KR102487821B1 - Composition for three-dimensional lamination, electrode comprising the same, and method for manufacturing electrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용매, 유기 리간드 및 금속 전구체를 포함하는 금속-유기 골격체(MOF) 전구체를 포함하는 3차원 적층용 조성물로서, 상기 금속-유기 골격체는 상기 금속 전구체의 금속의 이온에 유기 리간드가 배위결합된 것을 특징으로 하는 3차원 적층용 조성물, 상기 3차원 적층용 조성물을 포함하는 전극, 및 이의 제조방법, 상기 전극을 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.The present invention is a composition for three-dimensional stacking comprising a metal-organic framework (MOF) precursor including a solvent, an organic ligand and a metal precursor, wherein the metal-organic framework has organic ligands attached to metal ions of the metal precursor. It relates to a composition for 3D stacking characterized in that it is coordinated, an electrode including the composition for 3D stacking, a method for manufacturing the same, and an electronic device including the electrode.

Description

3차원 적층용 조성물, 이를 포함하는 전극 및 이의 제조방법{COMPOSITION FOR THREE-DIMENSIONAL LAMINATION, ELECTRODE COMPRISING THE SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE}Composition for 3-dimensional lamination, electrode including the same, and manufacturing method thereof

본 발명은 3차원 적층용 조성물, 특히 3D 프린팅 전극재료, 촉매, 기체 센서, 모바일 IT기기, 전기자동차(EV), 에너지저장장치(ESS)용 배터리의 음극 소재에 응용 가능한 금속-유기 골격체(MOF) 기반 3차원 적층용 조성물 및 이를 포함하는 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for 3D stacking, in particular, a metal-organic framework (which can be applied to anode materials for batteries for 3D printing electrode materials, catalysts, gas sensors, mobile IT devices, electric vehicles (EV), and energy storage devices (ESS)). It relates to a composition for three-dimensional layering based on MOF), an electrode including the same, and a manufacturing method thereof.

리튬이차전지는 스마트폰, 노트북 등의 소형 가전제품에서부터 전기자동차용 중대형 에너지 저장체로 쓰이고 있으며, 일본과 중국에서는 재해 및 위급상황을 대비한 초대용량의 EES에 리튬이차전지를 사용중에 있다. 더불어 2015년에 있었던 파리 기후 협약이후로 개발 도상국을 포함한 200여 국가가 온실가스 감축의 의무를 갖게되었으며, 향후 독일(2030년 이후), 영국, 프랑스(2040년 이후)는 내연기관차의 신차판매를 금지하기로 하여 전 세계적인 전기자동차의 수요가 증가할 것으로 예상된다. 2016년 기준 양극, 음극재 시장은 63억달러였으며, 2020년에는 150억 달러로 예상된다. Lithium secondary batteries are used in small home appliances such as smartphones and laptops, as well as medium and large-sized energy storage devices for electric vehicles. In addition, since the Paris Climate Agreement in 2015, more than 200 countries, including developing countries, have been obligated to reduce greenhouse gas emissions, and Germany (after 2030), the United Kingdom, and France (after 2040) will limit new vehicle sales of internal combustion engine vehicles. The ban is expected to increase the global demand for electric vehicles. As of 2016, the cathode and anode materials market was $6.3 billion, and is expected to reach $15 billion in 2020.

금속 이온과 유기 링커의 배위 결합에 의해 만들어진 다공성 결정질 물질인 금속-유기 골격체(MOF)는 촉매, 가스 저장, 센서 및 에너지 관련 응용을 위한 안정적인 나노 입자를 개발하는 선구자로서 많은 관심을 끌었다. Metal-organic frameworks (MOFs), porous crystalline materials made by coordination bonding of metal ions and organic linkers, have attracted much attention as pioneers in developing stable nanoparticles for catalysis, gas storage, sensors, and energy-related applications.

개선된 기능의 방대한 배열을 갖는 20,000개 이상의 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOF)의 발견에 기인하여, 다양한 금속 노드(metal nodes) 및 유기 연결체(organic linkers)와 같은 형성 블록들(building block)의 풍부한 종류에 의해 지난 수십 년 동안 수많은 MOF 합성에 대한 연구가 이어졌다. 이와 관련하여, 상기 MOF의 기본 합성 프로토콜은 금속 노드 및 유기 연결체와 같은 형성 블록들의 자기조립(selfassembly)에 의한 것으로서 비교적 간단한 합성 방법을 가진다.Due to the discovery of more than 20,000 Metal-Organic Frameworks (MOFs) with a vast array of advanced functions, building blocks such as various metal nodes and organic linkers Numerous studies on the synthesis of MOFs have been conducted over the past decades by a rich variety of building blocks. In this regard, the basic synthesis protocol of the MOF is by self-assembly of building blocks such as metal nodes and organic interconnects, and has a relatively simple synthesis method.

Ni 기반의 금속-유기 골격체는 높은 전기전도성과 균일한 마이크로 기공크기를 가지고 있어 차세대 전극재료로 각광받고 있다. 본 특허발명의 기술은 금속-유기 골격체 전구체 용액을 3D 프린팅 용액으로 활용하여 원하는 형태의 전극을 설계하는데 있다. 3D 프린팅으로 특정한 형태로 설계된 전극은 금속-유기 골격체가 가지는 높은 전기전도성, 균일한 기공크기로 인해서 에너지 저장용 전극 및 전기화학적 촉매, 센서로 활용될 수 있다.Ni-based metal-organic frameworks have high electrical conductivity and uniform micropore size, and thus are attracting attention as next-generation electrode materials. The technology of the present patent invention is to design an electrode of a desired shape by utilizing a metal-organic framework precursor solution as a 3D printing solution. Electrodes designed in a specific shape by 3D printing can be used as energy storage electrodes, electrochemical catalysts, and sensors due to the high electrical conductivity and uniform pore size of the metal-organic framework.

본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 측면은 금속 유기 프레임 워크(MOF) 전구체 용액을 3D 프린팅 용액으로 활용하여 원하는 형태의 전극을 설계할 수 있는 3차원 적층용 조성물을 제공한다.The present invention has been made to solve the above problems, and one aspect of the present invention is a composition for 3D stacking that can design an electrode of a desired shape by using a metal organic framework (MOF) precursor solution as a 3D printing solution. to provide.

또한 본 발명의 다른 일 실시예는, 3D 프린터를 사용하여 상기 3차원 적층용 조성물을 토출하여 전극을 형성하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides a method for manufacturing an electrode comprising the step of forming an electrode by discharging the composition for three-dimensional stacking using a 3D printer.

또한 본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 제조방법에 의해 제조된 전극을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides an electrode manufactured by the above manufacturing method.

또한 본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides an electronic device including the electrode.

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 problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those skilled in the art 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,

용매, 유기 리간드 및 금속 전구체를 포함하는 금속-유기 골격체(MOF) 전구체를 포함하는 3차원 적층용 조성물로서, 상기 금속-유기 골격체는 상기 금속 전구체의 금속의 이온에 유기 리간드가 배위결합된 것을 특징으로 하는, 3차원 적층용 조성물을 제공한다.A composition for three-dimensional stacking comprising a metal-organic framework (MOF) precursor including a solvent, an organic ligand and a metal precursor, wherein the metal-organic framework is a metal ion of the metal precursor coordinated with an organic ligand. Characterized in that, it provides a composition for three-dimensional lamination.

