KR102455689B1 - Cathode for energy storage device including metal oxide/twon-dimenstional nanostructure material-core/shell hybride particels and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 이차원 나노구조 물질의 전구체 또는 전구체 화합물에 촉매금속이 분산되어 있는 혼합액을 형성하는 단계와, 상기 혼합액에 초음파를 조사하여 미세기포를 발생시키고 상기 미세기포의 붕괴 시 발생하는 에너지를 이용하여 상기 전구체 화합물을 분해시켜 상기 이차원 나노구조 물질을 상기 촉매금속의 외벽에 합성하여 촉매금속/이차원 나노구조 물질을 형성하는 단계를 포함하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 및 그 제조방법에 있어서, 상기 촉매금속을 산화시켜 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 형성하는 단계와; 상기 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 분산액에 분산시켜 잉크를 제조하는 단계와; 상기 잉크를 집전체에 도포하여 음극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 초음파 화학법을 이용하여 금속산화물 표면에 이차원 나노구조 물질을 형성하며, 이를 통해 전자의 충,방전 시 금속 산화물의 부피 팽창을 방지하고 접촉저항이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.The present invention comprises the steps of forming a mixture in which a catalyst metal is dispersed in a precursor or precursor compound of a two-dimensional nanostructure material, and generating microbubbles by irradiating the mixed solution with ultrasonic waves and using the energy generated when the microbubbles are collapsed. to decompose the precursor compound to synthesize the two-dimensional nanostructure material on the outer wall of the catalyst metal to form a catalyst metal/two-dimensional nanostructure material - including core/shell hybrid particles A cathode for an energy storage device and a method for manufacturing the same, comprising: oxidizing the catalyst metal to form a metal oxide/two-dimensional nanostructured material; preparing an ink by dispersing the metal oxide/two-dimensional nanostructure material in a dispersion; It is a technical gist to include the step of forming a negative electrode by applying the ink to the current collector. As a result, a two-dimensional nanostructure material is formed on the surface of the metal oxide by using an ultrasonic chemical method, thereby preventing the volume expansion of the metal oxide during charging and discharging of electrons and reducing the contact resistance.
Description
본 발명은 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속산화물 표면에 이차원 나노구조 물질을 형성하며, 이를 통해 전자의 충,방전 시 금속 산화물의 부피 팽창을 방지하고 접촉저항을 감소시킬 수 있는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention relates to an anode for an energy storage device comprising a metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particle and a method for manufacturing the same, and more particularly, to form a two-dimensional nanostructure material on the surface of a metal oxide, through which the electron To provide an anode for an energy storage device comprising a metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particle capable of preventing volume expansion of metal oxides during charging and discharging and reducing contact resistance, and a method for manufacturing the same.
산업발전 및 생활수준 향상에 맞춰 휴대 전자기기의 소형화와 장시간 연속 사용을 목표로 부품의 경량화와 저소비 전력화에 대한 연구와 더불어 소형이면서 고용량을 실현할 수 있는 고성능 에너지 저장소자가 요구되고 있다. 이에 최근에는 리튬 이온 전지 또는 슈퍼 커패시터가 전기자동차, 전지전력 저장시스템 등 대용량 전력저장전지와 휴대전화, 캠코더, 노트북 등의 휴대전자기기 등과 같은 소형의 고성능 에너지원으로 사용되고 있다.In line with industrial development and improvement of living standards, a high-performance energy storage device capable of realizing small size and high capacity along with research on weight reduction and low power consumption with the goal of miniaturization of portable electronic devices and continuous use for a long time is required. Accordingly, recently, lithium ion batteries or supercapacitors have been used as large-capacity power storage batteries such as electric vehicles and battery power storage systems, and small, high-performance energy sources such as portable electronic devices such as mobile phones, camcorders, and notebook computers.
리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 면적당 큰 용량, 낮은 자기방전율 및 긴 수명 등과 같은 장점을 지니고 있다. 또한, 메모리 효과가 없기 때문에 사용자가 사용하는 데 편리하며, 수명이 길다는 특성을 지니고 있다. 그러나 리튬 이온 전지는 음극소재의 긴 확산길이 및 전해액과의 반응으로 인한 표면 오염 등과 같은 이유로 인하여 저출력 특성 및 사이클 특성의 저하가 발생한다는 문제점이 있다.Lithium-ion batteries have advantages such as high energy density, large capacity per area, low self-discharge rate, and long lifespan. In addition, since there is no memory effect, it is convenient for users to use and has a long lifespan. However, lithium ion batteries have problems in that low output characteristics and cycle characteristics are deteriorated due to reasons such as a long diffusion length of the negative electrode material and surface contamination due to reaction with an electrolyte.
이러한 종래의 리튬 금속의 문제점을 해결하고자 개발된 것이 탄소계 음극이다. 탄소계 음극은 충,방전시 리튬 이온이 탄소 전극의 결정면 사이를 흡장, 방출하면서 산화, 환원 반응을 수행하는 방식을 이용한다. 그러나 탄소계 음극은 용량 증대에 한계가 있어서 빠르게 변모하는 차세대 휴대전자기기의 에너지원으로서 충분한 역할을 감당하기 어려운 실정이다. 이에 최근 들어 실리콘(Si), 주석(Sn), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 이들의 산화물이 리튬과의 화합물 형성반응을 통해 다량의 리튬을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있음이 알려지면서 이에 대한 많은 연구가 수행되고 있다.A carbon-based anode was developed to solve the problems of the conventional lithium metal. The carbon-based negative electrode uses a method in which lithium ions are intercalated and released between the crystal planes of the carbon electrode during charging and discharging to perform oxidation and reduction reactions. However, the carbon-based anode has a limit in capacity increase, so it is difficult to play a sufficient role as an energy source for the rapidly changing next-generation portable electronic devices. Accordingly, in recent years, silicon (Si), tin (Sn), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), or their oxides can reversibly occlude and release a large amount of lithium through a compound formation reaction with lithium. As it is known that it is possible, many studies are being conducted on it.
