KR102491143B1 - Solid state electrolyte operating in high and low temperature, method of fabricating of the same, and metal air battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

고체 전해질이 제공된다. 상기 고체 전해질은 복수의 베이스 섬유가 네트워크를 형성한 것을 포함하고, 상기 베이스 복합 섬유는, 서로 결합된 셀룰로오스 및 키토산을 포함하고, 상기 고체 전해질이 금속 공기 전지 내에 장착 시, 저온에서 고온까지 넓은 온도 범위에서 안정적으로 동작할 수 있다.A solid electrolyte is provided. The solid electrolyte includes a plurality of base fibers forming a network, the base composite fibers include cellulose and chitosan bonded to each other, and when the solid electrolyte is installed in a metal-air battery, a wide range of temperatures from low to high temperatures It can operate stably in the range.

Description

고온 및 저온 환경에서 동작 가능한 고체 전해질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 금속 공기 전지{Solid state electrolyte operating in high and low temperature, method of fabricating of the same, and metal air battery comprising the same}Solid state electrolyte operating in high and low temperature, method of fabricating of the same, and metal air battery comprising the same}

본 출원은 고체 전해질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 금속 공기 전지에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 고온 환경 및 저온 환경에서 높은 신뢰성 및 높은 이온 전도도를 유지하는 고체 전해질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 금속 공기 전지에 관련된 것이다. The present application relates to a solid electrolyte, a manufacturing method thereof, and a metal-air battery including the same, and more particularly, a solid electrolyte maintaining high reliability and high ion conductivity in a high temperature environment and a low temperature environment, a manufacturing method thereof, and the same It relates to a metal-air battery comprising

기존 소형 디바이스 및 가전제품용 이차전지를 넘어 전기자동차 및 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS) 등 중대형 고에너지 응용 분야가 급격히 성장함에 따라 이차전지 산업의 시장가치는 2018년 약 220억 달러에 불과하였으나, 2025년 약 1,180억 달러로 성장할 것으로 전망된다. 이처럼 이차전지가 중대형 에너지 저장매체로 활용되기 위해서는 현재 수준보다 획기적으로 향상된 가격경쟁력, 에너지밀도 그리고 안정성이 요구된다. The market value of the secondary battery industry was only about 22 billion dollars in 2018, as mid- to large-sized high-energy applications such as electric vehicles and energy storage systems (ESS) are rapidly growing beyond the existing secondary batteries for small devices and home appliances. However, it is expected to grow to about 118 billion dollars in 2025. As such, in order for secondary batteries to be used as medium and large-sized energy storage media, significantly improved price competitiveness, energy density, and stability are required.

이러한 기술적 니즈에 따라서, 고체 전해질을 이용한 이차 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. According to these technical needs, research on secondary batteries using solid electrolytes is being actively conducted.

예를 들어, 국제 공개 특허 공보 WO2014200198A1에는, 복합 전극층 및 복합 전해질층이 일체화된 복합 전극-복합 전해질 합체이고, 상기 복합 전극층은 집전체 및 집전체 위에 형성된 전극 혼합물층을 포함하고, 상기 전극 혼합물층은 전극 활물질, 도전재, 가교 고분자 매트릭스, 해리 가능한 염, 및 유기 용매를포함하고, 상기 복합 전해질층은 가교 고분자 매트릭스, 무기 입자, 해리 가능한 염, 및 유기 용매를 포함하고, 상기 전극 혼합물층 및 상기 복합 전해질층은 중첩되어 물리적으로 결합된 것을 포함하는 복합 전극-복합 전해질 합체를 개시하고 있다For example, International Patent Publication WO2014200198A1 discloses a composite electrode-composite electrolyte composite in which a composite electrode layer and a composite electrolyte layer are integrated, wherein the composite electrode layer includes a current collector and an electrode mixture layer formed on the current collector, and the electrode mixture layer A silver electrode active material, a conductive material, a cross-linked polymer matrix, a dissociable salt, and an organic solvent are included, the composite electrolyte layer includes a cross-linked polymer matrix, inorganic particles, a dissociable salt, and an organic solvent, and the electrode mixture layer and The composite electrolyte layer discloses a composite electrode-composite electrolyte composite comprising overlapping and physically bonding

다른 예를 들어, 대한민국 등록특허 공보 10-1734301에는, Li 전구체로 이루어진 제1 금속 전구체, Al 전구체로 이루어진 제2 금속 전구체, Ti 전구체로 이루어진 제3 금 속 전구체 및 P 전구체를 킬레이트 형성제와 반응시켜 졸(sol)을 제조하는 제1 단계, 상기 졸을 가열하여 겔(gel)을 제조하는 제2 단계, 상기 겔을 가열해 열분해 시키는 제3 단계, 상기 열분해 된 겔을 공기와 접촉시키며 열처리하는 제4 단계, 상기 제4 단계를 통하여 얻어진 분말을 냉각시키는 제5 단계, 상기 제5 단계에서 냉각된 분말에 소결조제 Bi2O3를 0.2 내지 1wt% 혼합하는 제6 단계, 및 상기 제6 단계에서 얻어진 혼합 분말을 가압 성형하고 공기와 접촉시키면서 850

Figure 112021021394815-pat00001
에서 소결하는 제7 단계를 포 함하고, 소결체의 상대밀도(%)가 90.0 내지 99.7이고, 이온전도도(S cm-1 )가 7.9 Х 10-4 내지 9.9 Х 10-4를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬전지용 고체전해질의 제조방법이 개시되어 있다. For another example, in Korean Patent Registration Publication No. 10-1734301, a first metal precursor made of a Li precursor, a second metal precursor made of an Al precursor, a third metal precursor made of a Ti precursor, and a P precursor are reacted with a chelating agent. The first step of preparing a sol by heating the sol, the second step of heating the sol to produce a gel, the third step of heating and thermally decomposing the gel, heat treatment while contacting the thermally decomposed gel with air The fourth step, the fifth step of cooling the powder obtained through the fourth step, the sixth step of mixing 0.2 to 1 wt% of the sintering aid Bi 2 O 3 with the powder cooled in the fifth step, and the sixth step. 850 while pressurizing and contacting the mixed powder obtained in
Figure 112021021394815-pat00001
Including a seventh step of sintering in, the relative density (%) of the sintered body is 90.0 to 99.7, and the ionic conductivity (S cm -1 ) is 7.9 Х 10 -4 to 9.9 Х 10 -4 Characterized in that it has A method of manufacturing a solid electrolyte for a lithium battery is disclosed.

본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고온 및 저온 환경에서 동작 가능한 고체 전해질 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present application is to provide a solid electrolyte capable of operating in high and low temperature environments and a manufacturing method thereof.

본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고온 및 저온 환경에서 높은 이온 전도도를 유지하는 고체 전해질 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present application is to provide a solid electrolyte that maintains high ionic conductivity in high and low temperature environments and a manufacturing method thereof.

본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고온 및 저온 환경에서 플렉시블하고 높은 기계적 안정성을 갖는 고체 전해질 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present application is to provide a solid electrolyte that is flexible and has high mechanical stability in high and low temperature environments and a manufacturing method thereof.

본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고온 및 저온 환경에서 동작 가능한 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지를 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present application is to provide a metal-air battery including a solid electrolyte capable of operating in high and low temperature environments.

본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고온 및 저온 환경에서 높은 충방전 용량을 갖고 장수명을 갖는 금속 공기 전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a metal-air battery having a high charge and discharge capacity and a long lifespan in high and low temperature environments.

본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다. The technical problem to be solved by the present application is not limited to the above.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 고체 전해질을 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present application provides a solid electrolyte.

일 실시 예에 따르면, 복수의 베이스 복합 섬유가 네트워크를 형성하는 상기 고체 전해질에 있어서, 상기 베이스 복합 섬유는, 서로 결합된 셀룰로오스 및 키토산을 포함하고, 상기 고체 전해질이 금속 공기 전지 내에 장착 시, -20℃ 내지 80℃까지 상기 금속 공기 전지가 동작하는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, in the solid electrolyte in which a plurality of base composite fibers form a network, the base composite fibers include cellulose and chitosan bonded to each other, and when the solid electrolyte is installed in a metal-air battery, - It may include operating the metal-air battery from 20 ° C to 80 ° C.