상기 유기 리간드는 하기 화학식 1 내지 화학식 4 중 어느 하나로 표시되는 것을 특징으로 할 수 있다.The organic ligand may be characterized by being represented by any one of Formulas 1 to 4 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020115452778-pat00001
Figure 112020115452778-pat00001

상기 화학식 1에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.In Formula 1, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are They may be the same as or different from each other.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020115452778-pat00002
Figure 112020115452778-pat00002

상기 화학식 2에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고, n은 0 내지 5의 정수일 수 있다.In Formula 2, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are They are the same as or different from each other, and n may be an integer from 0 to 5.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020115452778-pat00003
Figure 112020115452778-pat00003

상기 화학식 3에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고, R1 내지 R6은 각각 독립적으로 수소, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐일 수 있다.In Formula 3, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are are the same as or different from each other, and R1 to R6 are each independently hydrogen, straight or branched C1-C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain of C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020115452778-pat00004
Figure 112020115452778-pat00004

상기 화학식 4에서, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X5 및 X6은 서로 동일하고, X1, X3 및 X5는 서로 동일하거나 상이하고, Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 탄소 또는 질소일 수 있다.In Formula 4, X1 to X6 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X5 and X6 are are the same as each other, X1, X3 and X5 are the same as or different from each other, and Y1 to Y6 may each independently represent carbon or nitrogen.

상기 금속 전구체는 Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The metal precursor is Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, A metal selected from the group consisting of Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub, and combinations thereof. can

상기 3차원 적층용 조성물은 첨가제를 더 포함할 수 있다. The composition for 3D stacking may further include an additive.

상기 3차원 적층용 조성물은 리튬-금속 산화물 및 활성탄(Activated Carbon, AC)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상인 제1 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The composition for 3D stacking may further include at least one first additive selected from the group consisting of lithium-metal oxide and activated carbon (AC).

상기 3차원 적층용 조성물은 결합제, 도전재, 및 반응개시제로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상인 제2 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The composition for 3D stacking may further include at least one second additive selected from the group consisting of a binder, a conductive material, and a reaction initiator.

상기 리튬-금속 산화물은 리튬 티타네이트(lithium titanate, LTO), 리튬 바나듐 산화물(lithium vanadium oxide, LVO), 리튬 바나듐 포스페이트(lithium-vanadium phosphate, LVP) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 할 수 있다.The lithium-metal oxide is one selected from the group consisting of lithium titanate (LTO), lithium vanadium oxide (LVO), lithium-vanadium phosphate (LVP), and mixtures thereof can be characterized.

상기 3차원 적층용 조성물 100 중량부에 대하여, 용매 1 내지 50 중량부; 유기 리간드 20 내지 65 중량부; 금속 전구체 15 내지 60 중량부; 제1 첨가제 0 내지 30 중량부; 및 제2 첨가제 0 내지 20 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 할 수 있다.1 to 50 parts by weight of a solvent based on 100 parts by weight of the composition for 3D stacking; 20 to 65 parts by weight of an organic ligand; 15 to 60 parts by weight of a metal precursor; 0 to 30 parts by weight of the first additive; And 0 to 20 parts by weight of the second additive; can be characterized by comprising a.

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

3D 프린터를 사용하여 제1항에 따른 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계; 및 상기 토출된 3차원 적층용 조성물을 열처리하여 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 열처리는 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계 이후 또는 상기 단계와 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법 을 제공한다.discharging the composition for three-dimensional lamination according to claim 1 using a 3D printer; and forming a metal-organic framework (MOF) by heat-treating the ejected composition for 3D lamination, wherein the heat treatment is carried out after or after the step of discharging the 3D lamination composition. It provides a method for producing an electrode, characterized in that it proceeds simultaneously with.

상기 열처리가 100℃ 내지 120℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 100 ° C to 120 ° C.

상기 열처리가 2.5 내지 4 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.The heat treatment may be performed for 2.5 to 4 hours.

상기 전극은 깍지형(interdigitated) 구조로 패턴화되도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.The electrode may be formed to be patterned in an interdigitated structure.

상기 3차원 적층용 조성물을 토출하는 3D 프린터의 노즐 내경이 300 ㎛ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.It may be characterized in that the inner diameter of the nozzle of the 3D printer for discharging the three-dimensional layering composition is 300 μm or less.

상기 3차원 적층용 조성물을 토출하여 10층 이상으로 적층하는 것을 특징으로 할 수 있다.It may be characterized in that the composition for three-dimensional lamination is discharged and laminated in 10 or more layers.

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

상기 전극의 제조방법에 의해 제조된 전극을 제공한다.An electrode manufactured by the method for manufacturing the electrode is provided.

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

상기 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.An electronic device including the electrode is provided.

본 발명의 일 측면에 의하면, 금속-유기 골격체(MOF)의 전구체 용액을 3차원 적층용 조성물로 활용하여 원하는 형태의 전극을 설계할 수 있고, 3D 프린팅으로 특정한 형태로 설계된 전극은 금속-유기 골격체가 가지는 높은 전기전도성, 균일한 기공크기로 인해서 전극 및 전기화학적 촉매, 센서 등으로 활용될 수 있다.According to one aspect of the present invention, an electrode of a desired shape can be designed by using a precursor solution of a metal-organic framework (MOF) as a composition for 3-dimensional stacking, and an electrode designed in a specific shape by 3D printing is metal-organic Due to the high electrical conductivity and uniform pore size of the skeletal body, it can be used as an electrode, electrochemical catalyst, sensor, etc.

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.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 적층용 조성물을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린팅에 의해 제조된 전극을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 적층용 조성물을 이용한 3D 프린팅된 물질의 XRD 데이터를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극을 이용하여 하프셀(half-cell) 충방전 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극을 이용하여 하프셀(half-cell) CV(Cyclic Voltammogram) 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 금속-유기 골격체(MOF)와 2차원 금속-유기 골격체의 하프셀(half-cell) 충방전 테스트 및 CV 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 의해 제조된, 활성탄만으로 3D 프린팅된 전극(좌) 대비 Ni-MOF가 포함된 활성탄으로 3D 프린팅된 전극(우)의 용량 특성을 도시한 것이다.
1 shows a composition for three-dimensional stacking according to an embodiment of the present invention.
2 shows an electrode manufactured by 3D printing according to an embodiment of the present invention.
3 shows XRD data of a 3D printed material using a composition for 3D stacking prepared according to an embodiment of the present invention.
4 shows half-cell charge/discharge test results using an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
5 shows half-cell CV (Cyclic Voltammogram) test results using an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
6 shows half-cell charge/discharge test and CV test results of a 3-dimensional metal-organic framework (MOF) and a 2-dimensional metal-organic framework prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows capacitance characteristics of an electrode 3D printed with activated carbon containing Ni-MOF (right) compared to an electrode 3D printed only with activated carbon (left) manufactured by the method according to an embodiment of the present invention.

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 can be implemented in many 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, terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the entire specification of the present invention, 'include' a certain element means that other elements may be further included without excluding other elements unless otherwise stated.

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

용매, 유기 리간드 및 금속 전구체를 포함하는 3차원 적층용 조성물로서, 상기 금속의 이온에 유기 리간드가 배위결합된 것을 특징으로 하는, 3차원 적층용 조성물을 제공한다.A composition for 3D stacking comprising a solvent, an organic ligand and a metal precursor, characterized in that an organic ligand is coordinated with ions of the metal.

