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환 또는 비치환된 아릴환을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 화합물은 하기 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 Y1 내지 Y6은 황이고, X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환 또는 비치환된 아릴환을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 화합물은 하기 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은,
상기 전극 소자용 화합물을 포함하는 전극을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은,
상기 전극을 포함하는 에너지 저장 소자를 제공한다.
상기 에너지 저장 소자는 슈퍼 커패시터, 알루미늄 이차전지, 리튬 이차전지, 또는 레독스-플로우(redox-flow) 전지인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전극 소자용 화합물을 포함하는 전극을 사용한 에너지 저장 소자, 특히 전극 활물질로 적용된 경우 금속 석출의 문제점이 없을 뿐만 아니라 용매에 따른 용해도 증가로 고농도 사용이 가능하여 고에너지 밀도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 작동전압을 얻을 수 있으며, 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한 고가의 유기 전해액을 적용하지 않아도 되므로 경제성이 우수하다는 이점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCN에 대한 13C-NMR (DMSO-d6) 데이터이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCA에 대한 13C-NMR (DMSO-d6) 데이터이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCA에 대한 1H-NMR (DMSO-d6) 데이터이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 TTA의 1H-NMR(CDCl3) 데이터이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 TTA와 TTA-HB 소재의 전극으로 사용했을 때의 충/방전 곡선이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 TTA 계열 전극의 싸이클에 따른 용량 안정성 및 쿨롱효율 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCN 및 TAA-HB 전극의 충/방전 곡선이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCN 및 TAA-HB 전극의 싸이클에 따른 용량 안정성 및 쿨롱효율 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCA에 대한 13C-NMR (DMSO-d6) 데이터이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCA에 대한 1H-NMR (DMSO-d6) 데이터이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 TTA의 1H-NMR(CDCl3) 데이터이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 TTA와 TTA-HB 소재의 전극으로 사용했을 때의 충/방전 곡선이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 TTA 계열 전극의 싸이클에 따른 용량 안정성 및 쿨롱효율 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCN 및 TAA-HB 전극의 충/방전 곡선이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HAT-HCN 및 TAA-HB 전극의 싸이클에 따른 용량 안정성 및 쿨롱효율 결과 그래프이다.
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.
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.
본원의 제 1 측면은,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는, 전극 소자용 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 수소, 나이트릴기, N-치환 또는 비치환된 아미드기, N-치환 또는 비치환된 아민기, 또는 할로겐이거나, 또는 X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환 또는 비치환된 아릴환을 형성하고, Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 질소 또는 황이다.
이하, 본원의 제 1 측면에 따른 전극 소자용 화합물에 대하여 상세히 설명한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Y1 내지 Y6은 질소이고, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 나이트릴기, N-치환 또는 비치환된 아미드기, N-치환 또는 비치환된 아민기, 또는 할로겐이거나, 또는 X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환 또는 비치환된 아릴환을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예컨대, X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환된 아릴환을 형성하는 경우, 치환기로서 각각 독립적으로 나이트릴기, N-치환 또는 비치환된 아미드기, N-치환 또는 비치환된 아민기, 또는 할로겐을 가질 수 있다.
상기의 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화합물은 하기 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 다른 일 구현예에 있어서, Y1 내지 Y6은 황이고, X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환 또는 비치환된 아릴환을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예컨대, X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 치환된 아릴환을 형성하는 경우, 치환기로서 각각 독립적으로 나이트릴기, N-치환 또는 비치환된 아미드기, N-치환 또는 비치환된 아민기, 또는 할로겐을 가질 수 있다.
상기의 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화합물은 하기 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 화학식 1과 같은 구조를 가짐으로써, Li과 산화환원 반응이 가능한 질소(N) 또는 황(S)이 구조의 내부 코어(core)에 위치하고 있고, 이러한 특징은 전극의 소재 등으로 사용되었을 때, Li과 반응할 수 있는 위치(site)가 많아짐으로써, 단위 무게당 용량이 우수해질 수 있다. 특히, 할로겐(예컨대, Br) 치환된 구조의 경우, 안정성이 향상된 결과를 보여주고 있어 이차전지 음극소재로 활용 가능하다. 또한 TTA, HAT 기반 소재는 레독스 플로우 배터리 소재로 활용될 수 있다.