일 실시 예에 따르면, 상기 셀룰로오스는 박테리아 셀룰로오스를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the cellulose may include bacterial cellulose.

일 실시 예에 따르면, 상기 고체 전해질은, 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유, 및 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함하되, 복수의 상기 제1 복합 섬유 및 복수의 상기 제2 복합 섬유는 가교 결합되어 네트워크를 형성하는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the solid electrolyte includes a first composite fiber in which the surface of the base composite fiber is oxidized, and a second composite fiber in which the surface of the base composite fiber is bonded to a first functional group having nitrogen, The plurality of first composite fibers and the plurality of second composite fibers may be cross-linked to form a network.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 복합 섬유의 비율은 30wt% 초과 70wt% 미만이고, 상기 제2 복합 섬유의 비율은 70wt% 미만 30wt% 초과인 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the ratio of the first composite fiber is greater than 30wt% and less than 70wt%, and the ratio of the second composite fiber may include less than 70wt% and greater than 30wt%.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 공기 전지는, 아연을 음극으로 포함할 수 있다. According to one embodiment, the metal-air battery may include zinc as an anode.

일 실시 예에 따르면, 상기 키토산의 비율에 따라서, 상기 고체 전해질의 결정성, 이온 전도도, 및 스웰링 비율이 제어되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, crystallinity, ionic conductivity, and swelling ratio of the solid electrolyte may be controlled according to the ratio of chitosan.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 금속 공기 전지를 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present application provides a metal-air battery.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 공기 전지는, 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극 전극, 금속을 포함하는 음극 전극, 및 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 배치된 고체 전해질을 포함하되, 상기 고체 전해질은 복수의 베이스 복합 섬유로 형성된 네트워크를 포함하고, -20℃ 내지 80℃에서 동작되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the metal-air battery includes a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material, a negative electrode including a metal, and a solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the solid electrolyte may include a network formed of a plurality of base composite fibers and operated at -20°C to 80°C.

일 실시 예에 따르면, -20℃ 내지 80℃ 내에서, 온도가 증가함에 따라서, 방전 용량이 증가하는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the discharge capacity may increase as the temperature increases within -20°C to 80°C.

일 실시 예에 따르면, 상기 음극 전극은, 아연을 포함하고, 상기 양극 전극은, 전이금속, 인, 및 칼코겐 원소를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the negative electrode may include zinc, and the positive electrode may include a compound including a transition metal, phosphorus, and a chalcogen element.

일 실시 예에 따르면, 상기 고체 전해질의 상기 베이스 복합 섬유는, 서로 결합된 셀룰로오스 및 키토산을 포함하되, 상기 고체 전해질에서 상기 키토산의 비율은 30wt% 초과 70wt% 미만인 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the base composite fiber of the solid electrolyte may include cellulose and chitosan bonded to each other, but the proportion of the chitosan in the solid electrolyte may include more than 30wt% and less than 70wt%.

일 실시 예에 따르면, 상기 고체 전해질은, 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유, 및 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the solid electrolyte may include a first composite fiber in which a surface of the base composite fiber is oxidized, and a second composite fiber in which a surface of the base composite fiber is bonded to a first functional group having nitrogen. there is.

일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 복합 섬유의 상기 셀룰로오스는 박테리아 셀룰로오스를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the cellulose of the base composite fiber may include bacterial cellulose.

본 출원의 실시 예에 따른 고체 전해질은, 복수의 베이스 복합 섬유가 네트워크를 형성한 것을 포함할 수 있고, 상기 베이스 복합 섬유는 서로 결합된 셀룰로오스 및 키토산을 포함할 수 있다. The solid electrolyte according to an embodiment of the present application may include a plurality of base composite fibers forming a network, and the base composite fibers may include cellulose and chitosan bonded to each other.

상기 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지는, -20℃ 내지 80℃까지 충방전 동작을 수행할 수 있고, 이에 따라 고온 및 저온 환경에서 안정적으로 사용 가능한 고체 전해질 및 이를 포함하는 금속 공기 전지가 제공될 수 있다. The metal-air battery including the solid electrolyte can perform charging and discharging operations from -20°C to 80°C, and thus a solid electrolyte that can be stably used in high and low-temperature environments and a metal-air battery including the same will be provided. can