이하, 본원의 제1 측면에 따른 3차원 적층용 조성물에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the composition for three-dimensional lamination according to the first aspect of the present disclosure will be described in detail.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 리간드는 하기 화학식 1 내지 화학식 4 중 어느 하나로 표시되는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the organic ligand may be characterized by being represented by any one of Formulas 1 to 4 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020115452778-pat00005
Figure 112020115452778-pat00005

상기 화학식 1에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.In Formula 1, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are They may be the same as or different from each other.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020115452778-pat00006
Figure 112020115452778-pat00006

상기 화학식 2에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고, n은 0 내지 5의 정수일 수 있다.In Formula 2, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are They are the same as or different from each other, and n may be an integer from 0 to 5.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020115452778-pat00007
Figure 112020115452778-pat00007

상기 화학식 3에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고, R1 내지 R6은 각각 독립적으로 수소, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐일 수 있다.In Formula 3, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are are the same as or different from each other, and R1 to R6 are each independently hydrogen, straight or branched C1-C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain of C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020115452778-pat00008
Figure 112020115452778-pat00008

상기 화학식 4에서, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X5 및 X6은 서로 동일하고, X1, X3 및 X5는 서로 동일하거나 상이하고, Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 탄소 또는 질소일 수 있다.In Formula 4, X1 to X6 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X5 and X6 are are the same as each other, X1, X3 and X5 are the same as or different from each other, and Y1 to Y6 may each independently represent carbon or nitrogen.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 내지 3에서 X1 내지 X4는 바람직하게 아민기(NH2)일 수 있으며, 상기 화학식 3에서 R1 내지 R6은 각각 독립적으로 바람직하게 수소, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐 또는 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐일 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 화학식 3에서 R1 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬일 수 있으며, 더 더욱 바람직하게 상기 화학식 3에서 R1, R3, R4 및 R6은 수소이고, R2 및 R5는 tert-알킬일 수 있다.In one embodiment of the present application, in Formulas 1 to 3, X1 to X4 may preferably be an amine group (NH2), and in Formula 3, R1 to R6 are each independently preferably hydrogen, linear or branched C1 -C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched C2-C10 alkenyl or straight or branched C2-C10 alkynyl. More preferably, in Formula 3, R1 to R6 may each independently be hydrogen or a straight-chain or branched-chain C1-C10 alkyl, and even more preferably, in Formula 3, R1, R3, R4, and R6 are hydrogen, and R2 and R5 can be tert-alkyl.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 전구체는 Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속의 전구체를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 Ni을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 금속 전구체는 염(salt)의 형태로 제공되는 것일 수 있으며, 상기 염은 클로라이드(chloride), 플루오라이드(fluoride), 브로마이드(bromide), 아이오다이드(iodide), 트리플레이트(triflate), BF4, PF6, NO3-, SO4 2-, ClO4 - 및 이들이 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal precursor is Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, selected from the group consisting of Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub and combinations thereof It may contain a precursor of a metal, preferably Ni. Meanwhile, the metal precursor may be provided in the form of a salt, and the salt may include chloride, fluoride, bromide, iodide, or triflate. , BF 4 , PF 6 , NO 3- , SO 4 2- , ClO 4 - and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 리간드 및 금속 전구체의 중량 혼합비율은 1:1 내지 6인 것일 수 있으며, 바람직하게는 1: 2 내지 5인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1: 3 내지 4인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the weight mixing ratio of the organic ligand and the metal precursor may be 1: 1 to 6, preferably 1: 2 to 5, more preferably 1: 3 to 5 It could be 4.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 리간드는 각각 상기 화학식 1 내지 4에 나타낸 바와 같이 아릴 코어 및 금속과 배위결합 가능한 치환기를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 유기 리간드에 포함된 치환기가 상기 금속 전구체와 각각 배위결합을 형성하는 것일 수 있다. 즉, 상기 화학식 1 내지 3에 나타낸 바와 같이 유기 리간드의 X1 내지 X4 및 화학식 4의 유기 리간드의 X1 내지 X6이 금속 전구체와 각각 배위결합을 형성하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, each of the organic ligands may include an aryl core and a substituent capable of coordinating with the metal as shown in Chemical Formulas 1 to 4, and the substituents included in the organic ligand may be combined with the metal precursor. Each may form a coordinate bond. That is, as shown in Chemical Formulas 1 to 3, X1 to X4 of the organic ligands and X1 to X6 of the organic ligands of Chemical Formula 4 may form coordinate bonds with the metal precursor, respectively.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 전구체는 금속과 배위결합 가능한 원소를 가진 치환 또는 비치환된 헤테로아릴을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 금속 전구체는 금속과 배위결합된 헤테로아릴의 형태로 유기 리간드와 혼합되는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 유기 리간드를 중심으로 양쪽에 유기 리간드에 포함된 치환기와 상기 금속이 배위결합을 이루며, 유기 리간드와 반대방향으로 금속과 배위결합된 헤테로아릴이 위치하는 것일 수 있다. 즉, 상기 금속은 상기 유기 리간드의 2 개의 치환기와 헤테로아릴에 포함된 2 개의 원소와 배위결합을 이루기 때문에 4 배위 결합을 가지는 것일 수 있다. 상기한 바와 같이 유기 리간드 및 금속 전구체가 혼합되어 생성되는 혼합물은 양 측면에 치환 또는 비치환된 헤테로아릴을 포함하고 있기 때문에 상기 헤테로아릴이 보호캡의 역할을 수행하여 이후 단계에서의 유기 리간드가 특정 위치에만 배위결합이 가능한 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal precursor may include a substituted or unsubstituted heteroaryl having an element capable of coordinating with the metal. That is, the metal precursor may be mixed with an organic ligand in the form of a heteroaryl coordinated with a metal. In this case, a coordination bond may be formed between a substituent included in the organic ligand and the metal on both sides of the organic ligand, and a heteroaryl coordinated with the metal may be positioned in a direction opposite to that of the organic ligand. That is, since the metal forms a coordination bond with two substituents of the organic ligand and two elements included in the heteroaryl, it may have a 4 coordination bond. As described above, since the mixture produced by mixing the organic ligand and the metal precursor contains substituted or unsubstituted heteroaryl on both sides, the heteroaryl serves as a protective cap so that the organic ligand in the subsequent step can be specified. It may be that the coordination bond is possible only at the position.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 유기용매에 염을 혼합한 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 상기 유기용매는, EG(Ethylene Glycol), 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), DMF(dimethylformamide), DMA(dimethylamide), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 DMA, DMF, DMSO, 또는 EG일 수 있다. 상기 염은 NH4OH 또는 NaCH3COO인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이는 비제한적인 예시로서, 통상의 양이온 및 음이온 염을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present application, the solvent may be characterized in that a salt is mixed with an organic solvent. At this time, the organic solvent is EG (Ethylene Glycol), ACN (Acetonitrile), EC (Ethylene carbonate), PC (Propylene carbonate), DMC (Dimethyl carbonate), DEC (Diethyl carbonate), EMC (Ethylmethyl carbonate), DME (1 ,2-dimethoxyethane), GBL (γ-butrolactone), MF (methyl formate), MP (methyl propionate), DMF (dimethylformamide), DMA (dimethylamide), dimethyl sulfoxide (DMSO), and combinations thereof. It may include a material selected from the group consisting of, and preferably may be DMA, DMF, DMSO, or EG. The salt may be NH 4 OH or NaCH 3 COO, but it may include conventional cation and anion salts as non-limiting examples.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 적층용 조성물은 리튬-금속 산화물 및 활성탄(Activated Carbon, AC)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상인 제1 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있고, 또한 상기 3차원 적층용 조성물은 결합제, 도전재, 및 반응개시제로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상인 제2 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In one embodiment of the present application, the composition for 3D stacking may further include at least one first additive selected from the group consisting of lithium-metal oxide and activated carbon (AC), In addition, the composition for 3D stacking may further include at least one second additive selected from the group consisting of a binder, a conductive material, and a reaction initiator.

본원의 일 구현예에 있어서, 결합제는 비제한적인 예시로서, PVdf, PTFE, PVdf-PTFE 공중합체가 사용될 수 있다.In one embodiment of the present application, as a non-limiting example, PVdf, PTFE, PVdf-PTFE copolymer may be used as the binder.

본원의 일 구현예에 있어서, 도전재는 물질 입자 간 또는 금속 집전체와의 전도도를 향상시키고 바인더가 부도체로 작용하는 것을 방지하기 위해 소량 첨가하는 물질을 의미하고, 비제한적인 예시로서, 활성탄 (activated carbon), 그래핀 (graphene), 카본블랙(carbon black, Super-P)을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present application, the conductive material means a material added in a small amount to improve conductivity between material particles or with a metal current collector and to prevent the binder from acting as an insulator, and as a non-limiting example, activated carbon (activated carbon) carbon), graphene, and carbon black (Super-P) can be used.