본원의 제 2 측면은,
상기 전극 소자용 화합물을 포함하는 전극을 제공한다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본원의 제 2 측면에 따른 상기 전극을 상세히 설명한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극의 활물질은 이차전지 또는 슈퍼커패시터 등에 사용되는 것일 수 있으며, 상기 전극 소자용 화합물은 레독스-활성인 N과 S가 분자구조내에 복수로(예컨대, 6개씩) 배열되어 있어, 전자 반응 위치(site)가 많고, 또한 본원의 일 구현예에서는 할로겐(예컨대, Br) 처리에 의해 유기물 소재의 전해질 내에서의 용해도가 줄어서 안정성이 향상될 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 활물질은 전극 집전체 상에 형성되어 있는 것일 수 있다. 이때, 상기 전극 집전체는 소자의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 종류에 크게 제한이 없는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등이 표면 처리된 물질을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 전극 집전체는 약 3 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는 것일 수 있으며, 상기 집전체의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 활물질의 접착력을 높이는 것일 수 있다. 즉, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용 가능한 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 활물질은 활물질 이외에 도전재 및 바인더를 더 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 소자의 화학적 변화를 유발하지 않고 전기 전도성을 갖는 것이라면 종류에 크게 제한이 없는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 도전재는 천연 흑연 또는 인조 흑연 등의 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프블랙, 서머블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질, 구리, 니켈 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유, 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키, 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 도전재는 통상적으로 상기 전극 활물질 100 중량부 대비 1 중량부 내지 30 중량부의 함량으로 사용되는 것일 수 있다.
또한, 상기 바인더는 전극 활물질 입자들 간의 부착 및 전극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더는 예를 들어, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 바인더는 통상적으로 상기 전극 활물질 100 중량부 대비 1 중량부 내지 30 중량부의 함량으로 사용되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이차전지는 바람직하게 리튬 이차전지인 것일 수 있으며, 상기 리튬 이차전지는 구체적으로, 양극; 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 전극 활물질은 바람직하게 상기 양극의 활물질로 사용되는 것일 수 있으며, 상기 음극의 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용되는 것일 수 있다.
또한, 상기 슈퍼커패시터는 바람직하게 하이브리드 슈퍼커패시터인 것일 수 있으며, 상기 하이브리드 슈퍼커패시터는 구체적으로, 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 전극 활물질은 바람직하게 상기 음극의 활물질로 사용되는 것일 수 있으며, 상기 양극의 양극 활물질로는 활성탄이 사용되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 슈퍼커패시터에 사용되는 전해질은 유기용매에 염 및 첨가제를 혼합하여 사용하는 것일 수 있다. 이때, 상기 유기용매는 ACN(Acetonitrile), EC(Ethylene carbonate), PC(Propylene carbonate), DMC(Dimethyl carbonate), DEC(Diethyl carbonate), EMC(Ethylmethyl carbonate), DME(1,2-dimethoxyethane), GBL(γ-buthrolactone), MF(Methyl formate), MP(Methyl propionate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 염은 0.8 내지 2 M가 사용되며, 리튬(Li)염과 비리튬(non-lithium)염을 혼합하여 사용하는 것일 수 있다. 상기 리튬(Li)염은 상기 음극 활물질, 즉 금속-유기 다면체의 구조 내로 삽입/탈리 반응을 수반하며, 이의 종류로는 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(Lithium bis(oxalato)borate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 비리튬염은 탄소재질 첨가제의 표면적에 흡/탈착 반응을 수반하며, 리튬염에 0 내지 0.5 M를 혼합하여 사용하는 것일 수 있다. 이때, 상기 비리튬염은 TEABF4(Tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(Triethylmethylammonium tetrafluorborate), SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 탄소재질 첨가제는 VC(Vinylene Carbonate), VEC(Vinyl ethylene carbonate), FEC( Fluoroethylene carbonate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 위치되어 양극과 음극이 서로 물리적으로 접촉되어 전기적으로 쇼트(short)되는 것을 방지하며, 다공성을 갖는 물질이 사용되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 구성을 가진 하이브리드 슈퍼커패시터는 음극 활물질로서 메탈로센 구조를 포함하는 금속-유기 다면체를 사용하여 때문에 높은 전기 전도도를 가지며, 탄소재질 첨가제의 높은 비표면적으로 인하여 용량이 개선되어 높은 출력특성을 가지는 것일 수 있다. 즉, 상기 금속-유기 다면체에 형성된 다수의 공간에 탄소재질 첨가제가 삽입되어 이를 포함하는 하이브리드 슈퍼커패시터가 우수한 전기 전도도, 정전용량 및 출력특성을 나타내는 것일 수 있다.