도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 베이스 복합 섬유를 도시한 도면이다.
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 제1 복합 섬유를 도시한 도면이다.
도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 제2 복합 섬유를 도시한 도면이다.
도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 베이스 복합 섬유를 포함하는 고체 전해질을 도시한 도면이다.
도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지를 도시한 도면이다.
도 6은 본 출원의 실험 예 1-2에 따른 제1 복합 섬유 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 출원의 실험 예 1-3에 따른 제2 복합 섬유 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질의 이온 이동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 출원의 실험 예 1-2 내지 1-4에 따라 제조된 제1 복합 섬유, 제2 복합 섬유, 및 고체 전해질의 수소 NMR 분석 결과이다.
도 11은 본 출원의 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-7에 따라 제조된 고체 전해질, 박테리아 셀룰로오스, 일반 박테리아 셀룰로오스, 및 셀룰로오스에 대한 XRD 분석 결과이다.
도 12는 본 출원의 실험 예 1-4 내지 1-6에 따라 제조된 고체 전해질, 박테리아 셀룰로오스, 및 일반 박테리아 셀룰로오스에 대한 FT-IR 분석 결과이다
도 13은 본 출원의 실험 예 1-4에 따라 제조된 고체 전해질을 촬영한 SEM 사진이다.
도 14는 본 출원의 실험 예 1-4에 따라 제조된 고체 전해질의 TGA 및 DSC 분석 결과이다.
도 15 내지 도 18은 본 출원의 실험 예 1-4 및 1-5에 따른 고체 전해질 및 박테리아 셀룰로오스의 XPS 분석 결과 그래프들이다.
도 19는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질의 다양한 이온 전달율을 측정한 그래프이다.
도 20은 본 출원의 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-5에 따른 고체 전해질의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다.
도 21은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 원소 비율을 분석한 그래프이다.
도 22는 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 C1s 스펙트라의 구성 비율을 분석한 결과이다.
도 23은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 고체 전해질 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 N 1s 스펙트라의 구성 비율을 분석한 결과이다.
도 24는 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 XRD 분석 결과이다.
도 25는 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다.
도 26은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스의 온도에 따른 스웰링 비율을 측정한 것이다.
도 27은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스의 온도에 따른 수분 함침율을 측정한 것이다.
도 28은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도 조건에 따른 충방전 특성 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 29는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 저온 및 고온 환경에서 충방전 횟수에 따른 리텐션 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 30은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도에 따른 충방전 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 31은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도에 따른 용량 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 32는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도에 따른 충방전 사이클에 따른 충방전 특성 변화를 설명하기 위한 그래프들이다.
1 is a view showing a base composite fiber according to an embodiment of the present application.
2 is a view showing a first composite fiber according to an embodiment of the present application.
3 is a view showing a second composite fiber according to an embodiment of the present application.
4 is a diagram illustrating a solid electrolyte including a base composite fiber according to an embodiment of the present application.
5 is a diagram illustrating a metal-air battery including a solid electrolyte according to an embodiment of the present application.
6 is a view for explaining a first composite fiber and a manufacturing method thereof according to Experimental Examples 1-2 of the present application.
7 is a view for explaining a second composite fiber and a manufacturing method thereof according to Experimental Examples 1-3 of the present application.
8 is a diagram for explaining a method of manufacturing a solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
9 is a diagram for explaining the principle of ion movement of the solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
10 is a hydrogen NMR analysis result of the first composite fiber, the second composite fiber, and the solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-2 to 1-4 of the present application.
11 is XRD analysis results of solid electrolytes, bacterial cellulose, general bacterial cellulose, and cellulose prepared according to Experimental Examples 1-4 to 1-7 of the present application.
12 is FT-IR analysis results for solid electrolytes, bacterial cellulose, and general bacterial cellulose prepared according to Experimental Examples 1-4 to 1-6 of the present application.
13 is a SEM photograph of a solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
14 is TGA and DSC analysis results of solid electrolytes prepared according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
15 to 18 are XPS analysis result graphs of solid electrolyte and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-4 and 1-5 of the present application.
19 is a graph measuring various ion transmission rates of solid electrolytes according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
20 is a measurement of ion conductivity according to temperature of solid electrolytes according to Experimental Examples 2-1 to 2-5 of the present application.
21 is a graph analyzing element ratios of solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5.
22 is a result of analyzing the composition ratio of C1s spectra of the solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application and the bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5.
23 is a result of analyzing composition ratios of N 1s spectra of solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5.
24 is an XRD analysis result of solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, chitosan according to Experimental Examples 3-6, and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5 of the present application.
25 is a solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and normal electrolytes according to Experimental Examples 1-6 It is a measurement of the ionic conductivity of bacterial cellulose as a function of temperature.
26 is a solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and normal electrolytes according to Experimental Examples 1-6 of the present application. It is a measurement of the swelling rate according to the temperature of bacterial cellulose.
27 is a solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and normal electrolytes according to Experimental Examples 1-6 The moisture impregnation rate according to the temperature of bacterial cellulose was measured.
28 is a graph for explaining a change in charge/discharge characteristics according to external temperature conditions of a metal-air battery including a solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
FIG. 29 is a diagram for explaining retention characteristics according to the number of charge/discharge cycles in a low temperature and high temperature environment of a metal-air battery including a solid electrolyte according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.
30 are graphs for explaining charge/discharge characteristics according to external temperature of metal-air batteries including solid electrolytes according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
31 are graphs for explaining capacity characteristics according to external temperature of metal-air batteries including solid electrolytes according to Experimental Examples 1-4 of the present application.
32 are graphs for explaining a change in charge/discharge characteristics according to a charge/discharge cycle according to an external temperature of a metal-air battery including a solid electrolyte according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete, and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, although terms such as first, second, and third are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Therefore, what is referred to as a first element in one embodiment may be referred to as a second element in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiments. In addition, in this specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the elements listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the specification, expressions in the singular number include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, the terms "comprise" or "having" are intended to designate that the features, numbers, steps, components, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features, numbers, steps, or components. It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 베이스 복합 섬유를 도시한 도면이고, 도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 제1 복합 섬유를 도시한 도면이고, 도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 제2 복합 섬유를 도시한 도면이고, 도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 베이스 복합 섬유를 포함하는 고체 전해질을 도시한 도면이다. 1 is a view showing a base composite fiber according to an embodiment of the present application, FIG. 2 is a view showing a first composite fiber according to an embodiment of the present application, and FIG. 3 is a view showing a first composite fiber according to an embodiment of the present application. 2 is a view showing composite fibers, and FIG. 4 is a view showing a solid electrolyte including base composite fibers according to an embodiment of the present application.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 서로 결합된 셀룰로오스(112) 및 키토산(114)을 포함하는 베이스 복합 섬유(110)가 제공된다. 복수의 상기 베이스 복합 섬유(110)는 서로 네트워크를 형성하여 멤브레인(M) 형태로 제공될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 본 출원의 실시 예에 따른 고체 전해질은 복수의 상기 베이스 복합 섬유(110)가 서로 네트워크를 형성하는 상기 멤브레인(M) 형태로 제공될 수 있다. 이로 인해, 상기 고체 전해질은 내부에 복수의 기공이 제공되고 높은 표면적을 가질 수 있으며, 유연성 및 기계적 특성이 우수할 수 있다.1 to 4, a base composite fiber 110 including cellulose 112 and chitosan 114 bonded to each other is provided. A plurality of the base composite fibers 110 may be provided in the form of a membrane M by forming a network with each other, and as shown in FIG. 4, the solid electrolyte according to the embodiment of the present application includes a plurality of the base composite fibers ( 110) may be provided in the form of the membrane (M) forming a network with each other. Due to this, the solid electrolyte may be provided with a plurality of pores therein, may have a high surface area, and may have excellent flexibility and mechanical properties.

일 실시 예에 따르면, 상기 셀룰로오스(112)는 박테리아 셀룰로오스일 수 있다.According to one embodiment, the cellulose 112 may be bacterial cellulose.

상기 고체 전해질이 금속 공기 전지에 장착 시, -20℃ 내지 80℃까지 상기 금속 공기 전지가 원활하게 충방전 동작을 수행할 수 있다. 즉, 본 출원의 실시 예에 따른 상기 고체 전해질을 포함하는 상기 금속 공기 전지는, 낮은 온도 및 높은 온도에서 원활하게 동작하며, 넓은 동작 온도 범위를 가져, 다양한 환경에 활용될 수 있다. When the solid electrolyte is installed in the metal-air battery, the metal-air battery can smoothly charge and discharge from -20°C to 80°C. That is, the metal-air battery including the solid electrolyte according to an embodiment of the present application operates smoothly at low and high temperatures, has a wide operating temperature range, and can be used in various environments.

상기 고체 전해질은, 결정질 상 및 비정질 상이 혼재된 상태일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고체 전해질은, 비정질 상의 비율이 결정질 상의 비율보다 높을 수 있다. 이에 따라, 상기 고체 전해질이 고 이온 이동도를 가질 수 있다.The solid electrolyte may be in a state in which a crystalline phase and an amorphous phase are mixed. More specifically, in the solid electrolyte, the ratio of the amorphous phase may be higher than the ratio of the crystalline phase. Accordingly, the solid electrolyte may have high ion mobility.

또한, 상기 키토산(114)은 상기 셀룰로오스(112)와 화학적으로 결합할 수 있다. 이에 따라, 상기 키토산(114)이 결합된 상기 셀룰로오스(112)는, XPS 분석 시 C-N에 대응하는 신축진동이 관찰될 수 있다.In addition, the chitosan 114 may be chemically bonded to the cellulose 112 . Accordingly, in the cellulose 112 to which the chitosan 114 is bonded, stretching vibration corresponding to C-N may be observed during XPS analysis.

일 실시 예에 따르면, 상기 고체 전해질은, 제1 복합 섬유(110a) 및 제2 복합 섬유(110b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 복합 섬유(110a) 및 상기 제2 복합 섬유(110b)는 상기 베이스 복합 섬유(110)로부터 제조될 수 있다. According to an embodiment, the solid electrolyte may include a first composite fiber 110a and a second composite fiber 110b. The first composite fiber 110a and the second composite fiber 110b may be manufactured from the base composite fiber 110 .

일 실시 예에 따르면, 산화제를 이용하여 상기 키토산(114)이 결합된 상기 셀룰로오스(112)의 표면, 즉 상기 베이스 복합 섬유(110)의 표면이 산화되어, 제1 복합 섬유(110a)가 제조될 수 있다. According to an embodiment, the surface of the cellulose 112 to which the chitosan 114 is bonded, that is, the surface of the base composite fiber 110 is oxidized using an oxidizing agent to produce the first composite fiber 110a. can

구체적으로, 상기 제1 복합 섬유(110a)를 제조하는 단계는, 산화제를 포함하는 수용액에 상기 베이스 복합 섬유(110)를 첨가하여 소스 용액을 제조하는 단계, 상기 소스 용액의 pH를 염기성으로 조정하는 단계, 상기 소스 용액의 pH를 중성으로 조정하는 단계, 및 상기 소스 용액 내의 펄프를 세척하고 건조시켜 상기 제1 복합 섬유(110a)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the step of preparing the first composite fiber 110a includes preparing a source solution by adding the base composite fiber 110 to an aqueous solution containing an oxidizing agent, adjusting the pH of the source solution to basic Steps, adjusting the pH of the source solution to neutral, and washing and drying the pulp in the source solution to prepare the first conjugate fibers 110a may be included.