본원의 일 구현예에 있어서, 활성탄(Activated Carbon)은 다공성을 바탕으로 전극 활성물질로 이용했을 때, 이온 이동의 효율을 향상시키는 기능을 수행하는 것이며, 상용 활성탄이라면 비제한적으로 사용될 수 있다.In one embodiment of the present application, when activated carbon is used as an electrode active material based on porosity, it performs a function of improving the efficiency of ion movement, and any commercially available activated carbon can be used without limitation.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬-금속 산화물은 리튬 티타네이트(lithium titanate, LTO), 리튬 바나듐 산화물(lithium vanadium oxide, LVO), 리튬 바나듐 포스페이트(lithium-vanadium phosphate, LVP) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the lithium-metal oxide is lithium titanate (LTO), lithium vanadium oxide (LVO), lithium-vanadium phosphate (LVP), and mixtures thereof It may be characterized in that it is one selected from the group consisting of.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 적층용 조성물 100 중량부에 대하여, 용매는 1 중량부 이상, 바람직하게는 3 중량부 이상, 더 바람직하게는 5중량부 이상일 수 있고, 50 중량부 이하, 바람직하게는 45 중량부 이하, 더 바람직하게는 40 중량부 이하, 보다 더 바람직하게는 35 중량부 이하일 수 있다. 또한, 상기 3차원 적층용 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 유기 리간드는 10 중량부 이상, 바람직하게는 15 중량부 이상, 더 바람직하게는 20 중량부 이상, 보다 더 바람직하게는 30 중량부 이상일 수 있고, 70 중량부 이하, 바람직하게는 65 중량부 이하, 더 바람직하게는 60 중량부 이하, 보다 더 바람직하게는 50 중량부 이하일 수 있다. 또한, 상기 3차원 적층용 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 금속 전구체는 10 중량부 이상, 바람직하게는 15 중량부 이상, 더 바람직하게는 20 중량부 이상, 보다 더 바람직하게는 30 중량부 이상일 수 있고, 70 중량부 이하, 바람직하게는 65 중량부 이하, 더 바람직하게는 60 중량부 이하, 보다 더 바람직하게는 55 중량부 이하일 수 있다. 또한, 상기 3차원 적층용 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 제1 첨가제는 0 중량부 이상, 바람직하게는 5 중량부 이상, 더 바람직하게는 10 중량부 이상, 보다 더 바람직하게는 15 중량부 이상일 수 있고, 45 중량부 이하, 바람직하게는 40 중량부 이하, 더 바람직하게는 30 중량부 이하, 보다 더 바람직하게는 25 중량부 이하일 수 있다. 또한, 상기 3차원 적층용 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 제2 첨가제는 0 중량부 이상, 바람직하게는 3 중량부 이상, 더 바람직하게는 5 중량부 이상, 보다 더 바람직하게는 10 중량부 이상일 수 있고, 30 중량부 이하, 바람직하게는 25 중량부 이하, 더 바람직하게는 20 중량부 이하, 보다 더 바람직하게는 15 중량부 이하일 수 있다. 상술한 함량 범위를 만족함으로써 3D 프린팅 작업에 사용되기에 적절한 점탄성도를 가질 수 있을 것이다.In one embodiment of the present application, the solvent may be 1 part by weight or more, preferably 3 parts by weight or more, more preferably 5 parts by weight or more, and 50 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the composition for 3D stacking. , preferably 45 parts by weight or less, more preferably 40 parts by weight or less, even more preferably 35 parts by weight or less. In addition, with respect to 100 parts by weight of the 3D layering composition, the organic ligand may be 10 parts by weight or more, preferably 15 parts by weight or more, more preferably 20 parts by weight or more, and still more preferably 30 parts by weight or more. 70 parts by weight or less, preferably 65 parts by weight or less, more preferably 60 parts by weight or less, and even more preferably 50 parts by weight or less. In addition, with respect to 100 parts by weight of the 3D stacking composition, the metal precursor may be 10 parts by weight or more, preferably 15 parts by weight or more, more preferably 20 parts by weight or more, and even more preferably 30 parts by weight or more. 70 parts by weight or less, preferably 65 parts by weight or less, more preferably 60 parts by weight or less, and even more preferably 55 parts by weight or less. In addition, with respect to 100 parts by weight of the 3D stacking composition, the first additive is 0 parts by weight or more, preferably 5 parts by weight or more, more preferably 10 parts by weight or more, and even more preferably 15 parts by weight or more. 45 parts by weight or less, preferably 40 parts by weight or less, more preferably 30 parts by weight or less, and even more preferably 25 parts by weight or less. In addition, with respect to 100 parts by weight of the 3D stacking composition, the second additive is 0 parts by weight or more, preferably 3 parts by weight or more, more preferably 5 parts by weight or more, and even more preferably 10 parts by weight or more. 30 parts by weight or less, preferably 25 parts by weight or less, more preferably 20 parts by weight or less, and even more preferably 15 parts by weight or less. By satisfying the above content range, it will be possible to have viscoelasticity suitable for use in 3D printing work.

본원의 제2 측면은,The second aspect of the present application is,

3D 프린터를 사용하여 제1항에 따른 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계; 및 상기 토출된 3차원 적층용 조성물을 열처리하여 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 열처리는 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계 이후 또는 상기 단계와 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법을 제공한다.discharging the composition for three-dimensional lamination according to claim 1 using a 3D printer; and forming a metal-organic framework (MOF) by heat-treating the ejected composition for 3D lamination, wherein the heat treatment is carried out after or after the step of discharging the 3D lamination composition. It provides a method for producing an electrode, characterized in that it proceeds simultaneously with.

본원의 제1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제1 측면에 대해 설명한 내용은 제2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed descriptions of portions overlapping with those of the first aspect of the present application have been omitted, but the contents described for the first aspect of the present application can be equally applied even if the description is omitted from the second aspect.

이하 본원의 제2 측면에 따른 전극의 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the electrode according to the second aspect of the present application will be described in detail.

우선 본원의 일 구현예에 있어서, 3D 프린터를 사용하여 제1항에 따른 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계를 포함한다. 이 때, 에너지 저장 소자를 구성하는 집전체와 양극 및 음극을 모두 3D 프린터로 프린팅하여 형성할 수도 있고, 준비된 금속 포일 등의 집전체 상에 활물질만을 3D 프린터를 사용하여 형성할 수도 있다. 이 경우, 집전체금속 잉크를 3D 프린터로 토출하여 원하는 모양으로 집전체 패턴을 형성하며, 이를 위해서는 3D 프린팅을 수행할 수 있는 금속 양극 및 음극을 3D 프린터로 프린팅하여 형성하는 과정을 포함할 수도 있다.First, in one embodiment of the present application, a step of discharging the composition for 3D lamination according to claim 1 using a 3D printer is included. In this case, the current collector, the positive electrode, and the negative electrode constituting the energy storage device may all be formed by 3D printing, or only the active material may be formed using a 3D printer on a current collector such as a prepared metal foil. In this case, the collector metal ink is discharged with a 3D printer to form a collector pattern in a desired shape, which may include a process of printing and forming metal anodes and cathodes capable of 3D printing with a 3D printer. .