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.
실시예 1. 유기 소재(HAT-HCN)의 합성
hexaketocyclohexane octahydrate (10.0 g, 32 mmol)와 diaminomaleonitrile를 아세트산에 녹이고 2시간동안 가열하면서 환류교반 하였다. 그 후 생긴 검은 침전물을 뜨거운 아세트산으로 씻어주고 건조한다. 제조된 HAT-HCN를 13C-NMR (DMSO-d6) 측정하여 결과를 도 1에 나타내었다. 또한 도 1에 나타난 피크값은 아래와 같다.
- 13C-NMR (DMSO-d6): δ 113.5 (s, CN’s), 134.7 (s, internal Ar carbons), 140.9 (s, peripheral Ar carbons)
실시예 2. 유기 소재(HAT-HCA)의 합성
진한 황산 100 mL에 HAT-HCN (4.80 g, 12.5 mmol)를 넣고 72시간동안 상온에서 교반한다. 그후 얼음물 3L를 빠르게 넣어 생긴 고체 침전물을 필터로 해서 얻는다. 고체 침전물을 물과 아세톤으로 씻어준 후 건조해서 검은색의 HAT-HCA를 얻는다. 제조된 HAT-HCA를 13C-NMR (DMSO-d6) 및 1H-NMR (DMSO-d6)를 측정하여 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다. 또한 도 2 및 도 3에 나타난 피크값은 아래와 같다.
- 13C-NMR (DMSO-d6): δ 140.3 (s, internal Ar carbons), 148.2 (s, peripheral Ar carbons), 166.0 (s, CONH’s).
- 1H-NMR (DMSO-d6): δ 8.0 (s, CONH’s), 8.4 (s, CONH’s)
실시예 3. 유기 소재(TAA-HB)의 합성
hexaketocyclohexane octahydrate (1.0 g, 3.2 mmol)와 4,5-dibromobenzene-1,2-diamine (2.72 g, 10 mmol)를 아세트산에 녹이고 2시간동안 가열하면서 환류교반 한다. 그 후 생긴 갈색 침전물을 씻어주고 건조한다. 제조된 TAA-HB의 구조는 아래와 같다.
실시예 4. 유기 소재(TTA)의 합성
hexafluorobenzene (57.7 μL, 0.5 mmol)와 1,2-benzenedithiol (173 μL, 1.5 mmol), K2CO3 (0.622g 4.5 mmol)를 DMF (10 mL), THF (10 mL)에 넣고 120도에서 2일동안 교반하면서 가열한다. 그 용액을 1.0M HCl (300 mL)에 넣어서 침전시킨다. 하얀색 침전물은 필터하고 물과 메탄올로 씻어서 건조한다. 제조된 TTA를 1H-NMR (CDCl3)를 측정하여 결과를 도 4에 나타내었다. 또한 도 4에 나타난 피크값은 아래와 같다.
- 1H-NMR (CDCl3): δ 7.6 (dd, 6H), 7.3 (dd, 6H)
실시예
5. 유기 소재(TTA-HB)의 합성
TTA (4.88 g, 9.91 mmol)와 Fe (0.18g, 3.6 mmol)를 nitrobenzene (80 mL)에 넣고 Br2 (4.4 mL 85 mmol)을 천천히 넣어준 다음 이틀 동안 상온에서 방치한 후 200도에서 2시간동안 환류 교반한다. 상온으로 냉각 후 diethyl ether (300 mL)를 첨가하여 침전시킨 후 필터를 하고 다시 diethyl ether로 씻어준 다음 건조한다. 제조된 TTA-HB의 구조는 아래와 같다.
실험예 1: 전극 소자용 화합물 유기소재의 전기화학적 특성 테스트
유기소재 HAT-HCN, TAA-HB, TTA, 및 TTA-HB 각각의 분말에 전도성 카본인 Super P를 막자 사발에 1:1로 넣고 막자를 이용하여 각각 섞었다. 잘 섞인 유기분말과 Super P 혼합물에 PTFE 바인더를 8:2의 중량비로 혼합한 후 막자와 막자사발을 이용하여 압착하여 전극을 각각 제조하였다. 제조된 전극은 롤러를 이용하여 약 150㎛의 두께로 형성하였다.