예를 들어, 상기 산화제를 포함하는 수용액은, TEMPO 수용액일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 산화제를 포함하는 수용액은, 4-Hydroxy-TEMPO, (Diacetoxyiodo)benzene, 4-Amino-TEMPO, 4-Carboxy-TEMPO, 4-Methoxy-TEMPO, TEMPO methacrylate, 4-Acetamido-TEMPO, 3-Carboxy-PROXYL, 4-Maleimido-TEMPO, 4-Hydroxy-TEMPO benzoate, 또는 4-Phosphonooxy-TEMPO 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the aqueous solution containing the oxidizing agent may be a TEMPO aqueous solution. Alternatively, for another example, the aqueous solution containing the oxidizing agent is 4-Hydroxy-TEMPO, (Diacetoxyiodo)benzene, 4-Amino-TEMPO, 4-Carboxy-TEMPO, 4-Methoxy-TEMPO, TEMPO methacrylate, 4-Acetamido -TEMPO, 3-Carboxy-PROXYL, 4-Maleimido-TEMPO, 4-Hydroxy-TEMPO benzoate, or 4-Phosphonooxy-TEMPO may include at least one.

상기 소스 용액은, 상기 베이스 복합 섬유(110)의 산화 반응을 위한 희생 시약 및 추가 산화제가 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 희생 시약은, NaBr, sodium iodide, sodium bromate, Sodium bromite, Sodium borate, sodium chlorite, 또는 sodium chloride 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 추가 산화제는, NaClO, potassium hypochlorite, Lithium hypochlorite, sodium chlorite, sodium chlorate, Perchloric acid, Potassium perchlorate, Lithium perchlorate, Tetrabutylammonium perchlorate, Zinc perchlorate, hydrogen peroxide, 또는 sodium peroxide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The source solution may further include a sacrificial reagent and an additional oxidizing agent for the oxidation reaction of the base composite fiber 110 . For example, the sacrificial reagent may include at least one of NaBr, sodium iodide, sodium bromate, sodium bromite, sodium borate, sodium chlorite, or sodium chloride, and the additional oxidizing agent may include NaClO, potassium hypochlorite, or lithium It may include at least one of hypochlorite, sodium chlorite, sodium chlorate, Perchloric acid, Potassium perchlorate, Lithium perchlorate, Tetrabutylammonium perchlorate, Zinc perchlorate, hydrogen peroxide, or sodium peroxide.

일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액의 pH를 염기성으로 조정하는 단계에서, 상기 소스 용액의 pH를 10으로 조정될 수 있다. 이에 따라, 침전물을 최소화시키면서 산화 반응을 용이하게 유도할 수 있고, pH 8~9인 반응 조건과 비교하여, 상기 제1 복합 섬유(110a)의 산화도가 향상될 수 있다. According to one embodiment, in the step of adjusting the pH of the source solution to basic, the pH of the source solution may be adjusted to 10. Accordingly, the oxidation reaction can be easily induced while minimizing the precipitate, and the degree of oxidation of the first composite fiber 110a can be improved compared to the reaction condition of pH 8-9.

일 실시 예에 따르면, 상기 산화제를 포함하는 수용액에 상기 베이스 복합 섬유(110) 및 상기 희생 시약이 제공된 후, 상기 추가 산화제가 제공될 수 있다. 또한, 상기 추가 산화제는, 점적되어 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 복합 섬유(110)의 급격한 산화 현상이 방지될 수 있고, 결과적으로, 상기 베이스 복합 섬유(110)의 표면이 균일하게 안정적으로 산화될 수 있다. According to one embodiment, after the base composite fiber 110 and the sacrificial reagent are provided in an aqueous solution containing the oxidizing agent, the additional oxidizing agent may be provided. In addition, the additional oxidizing agent may be provided dropwise. Accordingly, rapid oxidation of the base composite fiber 110 can be prevented, and as a result, the surface of the base composite fiber 110 can be uniformly and stably oxidized.

또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 키토산(114)이 결합된 상기 셀룰로오스(112)의 표면에 브롬을 결합시키고 질소를 포함하는 제1 기능기(116)를 브롬과 치환시켜, 상기 제2 복합 섬유(110b)가 제조될 수 있다. In addition, according to one embodiment, bromine is bonded to the surface of the cellulose 112 to which the chitosan 114 is bonded, and the first functional group 116 containing nitrogen is substituted with bromine, thereby forming the second composite fiber (110b) can be made.

상기 제1 기능기(116)는 아래의 <화학식 1>과 같이 표시될 수 있고, 상기 제1 기능기(116)는, 상기 키토산(114) 및/또는 상기 셀룰로오스(112)와 결합될 수 있다.The first functional group 116 may be represented by <Formula 1> below, and the first functional group 116 may be combined with the chitosan 114 and/or the cellulose 112 .

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112021021394815-pat00002
Figure 112021021394815-pat00002

즉, 상기 제2 복합 섬유(110b)는, quaternary N을 가질 수 있다.That is, the second composite fiber 110b may have quaternary N.

구체적으로, 상기 제2 복합 섬유(110b)를 제조하는 단계는, 제1 용매에 상기 베이스 복합 섬유(110)를 분산시키고 브롬 소스를 첨가하여 제1 소스 용액을 제조하는 단계, 상기 제1 소스 용액에 커플링제를 첨가하고 반응시켜 반응 현탁액을 제조하는 단계, 상기 반응 현탁액을 여과, 세척 및 동결 건조하여 브롬화된 베이스 복합 섬유를 제조하는 단계, 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유를 제2 용매에 분산시켜 제2 소스 용액을 제조하는 단계, 상기 제2 소스 용액에 상기 제1 기능기(116) 전구체를 첨가하고 반응시키는 단계, 반응된 용액을 여과, 세척, 및 동결 건조하여 상기 제2 복합 섬유(110b)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the step of preparing the second composite fiber 110b includes dispersing the base composite fiber 110 in a first solvent and adding a bromine source to prepare a first source solution, the first source solution adding a coupling agent to and reacting to prepare a reaction suspension, filtering, washing and freeze-drying the reaction suspension to prepare brominated base composite fibers, dispersing the brominated base composite fibers in a second solvent to prepare a reaction suspension 2 preparing a source solution, adding the precursor of the first functional group 116 to the second source solution and reacting, filtering, washing, and freeze-drying the reacted solution to form the second composite fiber 110b It may include the step of preparing.

예를 들어, 상기 제1 용매 및 상기 제2 용매는, 서로 동일할 수 있고, N, N-dimethylacetamide, Acetamide, Acetonitrile, ethanol, ethylenediamine, diethyl ether, 또는 benzaldehyde 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.For example, the first solvent and the second solvent may be the same as each other, and may include at least one of N, N-dimethylacetamide, Acetamide, Acetonitrile, ethanol, ethylenediamine, diethyl ether, or benzaldehyde.

예를 들어, 상기 브롬 소스는, LiBr, Sodium bromide, 또는 potassium bromide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the bromine source may include at least one of LiBr, sodium bromide, or potassium bromide.

예를 들어, 상기 커플링제는, N-bromosuccinimide 및 triphenylphosphine를 포함할 수 있다. 상기 커플링제에 의해, 상기 베이스 복합 섬유(110)의 표면에 브롬이 용이하게 결합될 수 있다. 구체적으로, N-bromosuccinimide 내의 브롬은 상기 베이스 복합 섬유(110)와 결합되고, triphenylphosphine는 브롬 전구체(브롬 소슨 또는 N-bromosuccinimide)를 환원시켜 반응 속도를 향상시킬 수 있다. For example, the coupling agent may include N-bromosuccinimide and triphenylphosphine. Bromine can be easily bonded to the surface of the base composite fiber 110 by the coupling agent. Specifically, bromine in N-bromosuccinimide is combined with the base composite fiber 110, and triphenylphosphine can improve the reaction rate by reducing a bromine precursor (bromine source or N-bromosuccinimide).