본원의 일 구현예에 있어서, 3D 프린팅으로 전극을 형성하기 때문에 기판의 종류에 특별히 제한되지 않는다. 따라서 제조과정이 복잡하고 고가의 장비가 사용되어 제조원가가 매우 비싼 종래의 제조방법에 비해, 발명을 적용하는 경우에 제조공정이 매우 간단하고 제조비용도 낮아지는 효과가 있다.In one embodiment of the present application, since the electrode is formed by 3D printing, the type of substrate is not particularly limited. Therefore, compared to the conventional manufacturing method in which the manufacturing process is complicated and expensive equipment is used and the manufacturing cost is very high, when the present invention is applied, the manufacturing process is very simple and the manufacturing cost is reduced.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 토출된 3차원 적층용 조성물을 열처리하여 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 금속-유기 골격체(MOF) 전구체로 구성된 3차원 적층용 조성물을 MOF로 합성시키고, 잉크에 포함된 용매를 제거하기 위해 열처리 과정을 적용하는 것이 바람직할 수 있기 때문이다. 상기 열처리 방식은 열을 가하는 수단이라면 비제한적으로 이용가능하나, 바람직하게는 적외선을 이용한 것일 수 있다. 상기 열처리는 40℃ 이상, 바람직하게는 60℃ 이상, 더 바람직하게는 75℃ 이상, 더욱 바람직하게는 90℃ 이상, 보다 더 바람직하게는 100℃ 이상의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있일 수 있고, 상기 열처리의 온도는 150℃ 이하, 바람직하게는 140℃ 이하, 더 바람직하게는 130℃ 이하, 보다 더 바람직하게는 120℃ 이하의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 상기 열처리는, 0.5 내지 8 시간, 바람직하게는 1.0 내지 6 시간, 더 바람직하게는 2.5 내지 4 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 열처리는 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계 이후 또는 상기 단계와 동시에 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.Next, in one embodiment of the present application, a step of forming a metal-organic framework (MOF) by heat-treating the discharged composition for 3D stacking may be included. This is because it may be preferable to synthesize a composition for 3D stacking composed of a metal-organic framework (MOF) precursor into MOF and apply a heat treatment process to remove the solvent included in the ink. The heat treatment method can be used without limitation as long as it is a means of applying heat, but may preferably use infrared rays. The heat treatment may be characterized in that it is made at a temperature of 40 ° C or higher, preferably 60 ° C or higher, more preferably 75 ° C or higher, still more preferably 90 ° C or higher, and still more preferably 100 ° C or higher, The temperature of the heat treatment may be characterized in that it is made at a temperature of 150 ° C or less, preferably 140 ° C or less, more preferably 130 ° C or less, and even more preferably 120 ° C or less. In addition, the heat treatment may be characterized in that it is made for 0.5 to 8 hours, preferably 1.0 to 6 hours, more preferably 2.5 to 4 hours. The heat treatment may be performed after the step of discharging the composition for 3D stacking or concurrently with the step.

본원의 일 구현예에 있어서, 3D 프린터를 사용하여 전극을 형성하기 때문에 그 형태에 제한이 없으며, 전극의 표면적을 넓히기 위한 다양한 구조를 적용할 수 있다. 따라서 상기 전극은 패턴화되도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 패턴의 형상은 비제한적으로 통상의 전극의 표면적을 넓히기 위해 적용되는 형상은 모두 가능하지만, 바람직하게는 깍지형(interdigitated) 구조일 수 있다. 전극의 형태가 복잡한 경우, 종래의 제조방법에서는 제조가 어렵거나 제조비용이 높아지는 문제가 있었으나, 본 발명은 3D 프린터를 적용하기 때문에 구조가 매우 복잡하지만 효율이 높은 전극의 구조를 모두 적용할 수 있다.In one embodiment of the present application, since the electrode is formed using a 3D printer, there is no limit to its shape, and various structures for increasing the surface area of the electrode can be applied. Therefore, the electrode may be characterized in that it is formed to be patterned. The shape of the pattern is not limited to any shape applied to increase the surface area of a conventional electrode, but may preferably have an interdigitated structure. If the shape of the electrode is complicated, in the conventional manufacturing method, there was a problem that manufacturing was difficult or the manufacturing cost increased. However, since the present invention applies a 3D printer, the structure of the electrode having a very complicated structure but high efficiency can be applied. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 적층용 조성물을 토출하는 3D 프린터의 노즐 내경은 토출이 잘 이루어질 수 있다면 비제한적으로 정해질 수 있다. 바람직하게는 20 ㎛이상, 30 ㎛이상, 50 ㎛이상일 수 있고, 바람직하게는 500 ㎛ 이하, 400 ㎛ 이하, 300 ㎛ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the inner diameter of the nozzle of the 3D printer for discharging the composition for 3D stacking may be determined without limitation as long as the ejection can be performed well. Preferably, it may be 20 μm or more, 30 μm or more, or 50 μm or more, and preferably 500 μm or less, 400 μm or less, or 300 μm or less.

본원의 일 구현예에 있어서, 3D 프린터를 사용하여 양극과 음극을 형성하는 과정에서, 적어도 2층 이상으로 적층하여 전극의 두께를 두껍게 제작함으로써 전해물질을 수용하는 부피를 증가시키며, 적층 구조가 될 수 있다. 3D 프린터는 3차원의 입체구조물을 제작하는 장치로서, 설계 도면에 따라서 원료물질을 다수의 층으로 적층함으로써 3차원의 입체구조물을 제작하며, 본 실시예에서는 원료물질을 반복적으로 적층할 수 있는 3D 프린터의 특징을 이용하여 전극 구성물질을 반복 적층하여 두께가 두꺼운(또는 높이가 높은) 전극을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 3차원 적층용 조성물을 토출하여 10층 이상으로 적층하는 것을 특징으로 할 수 있다. In one embodiment of the present application, in the process of forming the anode and the cathode using a 3D printer, the thickness of the electrode is increased by stacking at least two or more layers to increase the volume for accommodating the electrolyte, and the laminated structure can be can A 3D printer is a device for producing a three-dimensional three-dimensional structure. It manufactures a three-dimensional three-dimensional structure by laminating raw materials into a plurality of layers according to a design drawing. In this embodiment, a 3D printer capable of repeatedly stacking raw materials A thick (or high) electrode may be formed by repeatedly stacking electrode constituent materials using the characteristics of the printer. Preferably, the composition for three-dimensional lamination may be discharged and stacked in 10 or more layers.

이상에서 살펴본 것과 같이, 본원의 일 구현예에 따른 방법으로 제조된 에너지 저장 소자는 얇은 전극 벽면에 폭에 비하여 전극의 두께(높이)가 두껍기 때문에 초소형으로 제조된 양극과 음극 사이에 채워지는 전해물질의 양이 늘어나고 하나의 셀에 저장되는 전기에너지의 양도 크게 늘어나는 뛰어난 효과가 있다.As described above, since the thickness (height) of the electrode is thicker than the width of the thin electrode wall in the energy storage device manufactured by the method according to the embodiment of the present invention, the electrolyte material is filled between the anode and the cathode manufactured in a small size. There is an excellent effect of increasing the amount of electricity and greatly increasing the amount of electrical energy stored in one cell.

본원의 제3 측면은,The third aspect of the present application,

상기 전극의 제조방법에 의해 제조된 전극을 제공한다.An electrode manufactured by the method for manufacturing the electrode is provided.

본원의 제1 내지 제2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제1 내지 제2 측면에 대해 설명한 내용은 제3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of portions overlapping with the first and second aspects of the present application have been omitted, the contents described for the first and second aspects of the present application can be equally applied even if the description is omitted in the third aspect.

이하 본원의 제3 측면에 따른 전극을 상세히 설명한다.Hereinafter, the electrode according to the third aspect of the present application will be described in detail.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 활물질은 이차전지 또는 슈퍼커패시터 등에 사용되는 것일 수 있으며, 상기 금속-유기 골격체는 높은 다공도 및 우수한 전기 전도도를 가지기 때문에 상기 소자들의 에너지밀도 및 출력특성 등을 향상시키는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속-유기 골격체의 총 기공부피는 0.01 cm3/g 내지 5.0 cm3/g인 것일 수 있으며, 상기 금속-유기 골격체는 평균 직경이 0.5 Å 내지 5.0 Å인 기공을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 금속-유기 골격체의 전기 전도도는 0.01 S·cm-1 이상인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the electrode active material may be used for a secondary battery or a supercapacitor, and since the metal-organic framework has high porosity and excellent electrical conductivity, energy density and output characteristics of the devices can be improved. it may be improving Specifically, the total pore volume of the metal-organic framework may be 0.01 cm 3 /g to 5.0 cm 3 /g, and the metal-organic framework includes pores having an average diameter of 0.5 Å to 5.0 Å it could be In addition, the metal-organic framework may have an electrical conductivity of 0.01 S·cm −1 or more.