그러나 이러한 금속은 리튬과의 합금 반응 시 결정구조의 변화를 야기시켜 부피 팽창을 수반하고, 방출되지 못하고 전극 내에서 전기적으로 고립되는 활물질을 발생시키며, 비표면적 증가에 따른 전해질 분해 반응을 심화시킨다. 또한, 충,방전 시 리튬과의 반응에 의한 금속의 체적 변화가 매우 크다. 이로 인해 연속적인 충,방전 시 음극 활물질이 집전체로부터 탈리되거나, 음극활물질 상호 간 접촉 계면의 큰 변화에 따른 저항 증가로 인해 충,방전 사이클이 진행됨에 따라 용량이 급격하게 저하되어 사이클 수명이 짧아지는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 금속산화물에 탄소나노소재를 혼합하여 복합체를 형성하는 연구가 대두되고 있다. However, these metals cause a change in crystal structure during an alloy reaction with lithium, which accompanies volume expansion, generates an active material that is not released and is electrically isolated in the electrode, and intensifies the electrolyte decomposition reaction according to an increase in specific surface area. In addition, the volume change of the metal due to the reaction with lithium during charging and discharging is very large. Due to this, the negative active material is detached from the current collector during continuous charging and discharging, or the capacity decreases rapidly as the charge and discharge cycle progresses due to the increase in resistance due to a large change in the contact interface between the negative active materials, resulting in a short cycle life. There is a problem with losing. In order to solve this problem, research on forming a composite by mixing a carbon nanomaterial with a metal oxide is emerging.
탄소나노소재는 기계적 특성이 우수하여 금속산화물의 부피 팽창을 억제시키는 효과와 더불어 뛰어난 전기전도도 특성으로 인해 접촉 저항을 낮추는 장점을 가지고 있어 고출력 및 사이클 특성이 우수하다. 금속산화물이 부피팽창을 할 때 탄성 한계를 넘어서면 충,방전이 원활히 진행되지 않는다. 하지만 금속산화물의 외표면에 탄소나노소재가 존재하게 되면 금속산화물이 부피 팽창을 하더라도 탄소나노소재가 부피 팽창을 억제시키기 때문에 탄성 한계를 넘어서지 않으며 이를 통해 고출력 및 사이클 특성이 우수해진다.Carbon nanomaterials have excellent mechanical properties to suppress the volume expansion of metal oxides, and have the advantage of lowering contact resistance due to their excellent electrical conductivity properties, so they have excellent high output and cycle characteristics. When metal oxide expands in volume, if it exceeds the elastic limit, charging and discharging do not proceed smoothly. However, when carbon nanomaterials are present on the outer surface of the metal oxide, even if the metal oxide expands in volume, the carbon nanomaterial suppresses volume expansion, so the elastic limit is not exceeded, and high output and cycle characteristics are improved through this.
이와 같이 탄소나노소재와 금속산화물 복합체를 제조하는 종래 기술로는 'Journal of American Chemical Society 132 (2010) 7472', 'Electrochimica Acta 64 (2012) 23' 등과 같이 산화그래핀의 관능기에 금속 혹은 금속 산화물을 담지시키는 원리를 이용하거나, '대한민국특허청 공개특허 제10-2012-0113995호 나노 복합 소재, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치'와 같이 금속 산화물과 그래핀을 수열반응을 통해 형성하는 기술이 알려져 있다.As such, as a conventional technique for manufacturing a carbon nanomaterial and a metal oxide composite, a metal or a metal oxide on a functional group of graphene oxide such as 'Journal of American Chemical Society 132 (2010) 7472', 'Electrochimica Acta 64 (2012) 23', etc. Using the principle of supporting a metal oxide or forming a metal oxide and graphene through a hydrothermal reaction as in 'Korea Patent Office Laid-Open Patent Publication No. 10-2012-0113995 Nanocomposite Material, Method for Manufacturing Same, and Energy Storage Device Containing Same' The technique is known.
하지만 이와 같은 방법들을 통해 얻는 물질의 경우 그래핀과 금속산화물이 서로 별개의 구성으로 되어있기 때문에 탄소나노소재가 금속산화물의 부피 팽창을 억제시키는 역할을 하지 못한다. 따라서 이를 에너지 저장소자용 음극에 적용하더라도 접촉 저항과 부피 팽창을 감소시키지 못하기 때문에 전기전도도가 증가하지 않는다는 문제점이 있다.However, in the case of materials obtained through these methods, since graphene and metal oxide have separate structures, the carbon nanomaterial does not play a role in suppressing the volume expansion of the metal oxide. Therefore, even if it is applied to the negative electrode for the energy storage element, there is a problem in that the electrical conductivity does not increase because the contact resistance and volume expansion cannot be reduced.
따라서 본 발명의 목적은 초음파 화학법을 이용하여 금속산화물 표면에 이차원 나노구조 물질을 형성하며, 이를 통해 전자의 충,방전 시 금속 산화물의 부피 팽창을 방지하고 접촉저항을 감소시킬 수 있는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, it is an object of the present invention to form a two-dimensional nanostructured material on the surface of a metal oxide by using an ultrasonic chemical method, thereby preventing the volume expansion of the metal oxide during charging and discharging of electrons and reducing the contact resistance. To provide an anode for an energy storage device including a two-dimensional nanostructured material-core/shell hybrid particle and a method for manufacturing the same.
상기한 목적은, 이차원 나노구조 물질의 전구체 또는 전구체 화합물에 촉매금속이 분산되어 있는 혼합액을 형성하는 단계와, 상기 혼합액에 초음파를 조사하여 미세기포를 발생시키고 상기 미세기포의 붕괴 시 발생하는 에너지를 이용하여 상기 전구체 화합물을 분해시켜 상기 이차원 나노구조 물질을 상기 촉매금속의 외벽에 합성하여 촉매금속/이차원 나노구조 물질을 형성하는 단계를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법에 있어서, 상기 촉매금속을 산화시켜 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 형성하는 단계와; 상기 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 분산액에 분산시켜 잉크를 제조하는 단계와; 상기 잉크를 집전체에 도포하여 음극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법에 의해 달성된다.The above object is to form a mixture solution in which a catalyst metal is dispersed in a precursor or precursor compound of a two-dimensional nanostructure material, and to generate microbubbles by irradiating the mixed solution with ultrasonic waves, and the energy generated when the microbubbles are collapsed. In the method for manufacturing an anode for an energy storage device, comprising the step of decomposing the precursor compound to form a catalyst metal/two-dimensional nanostructure material by synthesizing the two-dimensional nanostructure material on the outer wall of the catalyst metal, the catalyst metal is oxidized to form a metal oxide/two-dimensional nanostructured material; preparing an ink by dispersing the metal oxide/two-dimensional nanostructure material in a dispersion; Metal oxide/two-dimensional nanostructure material, characterized in that it comprises the step of forming a negative electrode by applying the ink to the current collector-core/shell hybrid particle.
여기서, 상기 금속산화물은 전체 산화 또는 외표면만 산화되며, 상기 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 형성하는 단계는, 상기 촉매금속을 강산에 담지 및 교반을 통해 산화시키는 것이 바람직하다.Here, the metal oxide is oxidized as a whole or only the outer surface is oxidized, and in the step of forming the metal oxide/two-dimensional nanostructure material, it is preferable to oxidize the catalyst metal by supporting it in a strong acid and stirring.