상술된 바와 같이, 상기 반응 현탁액에서 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유를 수득한 후, 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유는 동결 건조될 수 있다. 이에 따라, 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유의 브롬의 손실이 최소화될 수 있고, 브롬이 다른 원소들과 2차 반응하는 것이 최소화될 수 있다. As described above, after obtaining the brominated base composite fibers in the reaction suspension, the brominated base composite fibers may be freeze-dried. Accordingly, loss of bromine in the brominated base composite fiber can be minimized, and secondary reactions of bromine with other elements can be minimized.

예를 들어, 상기 제1 기능기(116) 전구체는, 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane를 포함할 수 있다. For example, the precursor of the first functional group 116 may include 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 복합 섬유(110a) 및 상기 제2 복합 섬유(110b)를 이용한 젤라틴 공정으로, 상기 고체 전해질이 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 고체 전해질은, 상기 제1 복합 섬유(110a) 및 상기 제2 복합 섬유(110b)를 포함하되, 상기 제1 복합 섬유(110a) 및 상기 제2 복합 섬유(110b)는 서로 가교 결합될 수 있다. 상기 제1 복합 섬유(110a)에 의해 상기 고체 전해질 내의 OH 이온의 수가 증가하고 이온 전도도가 향상될 수 있으며, 음전하 농도(negative charge density)가 증가하고 스웰링 저항성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 제2 복합 섬유(110b)에 의해, 분자량이 증가되어 열적 안정성이 향상되고, 이온 교환능(ion exchange capacity)이 향상되어 높은 수분 함침율 및 높은 스웰링 저항성을 가질 수 있으며, 상기 제1 복합 섬유(110a)와 가교 결합력이 향상될 수 있고, 특정한 용매에 선택적으로 높은 용해도(ion discerning selectivity)를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 고체 전해질을 포함하는 이차 전지의 충방전 특성 및 수명 특성이 향상될 수 있다.According to an embodiment, the solid electrolyte may be manufactured by a gelatin process using the first composite fiber 110a and the second composite fiber 110b. In this case, the solid electrolyte includes the first composite fiber 110a and the second composite fiber 110b, and the first composite fiber 110a and the second composite fiber 110b are cross-linked to each other. It can be. The number of OH ions in the solid electrolyte may increase, ionic conductivity may be improved, negative charge density may be increased, and swelling resistance may be improved by the first composite fiber 110a. In addition, by the second composite fiber 110b, the molecular weight is increased to improve thermal stability, and the ion exchange capacity is improved to have a high water impregnation rate and high swelling resistance, and the first The composite fiber 110a and cross-linking ability may be improved, and selectively high solubility (ion discerning selectivity) in a specific solvent may be obtained. Accordingly, charge/discharge characteristics and lifespan characteristics of the secondary battery including the solid electrolyte may be improved.

구체적으로, 상기 고체 전해질을 제조하는 단계는, 상기 제1 복합 섬유(110a) 및 상기 제2 복합 섬유(110b)를 용매에 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계, 상기 혼합 용액에 가교제 및 개시제를 첨가하고 반응시켜 현탁액을 제조하는 단계, 상기 현탁액을 기판 상에 캐스팅하고 건조시켜 복합 섬유막을 제조하는 단계, 상기 복합 섬유막에 이온 교환 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, preparing the solid electrolyte may include preparing a mixed solution by mixing the first composite fiber 110a and the second composite fiber 110b in a solvent, and adding a crosslinking agent and an initiator to the mixed solution. and reacting to prepare a suspension, casting the suspension on a substrate and drying it to prepare a composite fiber membrane, and performing an ion exchange process on the composite fiber membrane.

예를 들어, 상기 용매는, methylene chloride, 1,2-Propanediol, 및 아세톤의 혼합 용매를 포함할 수 있고, 상기 가교제는 glutaraldehyde를 포함할 수 있고, 상기 개시제는 N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide를 포함할 수 있다. For example, the solvent may include a mixed solvent of methylene chloride, 1,2-propanediol, and acetone, the crosslinker may include glutaraldehyde, and the initiator may include N,N-Diethyl-N-methyl -N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide.

또한, 예를 들어, 상기 복합 섬유막에 대한 이온 교환 공정은, 상기 복합 섬유막에 KOH 수용액 및 ZnTFSI 수용액을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이로 인해, 상기 고체 전해질 내에 OH 이온 함량이 향상될 수 있다. Also, for example, the ion exchange process for the composite fibrous membrane may include providing a KOH aqueous solution and a ZnTFSI aqueous solution to the composite fibrous membrane. Due to this, the OH ion content in the solid electrolyte may be improved.

상술된 바와 같이, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 고체 전해질은, 상기 베이스 복합 섬유(110), 상기 제1 복합 섬유(110a), 또는 상기 제2 복합 섬유(110b) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 상기 멤브레인(M)을 포함할 수 있다. As described above, according to an embodiment of the present application, the solid electrolyte includes at least one of the base composite fiber 110, the first composite fiber 110a, and the second composite fiber 110b. It may include the membrane (M) to.

상기 고체 전해질 내에서, 상기 키토산(114)의 비율은, 상기 배양 배지 내에 제공되는 상기 키토산 유도체의 함량에 따라서 용이하게 제어될 수 있다. 상기 키토산(114)의 비율에 따라서, 상기 고체 전해질의 결정성, 이온 전도도, 및 스웰링 비율이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 키토산(114)의 비율이 증가할수록, 상기 고체 전해질의 결정성이 점차적으로 감소될 수 있다. In the solid electrolyte, the ratio of the chitosan 114 can be easily controlled according to the content of the chitosan derivative provided in the culture medium. Depending on the ratio of the chitosan 114, crystallinity, ion conductivity, and swelling ratio of the solid electrolyte may be controlled. Specifically, as the proportion of the chitosan 114 increases, the crystallinity of the solid electrolyte may gradually decrease.

일 실시 예에 따르면, 상기 키토산(114)의 함량은 30wt% 초과 70wt% 미만일 수 있다. 만약, 상기 키토산(114)의 함량이 30wt% 이하이거나, 또는 70wt% 이상인 경우, 상기 고체 전해질의 이온 전도도가 현저하게 저하되고, 스웰링 비율이 현저하게 증가할 수 있다. According to one embodiment, the content of the chitosan 114 may be greater than 30 wt% and less than 70 wt%. If the content of the chitosan 114 is 30wt% or less or 70wt% or more, the ionic conductivity of the solid electrolyte is significantly reduced and the swelling ratio may be significantly increased.

하지만, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 고체 전해질 내에서 상기 키토산(114)의 비율이 30wt% 초과 70wt% 미만일 수 있고, 이로 인해, 상기 고체 전해질이 고 이온 전도도 특성을 유지하면서, 낮은 스웰링 비율 값을 가질 수 있다. However, according to an embodiment of the present application, the proportion of the chitosan 114 in the solid electrolyte may be greater than 30 wt% and less than 70 wt%, and as a result, the solid electrolyte maintains high ionic conductivity and has low swelling. It can have a ratio value.

도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지를 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating a metal-air battery including a solid electrolyte according to an embodiment of the present application.

도 5를 참조하면, 본 출원의 실시 예에 따른 금속 공기 전지가 제공된다. 상기 금속 공기 전지는, 음극(200), 양극(300), 및 상기 음극(200) 및 상기 양극(300) 사이의 고체 전해질(100)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5 , a metal-air battery according to an embodiment of the present application is provided. The metal-air battery may include a negative electrode 200, a positive electrode 300, and a solid electrolyte 100 between the negative electrode 200 and the positive electrode 300.

상기 고체 전해질(100)은, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된, 상기 베이스 복합 섬유(110), 상기 제1 복합 섬유(110a), 또는 상기 제2 복합 섬유(110b) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 멤브레인 형태로 제공될 수 있다. The solid electrolyte 100 includes at least one of the base composite fiber 110, the first composite fiber 110a, and the second composite fiber 110b described with reference to FIGS. 1 to 4 It may be provided in the form of a membrane containing

상기 음극(200)은, 아연을 포함할 수 있다. 또는, 이와 달리, 상기 음극(200)은 리튬을 포함할 수 있다. The negative electrode 200 may include zinc. Alternatively, the negative electrode 200 may include lithium.