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.In one embodiment of the present application, the electrode active material may be formed on an electrode current collector. In this case, the type of the electrode current collector may not be significantly limited as long as it has conductivity without causing chemical change of the device. For example, the electrode current collector may include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or a material in which carbon, nickel, titanium, silver, or the like is surface-treated on the surface of aluminum or stainless steel. Meanwhile, the electrode current collector may have a thickness of about 3 μm to 500 μm, and fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to increase adhesion of the electrode active material. That is, it may be usable in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and non-woven fabrics.

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.In one embodiment of the present application, the electrode active material may further include a conductive material and a binder in addition to the active material. In this case, the conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and may be any material that has electrical conductivity without causing a chemical change in the device. For example, the conductive material is graphite such as natural graphite or artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon-based materials such as carbon fiber, copper, nickel, aluminum , metal powder or metal fibers such as silver, conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and combinations thereof. it may be Meanwhile, the conductive material may be used in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material.

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.In addition, the binder may serve to improve adhesion between particles of the electrode active material and adhesion between the electrode active material and the current collector. Specifically, the binder may be, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, Carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), alcohol It may include a material selected from the group consisting of phonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof and combinations thereof. Meanwhile, the binder may be typically used in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material.

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.In addition, the supercapacitor may preferably be a hybrid supercapacitor, and the hybrid supercapacitor may specifically include: an anode; cathode; It may include a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. In this case, the electrode active material may be preferably used as an active material of the negative electrode, and activated carbon may be used as a positive electrode active material of the positive electrode.

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 골격체의 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.In one embodiment of the present application, the electrolyte used in the hybrid supercapacitor may be a mixture of a salt and an additive in an organic solvent. At this time, the organic solvent is ACN (Acetonitrile), EC (Ethylene carbonate), PC (Propylene carbonate), DMC (Dimethyl carbonate), DEC (Diethyl carbonate), EMC (Ethylmethyl carbonate), DME (1,2-dimethoxyethane), It may include a material selected from the group consisting of γ-butrolactone (GBL), methyl formate (MF), methyl propionate (MP), and combinations thereof. In addition, the salt is used in an amount of 0.8 to 2 M, and may be a mixture of a lithium (Li) salt and a non-lithium salt. The lithium (Li) salt accompanies an intercalation/desorption reaction into the structure of the anode active material, that is, the metal-organic framework, and its types include LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), and combinations thereof. In addition, the non-lithium salt accompanies an adsorption/desorption reaction on the surface area of the carbon material additive, and may be used by mixing 0 to 0.5 M with the lithium salt. In this case, the non-lithium salt includes a material selected from the group consisting of TEABF 4 (Tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF 4 (Triethylmethylammonium tetrafluoroborate), SBPBF 4 (spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate), and combinations thereof it may be In addition, the carbon material additive may include a material selected from the group consisting of vinyl carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), fluoroethylene carbonate (FEC), and combinations thereof.

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. In one embodiment of the present application, the separator is positioned between the positive electrode and the negative electrode to prevent the positive electrode and the negative electrode from being in physical contact with each other and electrically shorted, and a porous material may be used. For example, the separator may include a material selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, polyolefin, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 구성을 가진 하이브리드 슈퍼커패시터는 음극 활물질로서 금속-유기 골격체를 사용하기 때문에 높은 전기 전도도를 가지며, 탄소재질 첨가제의 높은 비표면적으로 인하여 용량이 개선되어 높은 에너지밀도 및 출력특성을 가지는 것일 수 있다. 즉, 상기 금속-유기 골격체에 형성된 다수의 공간에 탄소재질 첨가제가 삽입되어 이를 포함하는 하이브리드 슈퍼커패시터가 우수한 전기 전도도, 정전용량 및 출력특성을 나타내는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the hybrid supercapacitor having the above configuration has high electrical conductivity because it uses a metal-organic framework as an anode active material, and has improved capacity due to the high specific surface area of the carbon material additive, resulting in high energy density. And it may have an output characteristic. That is, a carbon material additive may be inserted into a plurality of spaces formed in the metal-organic framework, and a hybrid supercapacitor including the additive may exhibit excellent electrical conductivity, capacitance, and output characteristics.

본원의 제4 측면은,The fourth aspect of the present application,

상기 본원의 제3 측면에 따른 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.It provides an electronic device including the electrode according to the third aspect of the present application.

본원의 제1 측면 내지 제3 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 내지 제3 측면에 대해 설명한 내용은 제4 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed descriptions of portions overlapping with the first to third aspects of the present application have been omitted, but the contents described for the first to third aspects of the present application can be equally applied even if the description is omitted in the fourth aspect. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 적층용 조성물로부터 제조된 금속-유기 골격체는 슈퍼커패시터 또는 이차전지의 전극 활물질 이외에도 물정화용 촉매, 항암제, 면역결핍 바이러스 치료제, 곰팡이 및 박테리아 감염 치료제, 말라리아 치료제, 각종 약물전달 물질, 광촉매, 센서, 항공우주 물질 등 다양한 분야에 있어서 적용이 가능한 바, 상업적으로 매우 유용한 물질로서 사용될 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal-organic framework prepared from the composition for 3D stacking is a catalyst for water purification, an anticancer drug, a treatment for immunodeficiency virus, a treatment for fungal and bacterial infections, and malaria in addition to an electrode active material for a supercapacitor or a secondary battery. Since it can be applied in various fields such as therapeutic agents, various drug delivery materials, photocatalysts, sensors, and aerospace materials, it can be used as a commercially very useful material.

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 skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

제조예 1: 3차원 적층용 조성물 슬러리 제조Preparation Example 1: Preparation of composition slurry for 3D stacking

3D 프린팅용 활성탄 잉크와 3D Ni-MOF 전구체 잉크를 제조하여 혼합하고, 3차원 적층용 조성물 슬러리를 제조하였다. 상기 3D 프린팅용 활성탄 잉크는 MSP-20 4.15 g, Super-p 0.50 g, PVdF 8 wt% solution 1.75 g 및 NMP 2 mL를 혼합하여 제조하였고, 3D Ni-MOF 전구체 잉크는 HITP 용액 1.837 mL과 Ni/NH4OH 용액 2.755 mL를 혼합하여 제조하였다.Activated carbon ink for 3D printing and 3D Ni-MOF precursor ink were prepared and mixed, and a composition slurry for 3D stacking was prepared. The activated carbon ink for 3D printing was prepared by mixing 4.15 g of MSP-20, 0.50 g of Super-p, 1.75 g of PVdF 8 wt% solution and 2 mL of NMP, and the 3D Ni-MOF precursor ink was prepared by mixing 1.837 mL of HITP solution and Ni/ It was prepared by mixing 2.755 mL of NH4OH solution.

제조예 2: 3D 프린팅 출력에 의한 전극 제조Preparation Example 2: Electrode manufacturing by 3D printing output

제조예 1에서 제조된 3차원 적층용 조성물 슬러리를 잉크로 하여, 금속 니들(직경 250㎛, SNA-26G)이 부착된 디스펜서 방식의 3D 프린터 전용의 실린지로 옮겨 담고, 30 kPa의 압력에서, 0.070 mm의 프린팅 간격을 가지고, 도 2와 같이 깍지형(interdigitated) 구조로 3D 프린팅 출력에 의해 전극을 형성하였다. 열처리는 65 ℃에서 3.5 시간동안 진행하였다. 정전 용량을 고려하여 멀티(multi) 적층 구조로 전극을 형성할 수도 있다.Using the composition slurry for 3D stacking prepared in Preparation Example 1 as an ink, it was transferred to a dispenser-type 3D printer-specific syringe attached with a metal needle (250 μm in diameter, SNA-26G), and at a pressure of 30 kPa, 0.070 Electrodes were formed by 3D printing output in an interdigitated structure as shown in FIG. 2 with a printing interval of mm. Heat treatment was performed at 65 °C for 3.5 hours. Electrodes may be formed in a multi-layered structure in consideration of capacitance.