이와 같이 제조된 유기소재/Super P/PTFE 전극을 약 5 mg에 해당하는 크기로 재단하고, 재단된 전극을 리튬 foil, Glass fiber 분리막, 1M LiPF6 EC/DMC 전해질과 상용 2032 코인셀(Coincell) 부품을 이용하여 이차전지 코인셀을 제작하고 전기화학측정 평가장비(충방전기)를 이용하여 이차전지 특성평가를 진행하였다.
제조된 전극의 전기화학적 평가를 위해 리튬 반쪽 전지 (half-cell)를 조립하였고, 50 mA/g의 C-rate로 0.0~3.0 V (vs. Li+/Li)의 전압 범위에서 초기 사이클의 충/방전 곡선을 얻었다. 도 5는 TTA와 TTA-HB 소재의 충/방전 곡선이고, 도 7은 HAT-HCN 및 TAA-HB 전극의 충/방전 곡선을 나타낸 것이다. 또한, 도 6은 TTA 계열 전극의 싸이클에 따른 용량 안정성 및 쿨롱효율 결과 그래프이고, 도 8은 HAT-HCN 및 TAA-HB 전극의 싸이클에 따른 용량 안정성 및 쿨롱효율 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 5 내지 8의 결과에 따르면, TTA 소재의 경우 1회 방전 용량은 550 mAh g-1이고 120%의 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)를 나타내었다. 또한, 10회 방전 용량은 167 mAh g-1이고 100%의 쿨롱 효율을 나타내었다.
Br처리된 TTA-HB 소재의 경우, 1회 방전용량이 525 mAh/g과 120%이상의 쿨롱효율을 보였으며, 10회 방전용량도 506 mAh/g및 100%의 쿨롱효율로 높은 안정성을 보여주었다.
HAT-HCN 소재의 경우 1회 방전 용량은 190 mAh g-1이고 130%의 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)를 나타내었다. 또한, 10회 방전 용량은 100 mAh g-1이고 100%의 쿨롱 효율을 나타내었다.
HAT에 3개의 벤젠고리가 추가되고 Br처리된 TAA-HB 소재의 경우, 1회 방전용량이 408 mAh/g과 120%의 쿨롱효율을 보였으며, 10회 방전용량도 370 mAh/g및 100%의 쿨롱효율로 높은 안정성을 보여주었다.
상술한 결과를 통해, 전극 활물질로서 레독스-활성 화합물이 우수한 전기화학적 특성을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 특성은 본원의 레독스-활성 화합물이 구조적으로 리튬과 활성반응이 있는 S와 N을 내부 core에 6개 포함하는 구조적 특성을 가지는 것에 기인한 것으로 판단된다.
Claims (8)
- 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는, 전극 소자용 화합물.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서,
X1 내지 X6은 각각 독립적으로 비치환된 아미드기이거나, 또는
X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 Br 두 개로 치환된 아릴환을 형성하고,
Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 질소 또는 황이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 Y1 내지 Y6은 질소이고,
X1 내지 X6은 각각 독립적으로 비치환된 아미드기이거나, 또는
X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 Br 두 개로 치환된 아릴환을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전극 소자용 화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 화합물은 하기 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전극 소자용 화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 Y1 내지 Y6은 황이고,
X1과 X2, X3과 X4, 또는 X5와 X6은 함께 Br 두 개로 치환된 아릴환을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전극 소자용 화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 화합물은 하기 화합물인 것을 특징으로 하는, 전극 소자용 화합물.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 전극 소자용 화합물을 포함하는 전극.
- 제6항의 전극을 포함하는 에너지 저장 소자.
- 제7항에 있어서,
상기 에너지 저장 소자는 슈퍼 커패시터, 알루미늄 이차전지, 리튬 이차전지, 또는 레독스-플로우(redox-flow) 전지인 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 소자.
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2020
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Non-Patent Citations (1)
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| Natrue Chemistry.(이태릭) Springer Nature. 2018.9.3., vol.10(제1023면 내지 제1030면) 1부.* |
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