일 실시 예에 따르면, 상기 양극(300)은, Pt/C 및 RuO2를 포함할 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극(300)은, 전이금속(예를 들어, 구리), 인, 및 칼코겐 원소(예를 들어, 황)의 화합물 구조체를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 화합물 구조체는, 피브릴화된 복수의 섬유가 멤브레인을 구성하는 형태로 제공되고, (101) 결정면을 가질 수 있다. 상기 화합물 구조체의 구체적인 제조 공정은, 후술된다. According to one embodiment, the anode 300 may include Pt/C and RuO2. Alternatively, according to another embodiment, the anode 300 may include a compound structure of a transition metal (eg, copper), phosphorus, and a chalcogen element (eg, sulfur). In this case, the compound structure may be provided in a form in which a plurality of fibrillated fibers constitute a membrane, and may have a (101) crystal plane. A specific manufacturing process of the compound structure will be described later.

본 출원의 실시 예에 따른 상기 금속 공기 전지에 포함된 상기 고체 전해질(100)은, 넓은 온도 범위에서 안정적인 상태를 유지할 수 있고, 이로 인해, 상기 고체 전해질(100)을 포함하는 상기 금속 공기 전지가 다양한 환경에서 안정적으로 구동될 수 있다. 또한, 상기 고체 전해질(100)은 다량의 OH 이온 및 수분을 함유하고, 높은 이온 전도도를 가질 수 있고, 이에 따라, 상기 금속 공기 전지의 충방전 용량 및 수명 특성이 향상되는 것은 물론, 상기 금속 공기 전지의 충방전 과정에서 상기 음극(200)의 표면에서 덴드라이트가 성장되는 것이 최소화될 수 있다.The solid electrolyte 100 included in the metal-air battery according to the embodiment of the present application can maintain a stable state in a wide temperature range, and as a result, the metal-air battery including the solid electrolyte 100 It can be operated stably in various environments. In addition, the solid electrolyte 100 may contain a large amount of OH ions and moisture and may have high ion conductivity, thereby improving the charge/discharge capacity and lifespan characteristics of the metal air battery, as well as the metal air Growth of dendrites on the surface of the negative electrode 200 during the charging and discharging process of the battery can be minimized.

이하, 본 출원의 구체적인 실험 예에 따른 베이스 복합 섬유, 제1 복합 섬유, 제2 복합 섬유, 및 고체 전해질의 제조 방법이 설명된다. Hereinafter, a method for manufacturing a base composite fiber, a first composite fiber, a second composite fiber, and a solid electrolyte according to specific experimental examples of the present application will be described.

도 6은 본 출원의 실험 예 1-2에 따른 제1 복합 섬유 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 출원의 실험 예 1-3에 따른 제2 복합 섬유 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질의 이온 이동 원리를 설명하기 위한 도면이다. 6 is a view for explaining a first composite fiber and a manufacturing method thereof according to Experimental Examples 1-2 of the present application, and FIG. 7 is a view illustrating a second composite fiber and a manufacturing method thereof according to Experimental Examples 1-3 of the present application. FIG. 8 is a view for explaining a method of manufacturing a solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application, and FIG. 9 is an ion movement principle of the solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application. It is a drawing for explaining.

실험 예 1-1에 따른 베이스 복합 섬유(CBC) 제조Preparation of base composite fiber (CBC) according to Experimental Example 1-1

박테리아 균주로 Acetobacter xylinum을 준비하고, 키토산 유도체를 준비하였다. 키토산 유도체는, 1g의 키토산 염화물(chitosan chloride)을 1%(v/v)의 수성 아세트산에 용해시킨 현탁액을 1M의 글리시딜 트리메틸암모늄클로라이드(glycidyltrimethylammonium chloride)로 N2 분위기에서 65℃에서 24시간 동안 처리한 후, 침전시키고 에탄올로 복수회 여과시켜 제조하였다. Acetobacter xylinum was prepared as a bacterial strain, and chitosan derivatives were prepared. Chitosan derivatives are prepared by dissolving 1 g of chitosan chloride in 1% (v/v) aqueous acetic acid with 1 M glycidyltrimethylammonium chloride for 24 hours at 65° C. in N 2 atmosphere. After treatment for a while, precipitated and prepared by filtering with ethanol several times.

파인애플 주스(2% w/v), 효모(0.5% w/v), 펩톤(0.5% w/v), 디소듐포스페이트(0.27% w/v), 시트르산(0.015% w/v), 및 상기 키토산 유도체(2% w/v)를 포함하는 Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지를 준비하고, 20 분 동안 121℃에서 증기 멸균시켰다. 또한, Acetobacter xylinum을 전-배양(pre-cultivation) Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지에서 30 ℃에서 24 시간 동안 활성화시킨 후, 아세트산을 첨가하여 pH 6으로 유지시켰다.Pineapple juice (2% w/v), yeast (0.5% w/v), peptone (0.5% w/v), disodium phosphate (0.27% w/v), citric acid (0.015% w/v), and Hestrin-Schramm (HS) culture medium containing chitosan derivatives (2% w/v) was prepared and steam sterilized at 121° C. for 20 minutes. In addition, Acetobacter xylinum was activated in a pre-cultivation Hestrin-Schramm (HS) culture medium at 30 °C for 24 hours, and then maintained at pH 6 by adding acetic acid.

이후, Acetobacter xylinum을 Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지에서 30 ℃에서 7 일 동안 배양하였다. Then, Acetobacter xylinum was cultured in Hestrin-Schramm (HS) culture medium at 30 °C for 7 days.

수확된 박테리아 펠리클(pellicle)을 탈 이온수로 세척하여 상청액의 pH를 중성화시키고, 105℃ 진공에서 탈수시켰다. 생성된 셀룰로오스를 1 N HCl을 이용하여 30 분 동안 탈염(demineralized)하여(질량비 1:15, w/v) 과량의 시약을 제거한 다음, 상청액이 중성 pH가 될 때까지 탈 이온수를 이용하여 복수회 원심 분리하여 정제하였다. 최종적으로, 모든 용매를 100 ℃에서 증발시킨 후 베이스 복합 섬유(키토산-박테리아 셀룰로오스(CBC))를 제조하였다.The harvested bacterial pellicles were washed with deionized water to neutralize the pH of the supernatant and dehydrated in vacuum at 105 °C. The resulting cellulose was demineralized with 1 N HCl for 30 minutes (mass ratio 1:15, w/v) to remove excess reagent, and then washed several times with deionized water until the supernatant reached a neutral pH. It was purified by centrifugation. Finally, after evaporating all solvents at 100 °C, a base composite fiber (chitosan-bacterial cellulose (CBC)) was prepared.

실험 예 1-2에 따른 제1 복합 섬유(oCBC) 제조Preparation of a first composite fiber (oCBC) according to Experimental Examples 1-2

상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유(TEMPO-산화된 CBC(oCBCs))는, 도 6에 도시된 바와 같이, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl(TEMPO), 브롬화나트륨(NaBr), 및 하이포염소산나트륨(NaClO)을 사용하는 산화반응에 의해, 히드록시메틸(hydroxymethyl) 및 ortho-para directing acetamido 베이스 복합 섬유(CBC)를 TEMPO의 산화물에 컨쥬게이션(conjugation)하는 방법으로 설계되었다. The first composite fiber (TEMPO-oxidized CBC (oCBCs)) in which the surface of the base composite fiber is oxidized is, as shown in FIG. 6, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO), Conjugation of hydroxymethyl and ortho-para directing acetamido base composite fibers (CBC) to the oxide of TEMPO by an oxidation reaction using sodium bromide (NaBr) and sodium hypochlorite (NaClO) designed in a way

구체적으로, 2mM TEMPO 수용액에 분산된 2g의 베이스 복합 섬유 섬유를 NaBr (1.9mM)과 반응시켰다. 5mM의 NaClO를 추가 산화제로 사용하였다. Specifically, 2 g of base composite fiber fibers dispersed in 2 mM TEMPO aqueous solution were reacted with NaBr (1.9 mM). 5 mM NaClO was used as an additional oxidizing agent.