또한, 상기 혼합액을 형성하는 단계 이후에, 상기 혼합액에 불활성 기체를 버블링하여 상기 혼합액 내부를 불활성 기체 분위기로 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, after the step of forming the mixed solution, it is preferable to further include the step of bubbling an inert gas in the mixed solution to control the inside of the mixed solution to an inert gas atmosphere.
상기한 목적은 또한, 집전체와; 상기 집전체에 도포되는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극에 의해서도 달성된다.The above object also includes a current collector; Metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particle layer applied to the current collector, characterized in that it includes a metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particle-containing anode for energy storage element .
여기서, 상기 하이브리드 입자층은, 상기 이차원 나노구조 물질의 전구체 또는 전구체 화합물에 촉매금속이 분산된 혼합액을 이용하여 상기 이차원 나노구조 물질을 상기 촉매금속의 외벽에 합성하고, 상기 촉매금속을 산화시켜 형성되며, 상기 혼합액에 초음파를 조사하여 미세기포를 발생시켜 상기 미세기포의 붕괴 시 발생하는 에너지를 이용하여 상기 전구체 화합물을 분해시켜 상기 이차원 나노구조 물질을 상기 촉매금속의 외벽에 합성하여 형성되는 것이 바람직하다.Here, the hybrid particle layer is formed by synthesizing the two-dimensional nanostructure material on the outer wall of the catalyst metal using a mixture in which a catalyst metal is dispersed in a precursor or a precursor compound of the two-dimensional nanostructure material, and oxidizing the catalyst metal, , It is preferable to generate microbubbles by irradiating ultrasonic waves to the mixed solution to decompose the precursor compound using the energy generated when the microbubbles are collapsed to synthesize the two-dimensional nanostructure material on the outer wall of the catalyst metal. .
상술한 본 발명의 구성에 따르면 초음파 화학법을 이용하여 금속산화물 표면에 이차원 나노구조 물질을 형성하며, 이를 통해 전자의 충,방전 시 금속 산화물의 부피 팽창을 방지하고 접촉저항이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.According to the above-described configuration of the present invention, a two-dimensional nanostructure material is formed on the surface of a metal oxide by using an ultrasonic chemical method, thereby preventing the volume expansion of the metal oxide during charging and discharging of electrons and reducing contact resistance. can
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법의 순서도이고,
도 3은 산화니켈/그래핀-코어/쉘 하이브리드 입자의 주사현미경 사진이고,
도 4는 실시예로 제조된 음극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류 값을 나타낸 그래프이고,
도 5는 비교예 1로 제조된 음극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전 류값을 나타낸 그래프이고,
도 6은 비교예 2로 제조된 음극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류 값을 나타낸 그래프이고,
도 7은 실시예, 비교예 1 및 비교예 2로 제조된 음극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류 값을 나타낸 그래프이고,
도 8은 실시예로 제조된 음극의 임피던스 값을 나타낸 그래프이고,
도 9는 비교예 1로 제조된 음극의 임피던스 값을 나타낸 그래프이고,
도 10은 비교예 2로 제조된 음극의 임피던스 값을 나타낸 그래프이고,
도 11은 실시예, 비교예 1 및 비교예 2로 제조된 음극의 시간에 따른 전압 비교를 나타낸 그래프이다.1 and 2 are flow charts of a method for manufacturing an anode for an energy storage device including a metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particle according to an embodiment of the present invention;
3 is a scanning microscope photograph of nickel oxide / graphene-core / shell hybrid particles,
4 is a graph showing the current value according to the applied voltage for each scan speed of the negative electrode manufactured in Example,
5 is a graph showing the current value according to the applied voltage for each scan speed of the negative electrode prepared in Comparative Example 1,
6 is a graph showing the current value according to the applied voltage for each scan speed of the negative electrode prepared in Comparative Example 2,
7 is a graph showing the current value according to the applied voltage for each scan speed of the negative electrode prepared in Examples, Comparative Examples 1 and 2,
8 is a graph showing the impedance value of the negative electrode prepared in Example,
9 is a graph showing the impedance value of the negative electrode prepared in Comparative Example 1,
10 is a graph showing the impedance value of the negative electrode prepared in Comparative Example 2,
11 is a graph showing voltage comparison with time of negative electrodes prepared in Examples, Comparative Examples 1 and 2;
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, an anode for an energy storage device including a metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particle and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 먼저, 이차원 나노구조 물질의 전구체 또는 전구체 화합물(11)에 촉매금속(13)이 분산되어 있는 혼합액(10)을 형성한다(S1).As shown in FIGS. 1 and 2 , first, a mixed