실험예 1: 3차원 적층된 MOF 의 XRD 데이터 분석Experimental Example 1: XRD data analysis of three-dimensionally stacked MOFs

제조예 2에서 3D 프린팅되고 열처리된 전극의 XRD 분석을 진행하였다. 도 3을 참조하면, 3D프린팅 된 Ni-MOF 전구체를 열처리해서 제조한 Ni-HITP와 기존의 수열합성법으로 만들어진 Ni-HITP와 비교하였을 때, 2세타 값이 4.72, 9.52, 12.54, 16.48, 17.12, 27.12, 42.18에서 피크 값이 나타난 것으로 볼 때, 3차원 적층용 조성물이 3D 프린팅 출력 이후에 MOF가 형성되었음을 알 수 있었다.XRD analysis of the 3D printed and heat-treated electrode in Preparation Example 2 was performed. Referring to FIG. 3, when compared with Ni-HITP prepared by heat-treating the 3D-printed Ni-MOF precursor and Ni-HITP produced by the conventional hydrothermal synthesis method, the 2-theta values were 4.72, 9.52, 12.54, 16.48, 17.12, Considering that peak values appeared at 27.12 and 42.18, it was found that MOF was formed after 3D printing of the composition for 3D stacking.

실험예 2: 3차원 적층된 MOF 전극을 포함한 하프셀(Half-Cell) 충방전 테스트Experimental Example 2: Half-cell charge/discharge test including three-dimensionally stacked MOF electrodes

제조예 1 및 2에서 제조한 3차원 적층용 조성물 슬러리를 전극 활성물질로 하여, 하프셀을 구성하여 충방전 테스트를 진행하였다. 결과는 도 4에 나타내었다.A half cell was formed using the composition slurries for 3D stacking prepared in Preparation Examples 1 and 2 as an electrode active material, and a charge/discharge test was performed. The results are shown in Figure 4.

- 작동 전극 : Cu 포일(18 ㎛, 14 Φ) 상에 3D Ni-MOF/AC - Working electrode: 3D Ni-MOF/AC on Cu foil (18 ㎛, 14 Φ)

- 상대 참조 전극(Counter, Reference electrode) : Li 포일 (14 Φ)- Counter, Reference electrode: Li foil (14 Φ)

- 전극 중량 : 0.44 mg (활물질 : 도전재 : 결합제 = 83 wt% : 10 wt% : 7 wt%)- Electrode weight: 0.44 mg (active material: conductive material: binder = 83 wt%: 10 wt%: 7 wt%)

- 전해질 : 1M LiPF6 (EC : DMC = 1 : 1)- Electrolyte: 1M LiPF6 (EC:DMC = 1:1)

- 분리막(Separator): glass filter (625 ㎛) - Separator: glass filter (625 ㎛)

- 전위 범위: 0 - 3.0 V- Potential range: 0 - 3.0 V

- 전류 밀도: 0.9 A/g (5 C), 1.8 A/g (20 C), 4.5 A/g (75 C), 9.0 A/g (270 C)- Current density: 0.9 A/g (5 C), 1.8 A/g (20 C), 4.5 A/g (75 C), 9.0 A/g (270 C)

도 4에 나타난 바와 같이, 충방전 속도에 따른 비용량과 사이클에 따른 안정성, 쿨롱 효율 등의 특성이 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 4, it was confirmed that characteristics such as specific capacity according to charge/discharge rate, stability according to cycle, and coulombic efficiency were excellent.

실험예 3: 3차원 적층된 MOF 전극을 포함한 하프셀(Half-Cell) CV(Cyclic Voltammogram) 테스트Experimental Example 3: Half-Cell CV (Cyclic Voltammogram) test including three-dimensionally stacked MOF electrodes

제조예 1 및 2에서 제조한 3차원 적층용 조성물 슬러리를 전극 활성물질로 하여, 하프셀을 구성하여 CV 테스트를 진행하였다. 결과는 도 5에 나타내었다.A CV test was performed by constructing a half cell using the composition slurries for 3D stacking prepared in Preparation Examples 1 and 2 as an electrode active material. Results are shown in FIG. 5 .

- 작동 전극: Cu 포일(18 ㎛, 14 Φ) 상에 3D Ni-MOF/AC - Working electrode: 3D Ni-MOF/AC on Cu foil (18 μm, 14 Φ)

- 상대 참조 전극(Counter, Reference electrode) : Li 포일 (14 Φ)- Counter, Reference electrode: Li foil (14 Φ)

- 전극 중량: 0.44 mg (활물질 : 도전재 : 결합제 = 83 wt% : 10 wt% : 7 wt%)- Electrode weight: 0.44 mg (active material: conductive material: binder = 83 wt%: 10 wt%: 7 wt%)

- 전해질: 1M LiPF6 (EC : DMC = 1 : 1)- Electrolyte: 1M LiPF6 (EC : DMC = 1 : 1)

- 분리막(Separator): glass filter (625 ㎛) - Separator: glass filter (625 ㎛)

- 전위 범위: 0 - 3.0 V- Potential range: 0 - 3.0 V

- 스캔 속도: 1, 5, 10, 20, 30, 50, 70, 100mV/s- Scan rates: 1, 5, 10, 20, 30, 50, 70, 100 mV/s

도 5에 나타난 바와 같이, 전극 반응성을 보여주는 CV 프로파일에서 3D 프린팅된 활성탄과 Ni-MOF 혼합전극물질이 가역적으로 전기화학적 반응을 보이고 있음이 관찰되었다. 이는 본 전극물질이 음극소재로서의 전기화학적 특성을 보유하고 있음을 알 수 있었다. As shown in FIG. 5, it was observed that the 3D printed activated carbon and the Ni-MOF mixed electrode material showed a reversible electrochemical reaction in the CV profile showing the electrode reactivity. It was found that this electrode material had electrochemical properties as a negative electrode material.

실험예 4: 3차원 적층된 MOF 전극 및 2차원 MOF로 제조된 전극을 포함한 하프셀(Half-Cell) 충방전 및 CV(Cyclic Voltammogram) 테스트 결과 비교.Experimental Example 4: Comparison of half-cell charge/discharge and CV (Cyclic Voltammogram) test results including a three-dimensionally stacked MOF electrode and an electrode made of a two-dimensional MOF.

제조예 2에서 제조된 3차원 적층된 MOF 전극과 닥터블레이드로 면코팅된 Ni-MOF를 전극 활물질로 사용한 전극을 제조하여 하프셀을 각각 구성하여 충방전 및 CV(Cyclic Voltammogram) 테스트를 수행하였고, 결과는 도 6에 나타내었다.An electrode using the three-dimensionally stacked MOF electrode prepared in Preparation Example 2 and the Ni-MOF surface-coated with a doctor blade as an electrode active material was prepared, and each half cell was configured to charge and discharge and CV (Cyclic Voltammogram) tests were performed, The results are shown in FIG. 6 .

도 6에 나타난 바와 같이, 3D 프린팅된 Ni-MOF/AC 전극은 2D Ni-MOF의 경우와 비교했을 때, 동일 전류밀도에서 향상된 용량값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 3D 프린팅 구조 및 잉크에 혼입된 활성탄의 다공성과 전도성에 기인한 이온 이동의 효율 향상 때문인 것으로 확인되었다.As shown in FIG. 6, it was confirmed that the 3D printed Ni-MOF/AC electrode showed an improved capacitance value at the same current density compared to the case of the 2D Ni-MOF. It was confirmed that this was due to the improved efficiency of ion migration due to the 3D printing structure and the porosity and conductivity of the activated carbon incorporated into the ink.