반응 현탁액을 초음파로 교반하고, 실온에서 3 시간 동안 반응을 진행시켰다. 0.5M NaOH 용액을 연속적으로 첨가함으로써 현탁액의 pH가 10을 유지하도록 하였다. 이어서, 현택액에 1N HCl을 첨가하여 3시간 동안 pH를 중성으로 유지시켰다. 현탁액 내에 생성된 산화된 펄프를 0.5 N HCl을 이용하여 3 회 세척하고, 탈이온수를 이용하여 상청액이 중성 pH가 되도록 하였다. The reaction suspension was stirred by ultrasonic waves, and the reaction was allowed to proceed at room temperature for 3 hours. The pH of the suspension was maintained at 10 by successive additions of 0.5M NaOH solution. 1N HCl was then added to the suspension to keep the pH neutral for 3 hours. The resulting oxidized pulp in suspension was washed three times with 0.5 N HCl and the supernatant was brought to neutral pH with deionized water.

세정된 펄프를 30 분 동안 아세톤, 톨루엔으로 교환하고 건조시켜 용매를 증발시키고, 최종적으로, 제1 복합 섬유(oCBC) 섬유를 수득하였다.The washed pulp was exchanged with acetone, toluene for 30 minutes and dried to evaporate the solvent, and finally, a first conjugate fiber (oCBC) fiber was obtained.

도 6에서 알 수 있듯이, 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화될 수 있다. As can be seen in FIG. 6 , the surface of the base composite fiber may be oxidized.

실험 예 1-3에 따른 제2 복합 섬유(qCBC) 제조Preparation of the second composite fiber (qCBC) according to Experimental Examples 1-3

상기 베이스 복합 섬유에 질소를 갖는 제1 기능기가 결합된 제2 복합(Covalently quaternized CBC(qCBC))는, 도 7에 도시된 바와 같이, 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane을 이용한 커플링제에 의한 브롬화된 베이스 복합 섬유(CBC) 및 4차 아민 그룹의 컨쥬게이션(conjugation)하는 방법으로 제조되었다. As shown in FIG. 7, the second composite (Covalently quaternized CBC (qCBC)) in which the first functional group having nitrogen is bonded to the base composite fiber is a coupling agent using 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane It was prepared by conjugation of brominated base composite fibers (CBC) and quaternary amine groups by

구체적으로, N, N-dimethylacetamide(35ml) 용액에 분산된 1g의 베이스 복합 섬유를 LiBr(1.25g) 현탁액과 30분 동안 교반하면서 반응시켰다. N-bromosuccinimide(2.1 g) 및 triphenylphosphine(3.2 g)을 커플링제로 사용하였다. 두 반응 혼합물을 10 분 동안 교반하고, 60분 동안 80℃에서 반응시켰다. Specifically, 1 g of the base composite fibers dispersed in a solution of N, N-dimethylacetamide (35 ml) was reacted with a suspension of LiBr (1.25 g) while stirring for 30 minutes. N-bromosuccinimide (2.1 g) and triphenylphosphine (3.2 g) were used as coupling agents. Both reaction mixtures were stirred for 10 minutes and reacted at 80° C. for 60 minutes.

이어서, 반응 현탁액을 실온으로 냉각시키고 탈 이온수에 첨가하고, 여과하고, 탈 이온수 및 에탄올로 린싱하고, 동결 건조하여 브롬화된 베이스 복합 섬유(bCBC) 섬유를 수득하였다. The reaction suspension was then cooled to room temperature, added to deionized water, filtered, rinsed with deionized water and ethanol, and lyophilized to obtain brominated base composite fiber (bCBC) fibers.

브롬화된 베이스 복합 섬유를 100 ml의 N, N-dimethylformamide에 용해시키고, 1.2 g의 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane와 반응시켰다. Brominated base composite fibers were dissolved in 100 ml of N,N-dimethylformamide and reacted with 1.2 g of 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane.

이후, 혼합물을 30 분 동안 초음파 처리한 후, 실온에서 24시간 동안 반응시켰다. 생성된 용액을 diethyl ether에 혼합하고, diethyl ether/ethyl acetate로 5 회 세척하고 동결 건조시켜 제2 복합 섬유(Covalently quaternized CBC(qCBC))를 수득하였다.Thereafter, the mixture was sonicated for 30 minutes and reacted at room temperature for 24 hours. The resulting solution was mixed with diethyl ether, washed 5 times with diethyl ether/ethyl acetate, and freeze-dried to obtain a second composite fiber (covalently quaternized CBC (qCBC)).

도 7에서 알 수 있듯이, 상기 베이스 복합 섬유의 표면에 질소를 갖는 제1 기능기가 결합된 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 7 , it can be confirmed that the first functional group having nitrogen is bonded to the surface of the base composite fiber.

실험 예 1-4에 따른 고체 전해질(CBCs) 제조Preparation of solid electrolytes (CBCs) according to Experimental Examples 1-4

고체 전해질은, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)를 이용한 젤라틴 공정으로 제조되었다. 구체적으로, 초음파를 이용하여 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)를 동일한 무게 비율로 methylene chloride 및 1,2-Propanediol 및 아세톤의 혼합물(8:1:1 v/v/v%)에 용해시키고, 가교제로 1wt%의 glutaraldehyde 및 개시제로 0.3wt%의 N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide를 첨가하였다. As shown in FIG. 8 , the solid electrolyte was prepared by a gelatin process using the first composite fiber (oCBC) and the second composite fiber (qCBC). Specifically, a mixture of methylene chloride, 1,2-propanediol and acetone (8: 1: 1 v / v /v%), and 1wt% of glutaraldehyde as a crosslinking agent and 0.3wt% of N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide as an initiator were added.

진공 챔버 (200 Pa)를 이용하여 겔 현탁액의 기포를 제거하고, 60 ℃에서 6 시간 동안 유리 상에 캐스팅하였다. 복합 섬유막을 탈 이온수로 응고시키면서 박리하고, 탈 이온수로 헹구고, 진공 건조시켰다. The gel suspension was debubbled using a vacuum chamber (200 Pa) and cast on glass at 60° C. for 6 hours. The composite fibrous membrane was peeled off while coagulating with deionized water, rinsed with deionized water, and vacuum dried.

1 M KOH 수용액 및 0.1 M ZnTFSI으로 상온에서 각각 6시간 동안 이온 교환하여 고체 전해질(CBCs)을 제조하였다. 이 후, CO2와 반응 및 카보네이트 형성을 피하기 위해, N2 분위기에서 탈이온수로 세척 및 침지 공정이 수행되었다.Solid electrolytes (CBCs) were prepared by ion exchange with 1 M KOH aqueous solution and 0.1 M ZnTFSI at room temperature for 6 hours, respectively. Thereafter, washing and soaking processes were performed with deionized water in an N 2 atmosphere to avoid reaction with CO 2 and formation of carbonate.

도 8에서 확인할 수 있듯이, 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)는 서로 가교 결합되어 상기 고체 전해질(CBCs)를 구성하는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 8 , it can be seen that the first composite fiber (oCBC) and the second composite fiber (qCBC) are cross-linked to form the solid electrolytes (CBCs).