혼합액(10)에 분산된 촉매금속(13)은 이차원 나노구조 물질(15)을 구성하는 원자를 흡착하고, 이차원 나노구조 물질(15)의 합성을 위한 템플레이트 역할을 한다. 따라서 촉매금속(13)의 순도 및 종류에 따라 합성되는 이차원 나노구조 물질(15)의 수율, 결정성 및 레이어의 수가 달라진다. 촉매금속(13)의 순도가 높을수록 촉매금속(13)을 둘러싸는 이차원 나노구조 물질(15)의 흡착이 용이하기 때문에, 경우에 따라서 혼합액(10)에 촉매금속(13)이 혼합되기 전에 촉매금속(13)을 정제 및 환원하는 단계를 더 포함할 수 있다.The
여기서 촉매금속(13)은 금속입자를 말하며, 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 은(Ag), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 및 이를 포함한 합금이거나, 메탈로센과 같은 유기금속화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.Here, the
이차원 나노구조 물질(15)의 전구체 화합물(11)은 이차원 나노구조 물질(15)로 합성되는 전구체를 말하며, 촉매금속(13)을 코어(Core)로 하여 주위를 이차원 나노구조 물질(15)이 둘러싸서 쉘(Shell)을 형성하도록 합성된다. 합성되는 이차원 나노구조 물질(15)은 전기전도성이 큰 그래핀(Graphene), 헥사고날 보론 나이트라이드(h-Boron nitride), 전이금속 칼코겐화합물 및 이의 혼합으로 이루어진 군 중 어느 하나로 합성된다. 여기서 전이금속 칼코겐화합물은 MX2로 표현되는데, M은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 탄탈늄(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re) 중 하나로 구성되고, X는 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 중 하나로 구성되는 구조를 갖는다.The
이차원 나노구조 물질(15)의 전구체 화합물(11)은 그래핀, 헥사고날 보론 나이트라이드, 전이금속 칼코겐화합물을 합성가능한 각각의 전구체 화합물을 의미한다. The
여기서 그래핀 합성을 위한 전구체 화합물(11)은 탄소를 포함하는 화합물이며, 아세트산(Acetic acid), 아세톤(Acetone), 아세틸아세톤(Acetyl acetone), 아니솔(Anisole), 벤젠(Benzene), 벤질알코올(Benzyl alcohol), 부탄올(Butanol), 부탄온(Butanone), 클로로벤젠(Chlorobenzene), 클로로폼(Chloroform), 사이클로헥산(Cyclohexane), 사이클로헥산올(Cyclohexanol), 사이클로헥사논(Cyclohexanone), 부틸프탈레이트(Butyl phthalate), 디클로로에탄(Dichloroethane), 디에틸렌글리콜(Diethylene glycol), 디글림(Diglyme), 디메톡시에탄(Dimthoxyethane), 디메틸프탈레이트(Dimethyl phthalate), 디옥산(Dioxane), 에탄올(Ethanol), 에틸아세테이트(Ethyl acetate), 에틸아세토아세테이트(Ethyl acetoacetate), 에틸벤조네이트(Ethyl benzonate), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 글리세린(Glycerin), 헵탄(Heptane), 헵탄올(Heptanol), 헥산(Hexane), 헥산올(Hexanol), 메탄올(Methanol), 메틸아세테이트(Methyl acetate), 메틸렌클로라이드(Methylene chloride), 옥탄올(Octanol), 펜탄(Pentane), 펜탄올(Pentanol), 펜타논(Pentanone), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene)과 같은 유기용매, 유기계 모노머 또는 폴리머가 용해된 용매 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.Here, the
헥사고날 보론 나이트라이드를 합성하기 위한 전구체 화합물(11)은 보라진(Borazine), 암모니아 보레인(Ammonia borane) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.The
또한 전이금속 칼코겐화합물을 합성하기 위한 전구체 화합물(11)은 암모늄테트라티오몰리브데이트((NH4)2MoS4), 몰리브데늄 클로라이드(MoCl5), 몰리브데늄 옥사이드(MoO3), 텅스텐 옥시테트라클로라이드(WOCl4), 1,2-에탄에디티올(Hs(CH2)2SH), 디테르트부틸셀레나이드(C8H18Se), 디에틸셀레나이드(C4H10Se), 바나듐 테트라키스디메틸아마이드(V(NMe2)4), 테트라키스디메틸아마이도티타늄(Ti(NMe2)4), 2-메틸프로판에티올(ButSH), 테르트부틸디설파이드(Bu2 tS2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.In addition, the
상기의 방법 및 재료를 통해 형성된 혼합액(10)에 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 가스를 버블링(Bubbling)하여 용액 내부를 불활성 기체 분위기로 제어한다. 혼합액(10)에 활성 기체가 존재할 경우 이후의 단계에서 초음파 조사시 원하지 않는 물질이 합성될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 혼합액(10) 내에 존재할 수 있는 활성 기체를 모두 제거하도록 헬륨 또는 아르곤 불활성 기체를 버블링한다.Helium (He) or argon (Ar) gas is bubbled into the
혼합액(10)에 초음파를 조사하여 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)-코어/쉘 물질을 합성한다(S2).The
촉매금속(13)이 전구체 또는 전구체 화합물(11)에 분산된 혼합액(10)에 초음파 조사기(30)를 통해 초음파를 조사하여 미세기포를 발생시킨다. 미세기포는 초음파를 연속적으로 조사하면 크기가 점점 커지고, 미세기포 내부의 압력이 상승하여 결국 붕괴된다. 이때 발생하는 국부적인 에너지는 5000℃ 이상의 고온에 해당되며 미세기포 주위에 존재하는 전구체 화합물(11)의 분해를 야기시킨다. 이러한 미세기포가 붕괴될 때 발생하는 에너지를 이용하여 분해된 전구체 화합물(11)은 촉매역할을 하는 촉매금속(13)의 외벽을 둘러싸도록 흡착되어 이차원 나노구조 물질(15)의 핵이 형성된다. 그리고 전구체 화합물(11)의 연속적인 분해와 흡착과정을 통해 이차원 나노구조 물질(15)의 핵이 확장하여 완전한 이차원 나노구조 물질(15)을 포함하는 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)이 합성된다. 이러한 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)은 중앙영역엔 나노 사이즈의 촉매금속(13)이 존재하고, 촉매금속(13)의 외벽에는 이차원 나노구조 물질(15)이 합성된 코어/쉘 구조로 이루어진다. 여기서 초음파를 발생시키기 위해 사용되는 초음파 조사기(30)는 100 내지 200W의 전력을 사용하며, 10초 내지 6시간의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.The
경우에 따라서 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)을 합성한 이후에 혼합액(10)으로부터 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 혼합액(10)에 합성되지 않고 남은 잔여 촉매금속(13) 또는 잔여 전구체 화합물(11)이 있을 경우 순수한 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)을 얻기 위해서는 이들을 제거할 수 있다. 이 경우 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)을 여과한 다음 잔여물이 남지 않도록 세척하는 단계를 통해 순수한 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15)을 얻게 된다.In some cases, after synthesizing the
촉매금속(13)을 산화시켜 금속산화물(51)/이차원 나노구조 물질(15)을 형성한다(S3).The
S2 단계에서 합성된 촉매금속(13)/이차원 나노구조 물질(15) 중 코어에 존재하는 촉매금속(13)을 산화용매(70)를 이용하여 산화시켜 금속산화물(51)을 형성한다. 코어의 촉매금속(13)이 산화되지 않을 경우 이차 전지의 음극 역할을 제대로 수행할 수 없기 때문에, 음극에 전자 이동이 가능하도록 촉매금속(13)을 금속산화물(51)로 산화시킨다. 본 단계에서 형성되는 금속산화물(51)/이차원 나노구조 물질(15)은 내부의 코어가 산화된 상태이고, 외부에 이차원 나노구조 물질(15)이 형성되어 있기 때문에 전자는 코어인 금속산화물(51)과 쉘인 이차원 나노구조 물질(15) 사이에 삽입 및 탈리된다. 이와 같이 금속산화물(51) 표면에 이차원 나노구조 물질(15)이 둘러싸게 되면 전자의 이동에 의해 금속산화물(51)이 부피 팽창되는 것을 막을 수 있다.A