실험예 5: 3차원 적층된 MOF+AC 전극 및 3차원 적층된 AC 전극을 포함한 하프셀(Half-Cell) 충방전 테스트 결과 비교.Experimental Example 5: Comparison of half-cell charge/discharge test results including 3-dimensionally stacked MOF + AC electrode and 3-dimensionally stacked AC electrode.

제조예 2에서 제조된 3차원 적층된 MOF+AC 전극과 AC(활성탄)만으로 제조된 3차원 적층된 AC 전극을 활물질로 사용한 전극을 제조하여 하프셀을 각각 구성하여 충방전 테스트를 수행하였고, 결과는 도 7에 나타내었다.An electrode using the three-dimensionally stacked MOF + AC electrode prepared in Preparation Example 2 and the three-dimensionally stacked AC electrode made only of AC (activated carbon) as an active material was prepared, and each half cell was configured to perform a charge/discharge test. is shown in Figure 7.

도 7에 나타난 바와 같이, 3D 프린팅된 Ni-MOF/AC 전극은 활성탄만으로3D 프린팅된 전극의 경우와 비교했을 때, 비슷한 전류밀도에서 약 2배 향상된 용량값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 3D 프린팅 구조 및 잉크에 혼입된 활성탄의 다공성과 전도성에 기인한 이온 이동의 효율 향상 때문인 것으로 확인되었다.As shown in FIG. 7, it was confirmed that the 3D-printed Ni-MOF/AC electrode showed about 2 times improved capacity value at a similar current density compared to the case of the 3D-printed electrode with only activated carbon. It was confirmed that this was due to the improved efficiency of ion migration due to the 3D printing structure and the porosity and conductivity of the activated carbon incorporated into the ink.

Claims (15)

노즐 내경이 300㎛ 이하인 3D 프린터를 사용하여 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계; 및
상기 토출된 3차원 적층용 조성물을 열처리하여 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 3차원 적층용 조성물은, 용매, 유기 리간드 및 금속 전구체를 포함하는 금속-유기 골격체(MOF) 전구체를 포함하며, 상기 금속-유기 골격체는 상기 금속 전구체의 금속의 이온에 유기 리간드가 배위결합된 것이고, 상기 3차원 적층용 조성물은 리튬-금속 산화물 및 활성탄(Activated Carbon, AC)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상인 제1첨가제를 더 포함하며,
상기 열처리는 3차원 적층용 조성물을 토출하는 단계 이후 또는 상기 단계와 동시에 진행되며, 40℃ 내지 150℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
discharging a composition for 3D stacking using a 3D printer having a nozzle inner diameter of 300 μm or less; and
forming a metal-organic framework (MOF) by heat-treating the discharged composition for 3D stacking; including,
The composition for 3D stacking includes a metal-organic framework (MOF) precursor including a solvent, an organic ligand, and a metal precursor, wherein the metal-organic framework has organic ligands coordinated to metal ions of the metal precursor. combined, and the composition for three-dimensional stacking further includes at least one first additive selected from the group consisting of lithium-metal oxide and activated carbon (AC),
The method of manufacturing an electrode, characterized in that the heat treatment is performed after the step of discharging the composition for three-dimensional stacking or concurrently with the step, and is performed at a temperature of 40 ° C to 150 ° C.
제1항에 있어서,
상기 유기 리간드는 하기 화학식 1 내지 화학식 4 중 어느 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112022138424415-pat00009

(상기 화학식 1에서,
X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고,
X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하다.)

[화학식 2]
Figure 112022138424415-pat00010

(상기 화학식 2에서,
X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고,
X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고,
n은 0 내지 5의 정수이다.)

[화학식 3]
Figure 112022138424415-pat00011

(상기 화학식 3에서,
X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고,
X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고,
R1 내지 R6은 각각 독립적으로 수소, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐이다.)

[화학식 4]
Figure 112022138424415-pat00012

(상기 화학식 4에서,
X1 내지 X6은 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고,
X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X5 및 X6은 서로 동일하고,
X1, X3 및 X5는 서로 동일하거나 상이하고,
Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 탄소 또는 질소이다.)
According to claim 1,
The organic ligand is a method for producing an electrode, characterized in that represented by any one of the following formulas (1) to (4).
[Formula 1]
Figure 112022138424415-pat00009

(In Formula 1 above,
X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH),
X1 and X2 are equal to each other, X3 and X4 are equal to each other, and X1 and X3 are equal to or different from each other.)

[Formula 2]
Figure 112022138424415-pat00010

(In Formula 2 above,
X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH),
X1 and X2 are the same as each other, X3 and X4 are the same as each other, X1 and X3 are the same as or different from each other,
n is an integer from 0 to 5.)

[Formula 3]
Figure 112022138424415-pat00011

(In Formula 3,
X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH),
X1 and X2 are the same as each other, X3 and X4 are the same as each other, X1 and X3 are the same as or different from each other,
R1 to R6 are each independently hydrogen, straight or branched C1-C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched C2-C10 alkenyl , straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl.)

[Formula 4]
Figure 112022138424415-pat00012

(In Chemical Formula 4,
X1 to X6 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH),
X1 and X2 are equal to each other, X3 and X4 are equal to each other, X5 and X6 are equal to each other,
X1, X3 and X5 are the same as or different from each other,
Y1 to Y6 are each independently carbon or nitrogen.)
제1항에 있어서,
상기 금속 전구체는 Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The metal precursor is Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Characterized in that it comprises a metal selected from the group consisting of Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn and combinations thereof , Method of manufacturing an electrode.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 3차원 적층용 조성물은 결합제, 도전재, 및 반응개시제로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상인 제2 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing an electrode, characterized in that the composition for three-dimensional stacking further comprises at least one second additive selected from the group consisting of a binder, a conductive material, and a reaction initiator.
제1항에 있어서,
상기 리튬-금속 산화물은 리튬 티타네이트(lithium titanate, LTO), 리튬 바나듐 산화물(lithium vanadium oxide, LVO), 리튬 바나듐 포스페이트(lithium-vanadium phosphate, LVP) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The lithium-metal oxide is one selected from the group consisting of lithium titanate (LTO), lithium vanadium oxide (LVO), lithium-vanadium phosphate (LVP), and mixtures thereof Characterized in, a method for manufacturing an electrode.
제5항에 있어서, 상기 3차원 적층용 조성물 100 중량부에 대하여,
용매 1 내지 50 중량부;
유기 리간드 20 내지 65 중량부;
금속 전구체 15 내지 60 중량부;
제1 첨가제 0 내지 30 중량부; 및
제2 첨가제 0 내지 20 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
The method of claim 5, based on 100 parts by weight of the three-dimensional layering composition,
1 to 50 parts by weight of a solvent;
20 to 65 parts by weight of an organic ligand;
15 to 60 parts by weight of a metal precursor;
0 to 30 parts by weight of the first additive; and
0 to 20 parts by weight of the second additive; characterized in that it comprises a method for producing an electrode.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 열처리가 2.5 내지 4 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed for 2.5 to 4 hours.
제1항에 있어서,
상기 전극은 깍지형(interdigitated) 구조로 패턴화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing an electrode, characterized in that the electrode is formed to be patterned in an interdigitated structure.
삭제delete ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 13 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제1항에 있어서,
상기 3차원 적층용 조성물을 토출하여 10층 이상으로 적층하는 것을 특징으로 하는, 전극의 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing an electrode, characterized in that by discharging the composition for three-dimensional stacking and stacking in 10 or more layers.
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제7항, 제10항, 제11항 및 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 전극.
An electrode manufactured by the method according to any one of claims 1 to 3, 5 to 7, 10, 11 and 13.
제14항에 따른 전극을 포함하는 전자 소자.
An electronic device comprising the electrode according to claim 14 .
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