촉매금속(13)을 산화하는 방법으로는 촉매금속(13)을 산화용매(70)에 담지하여 산처리를 통해 합성한 후 반복 세척과정과 원심분리기를 이용하여 불순물을 제거함으로써 얻어진다. 여기서 산처리는 과산화수소(Hydrogen peroxide)에 담지한 후 이를 12시간 동안 교반하는 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 그리고 증류수를 사용하여 중화시킨 후 필터링(Filtering) 및 워싱(Washing)을 반복한다. 하지만 산화용매를 통한 산처리법 이외에도 산화가스가 포함된 분위기 하에서 열처리를 통해 촉매금속(13)의 산화를 수행할 수 있다. 일 예로 90%의 상대습도, 150℃의 온도에서 열처리를 통해 촉매금속(13)의 산화를 수행할 수 있다.As a method of oxidizing the
여기서 촉매금속(13)은 금속 전체가 산화되거나 금속의 외표면만 산화되어도 무방하다. 촉매금속(13)의 산화 정도를 제어하기 위해서는 산처리 시간을 제어하거나, 산화용매(70)의 농도 및 온도를 제어하는 방법이 사용 가능하다.Here, in the
금속산화물(51)/이차원 나노구조 물질(15)을 분산액(53)에 분산시켜 잉크(50)를 제조한다(S4).The
순수하게 얻은 금속산화물(51)/이차원 나노구조 물질(15)을 분산액(53)에 분산시켜 고전도성 잉크(50)를 제조한다. 여기서 금속산화물(51)/이차원 나노구조 물질(15)은 잉크(50) 전체 100중량부 중 40 내지 80중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 40중량부 미만일 경우 금속산화물(51)/이차원 나노구조 물질(15)의 양이 부족하여 전기전도성이 현저히 감소하며, 80중량부를 초과할 경우 금속산화물(51)/이차원 나노구조 물질(15)의 분산성이 떨어지며 점도 상승으로 인해 코팅성능이 감소되는 단점이 있다.A highly
분산액(53)은 통상적으로 코팅 잉크 조성물에 이용되는 용매를 사용하며, 비점이 150 내지 300℃인 극성 또는 비극성 용매를 사용하는 것이 바람직하다.As the
이러한 분산액(53)은 터피놀(Terpineol), 에탈 셀로솔브(Ehtyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(Butyl cellosolve), 카비톨(Carbitol), 부틸 카비톨(Butyl carbitol) 및 글리세롤(Glycerol) 중 적어도 하나를 포함한다.The
잉크(50)를 제조하는 단계에서 추가적으로 잉크(50)의 점도 및 접착성을 증가시키기 위해 잉크용 바인더를 첨가한다. 구체적으로 바인더는 유기 및 무기 소재로써, 메틸셀룰로오즈, 에틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 셀룰로오즈아세테이트부트레이트, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드록시에틸셀룰로오즈 등과 같은 셀룰로오즈 계열 수지, 폴리우레탄 계열 수지 및 아크릴 계열 수지, 실란 커플링제 중 어느 하나 혹은 그 이상의 혼합물이 될 수 있다. 여기서 실란 커플링제는 비닐 알콕시 실란, 에폭시 알킬 알콕시 실란, 메타 아크릴옥시 알킬 알콕시 실란, 머캅토 알킬 알콕시 실란, 아미노 알킬 알콕시 실란 등이 있다.In the step of preparing the
이와 같은 바인더 수지는 잉크(50) 전체 100중량부 중 0.5 내지 5중량부 포함될 수 있으며, 0.5 중량부 미만으로 첨가될 경우 첨가되는 양이 소량이므로 점성 및 접착성이 크게 향상되지 않으며, 5중량부를 초과할 경우 전기전도성이 현저히 감소하는 현상이 발생한다.Such a binder resin may be included in 0.5 to 5 parts by weight of the total 100 parts by weight of the
잉크(50)를 집전체에 도포하여 음극을 제조한다(S5).A negative electrode is prepared by applying the
S4 단계를 통해 제조된 잉크(50)를 에너지 저장소자의 음극 제작을 위해 집전체에 도포한다. 집전체에 잉크(50)를 도포하는 방법으로는 코팅(Coating), 패터닝(Patterning), 압출(Extruding), 블라스팅(Blasting), 스프레드(Spread) 등과 같은 가공법을 사용 가능하다. 그 중에서 롤링 바(Rolling bar)를 이용하여 내부 및 표면에 빈 공간 없이 잉크(50)를 균일하게 도포할 수 있는 바 코팅(Bar coating)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.The
음극에 사용되는 집전체는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo) 및 이의 혼합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.The current collector used for the negative electrode is made of copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum (Mo), and mixtures thereof. It is preferably selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
이하 본원발명의 실시예와 비교예를 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described in more detail.
<실시예><Example>
1-1. 니켈 입자의 환원1-1. reduction of nickel particles
니켈(Ni)입자 파우더를 4M 염산(Hydrochloric acid, HCl)에 첨가하고 10분 동안 교반하여 표면에 오염된 유기물 및 산화막을 제거한다. 그 후 여과 및 세척 공정을 통해 환원된 니켈입자에 잔존하는 염산을 제거한다. Nickel (Ni) particle powder is added to 4M hydrochloric acid (HCl) and stirred for 10 minutes to remove organic matter and oxide film contaminated on the surface. Thereafter, hydrochloric acid remaining in the reduced nickel particles is removed through filtration and washing processes.
1-2. 니켈/탄소화합물로 구성된 혼합용액 제조1-2. Preparation of mixed solution composed of nickel/carbon compound
상기 1-1 방법을 통해 환원된 니켈입자 중 5g을 250ml의 자일렌(Xylene)에 첨가하여 혼합용액을 형성하고, 아르곤(Ar) 가스를 버블링(Bubbling)하여 용액 내부를 불활성 기체 분위기로 제어한다. 5 g of the nickel particles reduced through method 1-1 are added to 250 ml of xylene to form a mixed solution, and argon (Ar) gas is bubbled to control the inside of the solution to an inert gas atmosphere do.
1-3. 초음파를 이용한 그래핀 합성1-3. Graphene Synthesis Using Ultrasound
상기 1-2에서 준비된 혼합용액에 horn 초음파기를 삽입하고, 200W 파워, 9 사이클의 초음파를 가하여 30분 동안 그래핀(Graphene)을 합성한다. 그래핀은 니켈입자의 주위에 형성되어 니켈/그래핀-코어/쉘 구조를 형성한다. 그 후 여과 및 세척 공정을 통해 잔여 자일렌을 제거한다.A horn ultrasonicator is inserted into the mixed solution prepared in 1-2 above, and ultrasonic waves of 200 W power and 9 cycles are applied to synthesize graphene for 30 minutes. Graphene is formed around the nickel particles to form a nickel/graphene-core/shell structure. Thereafter, residual xylene is removed through filtration and washing processes.
1-4. 산화 니켈/그래핀-코어/쉘 하이브리드 나노 입자 제조1-4. Preparation of Nickel Oxide/Graphene-Core/Shell Hybrid Nanoparticles
상기의 1-3 방법으로 제조된 니켈/그래핀-코어/쉘 하이브리드 입자 5g을 6M 과산화수소에 12시간 동안 담지 및 교반하여 니켈을 산화한다. 이후에 여과 및 세척 공정을 통해 잔여하는 과산화수소를 제거한다. Nickel is oxidized by supporting and stirring 5 g of nickel/graphene-core/shell hybrid particles prepared by method 1-3 above in 6M hydrogen peroxide for 12 hours. Thereafter, residual hydrogen peroxide is removed through a filtration and washing process.
1-5. 산화 니켈/그래핀-코어/쉘 하이브리드 입자 기반 고농도 잉크 제조1-5. Manufacture of high concentration ink based on nickel oxide/graphene-core/shell hybrid particle
1-4 방법을 통해 제조된 5g의 산화 니켈/그래핀 나노입자를 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide, DMF)에 분산하여 고농도 잉크를 제조한다. 여기에 추가로 고점도 페이스트를 제조하기 위해 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose) 및 터피네올(Terpineol)을 첨가하여 교반한다. 5 g of nickel oxide/graphene nanoparticles prepared by method 1-4 are dispersed in dimethyl formamide (DMF) to prepare a high-concentration ink. Ethyl cellulose and terpineol are added thereto to further prepare a high-viscosity paste and stirred.
1-6. 에너지 저장소자용 음극 제조1-6. Manufacture of anodes for energy storage devices
1-5에서 제조된 고농도 잉크를 바코팅(Bar coating)을 이용하여 집전체인 구리 기판의 상부에 증착하여 최종적으로 음극을 제조한다.The high-concentration ink prepared in steps 1-5 is deposited on the copper substrate, which is a current collector, by using bar coating to finally prepare a negative electrode.
<비교예 1><Comparative Example 1>
2-1. 산화 니켈입자 제조2-1. Nickel oxide particle production
5g의 니켈입자를 6M 과산화수소에 12시간 담지 및 교반을 통해 산화 니켈을 제조한다. 제조된 산화 니켈에 잔존하는 과산화수소를 여과 및 세척 공정을 통해 제거한다.Nickel oxide was prepared by immersing 5 g of nickel particles in 6M hydrogen peroxide for 12 hours and stirring. The hydrogen peroxide remaining in the prepared nickel oxide is removed through filtration and washing processes.
2-2. 환원 그래핀 제조 2-2. Reduced graphene production
분말 상태의 고순도 그라파이트(Graphite) 플레이크(99.9995%)를 산 처리를 통해 합성한 후, 수용액의 반복 세척과정과 원심분리기를 이용하여 불순물을 제거한다. 농질산 또는 황산에 과염소산나트륨(Sodium perchlorate, NaClO4) 또는 과망간산칼륨(Potassium permanganate, KMnO4)을 첨가하여 상온에서 48시간 교반을 통해 산화시킨다. 그 후 증류수를 사용하여 중화시키고, 여과 및 세척을 통해 과염소산나트륨 또는 과망간산칼륨을 제거한다. 산화된 그라파이트 용액을 호모게나이저(Homogenizer)를 이용하여 2시간 동안 처리한 후, 산화 그래핀을 제조한다. 제조된 산화 그래핀을 환원하기 위해 히드라진(H2N2)를 이용하며, 이를 통해 환원된 그래핀을 얻는다.After synthesizing high-purity graphite flakes (99.9995%) in a powder state through acid treatment, the impurities are removed using a repeated washing process of aqueous solution and a centrifuge. Sodium perchlorate (Sodium perchlorate, NaClO 4 ) or potassium permanganate (Potassium permanganate, KMnO 4 ) is added to concentrated nitric acid or sulfuric acid and oxidized by stirring at room temperature for 48 hours. Then, it is neutralized using distilled water, and sodium perchlorate or potassium permanganate is removed through filtration and washing. After treating the oxidized graphite solution for 2 hours using a homogenizer, graphene oxide is prepared. Hydrazine (H 2 N 2 ) is used to reduce the prepared graphene oxide, thereby obtaining reduced graphene.
2-3. 산화 니켈/환원 그래핀 복합체 잉크 제조2-3. Preparation of nickel oxide/reduced graphene composite ink
2-1 및 2-2의 방법으로 각각 제조된 5g의 산화 니켈과 0.5g의 환원 그래핀을 디메틸포름아마이드에 분산하여 잉크를 제조한다. 추가로 고농도 잉크를 제조하기 위해 에틸셀룰로오스 및 터피네올을 첨가하여 교반한다. Ink is prepared by dispersing 5 g of nickel oxide and 0.5 g of reduced graphene prepared by the methods 2-1 and 2-2, respectively, in dimethylformamide. In addition, ethyl cellulose and terpineol are added and stirred to prepare a high-density ink.
2-4. 에너지 저장소자용 음극 제조2-4. Manufacture of anodes for energy storage devices
2-3의 방법으로 제조된 고농도 잉크를 바코팅을 통하여 집전체인 구리 기판 위에 증착하여 음극을 제조한다.A negative electrode is prepared by depositing the high-concentration ink prepared in the method of 2-3 on the copper substrate as the current collector through bar coating.
<비교예 2><Comparative Example 2>
3-1. 산화 니켈입자 제조3-1. Nickel oxide particle production
5g의 니켈입자를 6M 과산화수소에 12시간 동안 담지 및 교반하여 산화 니켈을 제조한다. 산화 니켈을 여과 및 세척 공정을 통해 산화 니켈에 남아있는 과산화수소를 제거한다. Nickel oxide was prepared by supporting and stirring 5 g of nickel particles in 6M hydrogen peroxide for 12 hours. The hydrogen peroxide remaining in the nickel oxide is removed by filtering and washing the nickel oxide.
3-2. 산화 니켈입자 잉크 제조3-2. Nickel oxide particle ink production
3-1을 통해 제조된 산화 니켈을 디메틸포름아마이드에 분산하여 잉크를 제조한다. 추가로 고농도 잉크 제조를 위해 에틸셀룰로오스 및 터피네올을 첨가하여 교반한다. An ink is prepared by dispersing the nickel oxide prepared in step 3-1 in dimethylformamide. In addition, ethyl cellulose and terpineol are added and stirred to prepare a high-concentration ink.
3-3. 에너지 저장소자용 음극 제조3-3. Manufacture of anodes for energy storage devices
3-2의 방법을 통해 제조된 잉크를 바코팅을 이용하여 집전체인 구리 기판 위에 증착하여 음극을 제조한다.A negative electrode is manufactured by depositing the ink prepared through the method of 3-2 on a copper substrate, which is a current collector, using bar coating.
상기의 실시예를 통해 제조된 산화니켈/그래핀-코어/쉘 하이브리드 입자가 도포된 에너지 저장소자용 음극의 주사전자현미경 사진을 도 3에서 확인할 수 있다.A scanning electron microscope image of the negative electrode for the energy storage element coated with the nickel oxide/graphene-core/shell hybrid particle prepared in the above example can be seen in FIG. 3 .
도 4 내지 도 6은 실시예 및 비교예에 따른 에너지 저장소자용 음극의 실험 데이터로, 스캔 속도별 인가 전압에 따른 전류 값을 나타낸 그래프이다.4 to 6 are experimental data of a cathode for an energy storage element according to Examples and Comparative Examples, and are graphs showing current values according to applied voltages for each scan rate.
도 4는 실시예를 통해 얻은 음극을 이용하여 측정한 데이터이다. 여기서 5mV/s 전압이 인가되는 속도를 나타낸 것으로 초당 5mV의 전압이 인가된다는 것을 의미하고, 1000mV/s는 초당 1000mV의 전압을 인가한다는 것을 의미한다. 또한 동일한 인가 전압에 따라 형성된 선에서 상부의 선은 0에서 2.5V로 충전될 때 전류의 양을 나타낸 것이고, 하부의 선은 2.5에서 0V로 방전될 때 전류의 양을 나타낸 것이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 스캔 속도별 인가 전압이 커질수록 전류가 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한 충,방전을 나타내는 선으로 이루어진 마름모 형태가 넓이가 넓고 직사각형에 가까울수록 커패시터의 충,방전 용량이 큰 것을 의미하는데, 1000mV/s일때 가장 넓이가 넓은 것을 확인할 수 있다.4 is data measured using the negative electrode obtained through the example. Here, 5mV/s represents the rate at which a voltage is applied, meaning that a voltage of 5mV per second is applied, and 1000mV/s means that a voltage of 1000mV is applied per second. Also, in the line formed according to the same applied voltage, the upper line represents the amount of current when charging from 0 to 2.5V, and the lower line represents the amount of current when discharging from 2.5 to 0V. As can be seen from the graph, it can be seen that the current increases as the applied voltage for each scan speed increases. Also, as the rhombus shape made up of lines representing charge and discharge is wider and closer to a rectangle, it means that the capacitor has a larger charge and discharge capacity.
도 5는 비교예 1을 나타낸 그래프로, 여기에서 음극은 산화니켈-환원그래핀 복합체 잉크로 제조된 에너지 저장소자용 음극의 실험 데이터이다. 도 5를 도 4와 비교해보면 마름모 형태가 직사각형과 멀어진 형태이며 넓이도 도 4의 실시예보다 줄어든 것을 확인할 수 있다. 즉 비교예 1은 실시예에 비해 충,방전 용량이 작은 것을 알 수 있다.5 is a graph showing Comparative Example 1, wherein the negative electrode is a nickel oxide-reduced graphene composite ink and is experimental data of the negative electrode for the energy storage device. Comparing FIG. 5 with FIG. 4 , it can be seen that the rhombus shape is a shape away from the rectangle, and the area is also reduced compared to the embodiment of FIG. 4 . That is, it can be seen that Comparative Example 1 has a smaller charge and discharge capacity than that of Example.
도 6은 비교예 2를 나타낸 그래프로, 여기에서 음극은 산화니켈만을 포함하고 있는 잉크로 제조된 에너지 저장소자용 음극을 실험한 그래프이다. 도 6은 도 4 및 도 5보다 충,방전 용량이 작은 것을 확인할 수 있다.6 is a graph showing Comparative Example 2, where the negative electrode is a graph in which an energy storage element negative electrode made of ink containing only nickel oxide is tested. 6 shows that the charging and discharging capacity is smaller than that of FIGS. 4 and 5 .
도 7은 도 4 내지 도 6을 비교하는 그래프로, 실시예(NiOx/Graphene)의 전류 값이 비교예 1(NiOx-reduced graphene oxide) 및 비교예 2(NiOx)의 전류 값보다 높은 것을 확인할 수 있다.7 is a graph comparing FIGS. 4 to 6, wherein the current value of Example (NiO x /Graphene) is higher than the current value of Comparative Example 1 (NiO x -reduced graphene oxide) and Comparative Example 2 (NiO x ) that can be checked
도 8 내지 도 10은 실시예 및 비교예에 따른 임피던스(Impedance)를 나타낸 그래프이다.8 to 10 are graphs illustrating impedances according to Examples and Comparative Examples.
도 8은 실시예의 임피던스 즉, 교류저항 값을 두 번의 사이클을 통해 확인한 그래프이다. 그래프에서 시작 포인트가 0Ω에 가까울수록 음극과 음극에 도포된 물질 간의 계면 저항이 작다는 것을 의미하며 접촉 간격이 넓을수록 저항이 크다. 도 8은 시작 포인트가 0Ω에 가깝기 때문에 본 발명의 물질이 도포된 음극은 임피던스 값이 작은 것을 확인할 수 있다. 또한 집전체에 도포된 물질 안에서 전자가 이동할 때 그에 따른 저항을 나타내는 것으로, 그래프의 기울기가 가파를수록 저항이 낮다는 것을 의미한다. 도 8은 기울기가 비교예에 비해 가파른 것을 확인할 수 있다.8 is a graph confirming the impedance of the embodiment, that is, the AC resistance value through two cycles. In the graph, the closer the starting point is to 0Ω, the smaller the interfacial resistance between the cathode and the material applied to the cathode, and the wider the contact gap, the higher the resistance. 8, since the starting point is close to 0Ω, it can be seen that the negative electrode coated with the material of the present invention has a small impedance value. In addition, it represents the resistance according to the movement of electrons in the material applied to the current collector, and the steeper the slope of the graph, the lower the resistance. 8, it can be seen that the slope is steeper than that of the comparative example.
도 9는 비교예 1의 임피던스 값을 나타낸 그래프로, 시작 포인트가 500Ω에 가까운 것을 확인할 수 있다. 즉 접촉저항이 크다는 것을 의미한다. 또한 그래프의 기울기가 초기에 많이 완만한 것을 확인할 수 있는데 이는 물질 내의 저항이 크다는 것을 의미한다.9 is a graph showing the impedance value of Comparative Example 1, it can be confirmed that the starting point is close to 500Ω. This means that the contact resistance is large. Also, it can be seen that the slope of the graph is very gentle at the beginning, which means that the resistance in the material is large.
도 10은 비교예 2의 임피던스 값을 나타낸 그래프로, 도 9와 마찬가지로 시작 포인트가 1000Ω에 가까워 접촉 저항이 크다는 것을 알 수 있으며, 그래프가 전체적으로 도 8에 비해 기울기가 완만한 것으로 확인되어 실시예보다 저항이 크다는 것을 확인할 수 있다.10 is a graph showing the impedance value of Comparative Example 2, it can be seen that the contact resistance is large as the starting point is close to 1000Ω, as in FIG. It can be seen that the resistance is large.
도 11은 반복적으로 충,방전을 시켰을 때의 전압을 나타낸 그래프로, 그래프의 기울기와 충,방전 용량은 반비례한다. 즉 기울기가 완만하게 나타나는 것이 커패시터의 용량이 크다는 것을 의미한다. 비교예 1 및 비교예 2는 기울기가 크게 나온 것으로 보아 충,방전 용량이 작은 것을 확인할 수 있으며, 실시예의 경우 한 사이클 당 기울기가 완만하고 방전되는 시간이 긴 것으로 보아 충,방전 용량이 비교예들에 비해 크다는 것을 확인할 수 있다.11 is a graph showing the voltage when repeatedly charged and discharged, and the slope of the graph and the charge and discharge capacity are inversely proportional to each other. That is, the gentle slope means that the capacitor has a large capacity. In Comparative Examples 1 and 2, it can be confirmed that the charge and discharge capacities are small because the slope is large. It can be seen that larger than
종래에는 금속산화물과 탄소화합물을 혼합한 물질을 음극으로 제조할 경우 금속산화물과 탄소화합물이 서로 별개의 구성으로 되어있기 때문에 탄소나노소재가 금속산화물의 부피 팽창을 억제시키는 역할을 하지 못한다. 하지만 본 발명의 경우 금속산화물(51)의 표면을 이차원 나노구조 물질(15)이 둘러 쌓여 있기 때문에 이를 통해 음극을 제조하면 전자의 충,방전 시 금속 산화물(51)의 부피 팽창을 방지할 수 있고, 뿐만 아니라 접촉저항이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.Conventionally, when a material mixed with a metal oxide and a carbon compound is manufactured as a cathode, the carbon nanomaterial does not play a role in suppressing the volume expansion of the metal oxide because the metal oxide and the carbon compound have separate components. However, in the present invention, since the surface of the
10: 혼합액
11: 전구체 화합물
13: 촉매금속
15: 이차원 나노구조 물질
30: 초음파 조사기
50: 잉크
51: 금속산화물
70: 산화용매10: mixed solution
11: precursor compound
13: catalyst metal
15: two-dimensional nanostructured material
30: ultrasonic irradiator
50: ink
51: metal oxide
70: oxidation solvent
Claims (15)
상기 촉매금속을 산화시켜 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 형성하는 단계와;
상기 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 분산액에 분산시켜 잉크를 제조하는 단계와;
상기 잉크를 집전체에 도포하여 음극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.Forming a mixture solution in which a catalyst metal is dispersed in a precursor or precursor compound of a two-dimensional nanostructure material, and generating microbubbles by irradiating the mixed solution with ultrasonic waves, and using the energy generated when the microbubbles collapse, the precursor compound In the method for manufacturing a negative electrode for an energy storage element comprising the step of decomposing the two-dimensional nanostructure material on the outer wall of the catalyst metal to form a catalyst metal / two-dimensional nanostructure material,
oxidizing the catalyst metal to form a metal oxide/two-dimensional nanostructured material;
preparing an ink by dispersing the metal oxide/two-dimensional nanostructure material in a dispersion;
Metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particles comprising the step of forming a negative electrode by applying the ink to the current collector.
상기 금속산화물은 전체 산화 또는 외표면만 산화되는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
The metal oxide is a metal oxide / two-dimensional nanostructure material, characterized in that the entire oxidation or only the outer surface is oxidized - a method of manufacturing an energy storage element negative electrode comprising a core / shell hybrid particles.
상기 금속산화물/이차원 나노구조 물질을 형성하는 단계는,
상기 촉매금속을 강산에 담지 및 교반을 통해 산화시키는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
The step of forming the metal oxide / two-dimensional nanostructure material,
Metal oxide/two-dimensional nanostructure material-core/shell hybrid particle, characterized in that the catalyst metal is supported in a strong acid and oxidized through stirring.
상기 잉크를 집전체에 도포하여 음극을 형성하는 단계는,
코팅(Coating), 패터닝(Patterning), 압출(Extruding), 블라스팅(Blasting) 또는 스프레드(Spread) 방법을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
The step of forming a negative electrode by applying the ink to the current collector,
Metal oxide/two-dimensional nanostructure material, characterized in that it is made through a coating, patterning, extruding, blasting, or spread method - Energy storage including core/shell hybrid particles A method for manufacturing a magnetic cathode.
상기 혼합액을 형성하는 단계 이전에,
상기 촉매금속을 정제 및 환원하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
Before the step of forming the mixture,
Metal oxide/two-dimensional nanostructure material, characterized in that it further comprises the step of refining and reducing the catalyst metal-core/shell hybrid particle-containing anode manufacturing method for an energy storage device.
상기 혼합액을 형성하는 단계 이후에,
상기 혼합액에 불활성 기체를 버블링하여 상기 혼합액 내부를 불활성 기체 분위기로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
After the step of forming the mixture,
Metal oxide/two-dimensional nanostructure material, characterized in that it further comprises the step of bubbling an inert gas in the mixed solution to control the inside of the mixed solution to an inert gas atmosphere - Method of manufacturing a negative electrode for an energy storage device including core/shell hybrid particles .
상기 이차원 나노구조 물질은 그래핀(Graphene), 헥사고날 보론 나이트라이드(h-Boron nitride), 전이금속 칼코겐화합물 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
The two-dimensional nanostructure material is metal oxide / two-dimensional nanostructure material, characterized in that selected from the group consisting of graphene, hexagonal boron nitride (h-Boron nitride), a transition metal chalcogen compound, and mixtures thereof- A method for manufacturing an anode for an energy storage device comprising core/shell hybrid particles.
상기 촉매금속은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 은(Ag), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
The catalyst metal is copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), silver (Ag), chromium (Cr), tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon Dioxide (SiO 2 ) and a mixture thereof, characterized in that selected from the group consisting of metal oxide / two-dimensional nanostructure material-core / shell hybrid particles comprising a cathode manufacturing method for an energy storage device.
상기 초음파는 100 내지 300W의 전력에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 금속산화물/이차원 나노구조 물질-코어/쉘 하이브리드 입자를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.The method of claim 1,
The ultrasonic wave is a metal oxide/two-dimensional nanostructure material, characterized in that it is generated by a power of 100 to 300W-core/shell hybrid particle-containing anode manufacturing method for an energy storage device.
Priority Applications (1)
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