또한, 도 9을 참조하면, 상기 고체 전해질(CBCs)의 가교된 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)의 표면에서는 OH 이온이 호핑(hopping, 그로투스 이동(grotthuss transport))하며, 상기 제1 복합 섬유 및 상기 제2 복합 섬유의 표면에서 이격된 내부에서는 확산을 통해 이동할 수 있다. 또한, 상기 고체 전해질(CBCs)는 도 11을 참조하여 후술되는 바와 같이 비정질 상을 가질 수 있고, 이로 인해, 결정질 구조와 비교하여 높은 이온 전도도를 가질 수 있다.In addition, referring to FIG. 9, on the surfaces of the first composite fibers (oCBC) and the second composite fibers (qCBC) crosslinked of the solid electrolytes (CBCs), OH ions hop (grotthuss transport) )), and may move through diffusion in the interior spaced apart from the surface of the first composite fiber and the second composite fiber. In addition, the solid electrolytes (CBCs) may have an amorphous phase, as will be described later with reference to FIG. 11 , and due to this, they may have higher ion conductivity compared to a crystalline structure.

실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스 제조Preparation of bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5

상술된 실험 예 1-1의 베이스 복합 섬유의 제조 방법에서, 키토산 유도체를 생략하고, 탈염 과정의 생략하여, 키토산을 포함하지 않는 박테리아 셀룰로오스를 제조하였다. In the method for preparing the base composite fiber of Experimental Example 1-1 described above, the chitosan derivative was omitted and the desalting process was omitted, thereby preparing bacterial cellulose not containing chitosan.

실험 예 1-6 따른 일반 박테리아 셀룰로오스 제조Preparation of general bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-6

글루코스(2wt%), 펩톤(0.5wt%), 효모(0.5wt%), 디소듐포스페이트(0.2wt%), 및 시트르산(0.1wt%)을 포함하는 배양 배지를 이용하되, 키토산 유도체를 생략하고, 탈염 과정을 생략하여, 실험 예 1-1과 동일한 방법으로 박테리아 셀룰로오스를 제조하였다.Using a culture medium containing glucose (2wt%), peptone (0.5wt%), yeast (0.5wt%), disodium phosphate (0.2wt%), and citric acid (0.1wt%), omitting the chitosan derivative , Bacterial cellulose was prepared in the same manner as in Experimental Example 1-1, omitting the desalting process.

실험 예 1-7에 따른 셀룰로오스 제조Cellulose production according to Experimental Examples 1-7

사탕수수 버개스(bagasse)를 준비하고, 에탄올에, 탈이온수, NaOH, 및 질산을 혼합한 용매를 준비하였다. 용매에 사탕수수 버개스를 분산시켜 세척한 후에, 여과하고, 중성 pH가 될 때까지 탈이온수로 복수회 세척하였다.Sugar cane bagasse was prepared, and a solvent was prepared by mixing ethanol, deionized water, NaOH, and nitric acid. After washing by dispersing sugarcane bagasse in the solvent, it was filtered and washed multiple times with deionized water until neutral pH.

세척된 사탕수수 버개스를 100 ℃에서 3 시간 동안 건조하고, 16 메쉬 IKA MF-10 밀의 스테인리스 스틸 체로 연마하여 섬유 펄프를 제조하였다.The washed sugar cane bagasse was dried at 100° C. for 3 hours and ground with a stainless steel sieve of a 16 mesh IKA MF-10 mill to make fiber pulp.

섬유 펄프를 55 ℃에서 1 시간 동안 과산화수소(1 %, pH 13.5)로 표백하는 단위 공정을 총 3 회 반복 수행하고, 대기 분위기에서 3 시간 동안 NaOH 용액으로 잔류물을 제거한 후에, 에탄올 및 아세톤으로 세척하고, 50 ℃에서 6 시간 동안 건조시켜 셀룰로오스를 제조하였다.The unit process of bleaching fiber pulp with hydrogen peroxide (1%, pH 13.5) for 1 hour at 55 °C was repeated three times in total, and the residue was removed with NaOH solution for 3 hours in an air atmosphere, followed by washing with ethanol and acetone. and dried at 50 °C for 6 hours to prepare cellulose.

실험 예 1-1 내지 실험 예 1-7은 아래의 [표 1]과 같이 정리될 수 있다. Experimental Example 1-1 to Experimental Example 1-7 can be organized as shown in [Table 1] below.

구분division 구조structure 실험 예 1-1Experimental Example 1-1 베이스 복합 섬유(CBC): 키토산 + 박테리아 셀룰로오스Base Composite Fiber (CBC): Chitosan + Bacterial Cellulose 실험 예 1-2Experimental example 1-2 제1 복합 섬유(oCBC): 표면 산화된 키토산 + 표면 산화된 박테리아 셀룰로오스First composite fiber (oCBC): surface oxidized chitosan + surface oxidized bacterial cellulose 실험 예 1-3Experimental Example 1-3 제2 복합 섬유(qCBC): 제1 기능기를 갖는 키토산 + 제1 기능기를 갖는 박테리아 셀룰로오스Second composite fiber (qCBC): chitosan having a first functional group + bacterial cellulose having a first functional group 실험 예 1-4Experimental Example 1-4 제1 복합 섬유(oCBC) 및 제2 복합 섬유(qCBC)의 가교Crosslinking of the first conjugate fiber (oCBC) and the second conjugate fiber (qCBC) 실험 예 1-5Experimental Example 1-5 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스Bacterial cellulose without chitosan 실험 예 1-6Experimental Example 1-6 일반 박테리아 셀룰로오스normal bacterial cellulose 실험 예 1-7Experimental Example 1-7 셀룰로오스cellulose

도 10은 본 출원의 실험 예 1-2 내지 1-4에 따라 제조된 제1 복합 섬유, 제2 복합 섬유, 및 고체 전해질의 수소 NMR 분석 결과이다. 10 is a hydrogen NMR analysis result of the first composite fiber, the second composite fiber, and the solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-2 to 1-4 of the present application.

도 10을 참조하면, 상술된 실험 예 1-2 내지 1-4에 따라 제조된 제1 복합 섬유, 제2 복합 섬유, 및 고체 전해질에 대해서, 수소 NMR을 분석하였다. Referring to FIG. 10 , hydrogen NMR was analyzed for the first composite fiber, the second composite fiber, and the solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-2 to 1-4 described above.

도 10의 분석 결과에서 색상을 갖는 동그라미들은, 도 8에서 동일한 색상을 갖는 동그라미에 해당되는 수소 원자에 대응된다. 즉, 도 8에 색상을 갖는 동그라미들의 NMR 분석 결과를, 도 10에서 확인할 수 있다. 도 10에서 알 수 있듯이, 상기 제1 복합 섬유 및 상기 제2 복합 섬유가 교대로 그리고 반복적으로 동일한 비율로 가교 결합된 것을 확인할 수 있다. Circles having colors in the analysis result of FIG. 10 correspond to hydrogen atoms corresponding to circles having the same color in FIG. 8 . That is, the NMR analysis result of the colored circles in FIG. 8 can be confirmed in FIG. 10 . As can be seen in FIG. 10 , it can be seen that the first composite fiber and the second composite fiber are alternately and repeatedly cross-linked at the same ratio.

도 11은 본 출원의 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-7에 따라 제조된 고체 전해질, 박테리아 셀룰로오스, 일반 박테리아 셀룰로오스, 및 셀룰로오스에 대한 XRD 분석 결과이다. 11 is XRD analysis results of solid electrolytes, bacterial cellulose, general bacterial cellulose, and cellulose prepared according to Experimental Examples 1-4 to 1-7 of the present application.

도 11을 참조하면, 상술된 실험 예 1-4 내지 1-7에 따라 제조된 고체 전해질, 박테리아 셀룰로오스, 일반 박테리아 셀룰로오스, 및 셀룰로오스에 대해서 XRD 분석을 수행하였다. Referring to FIG. 11 , XRD analysis was performed on the solid electrolyte, bacterial cellulose, general bacterial cellulose, and cellulose prepared according to Experimental Examples 1-4 to 1-7 described above.

도 11에서 알 수 있듯이, 실험 예 1-7의 셀룰로오스 섬유는 높은 결정성을 갖는 것을 확인할 수 있고, (200), (110), (1-10) 결정면에 대응하는 피크 값을 가져 헥사고날 결정 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 반면, 실험 예 1-6의 박테리아 셀룰로오스는 결정성이 상대적으로 감소되었으며, (200) 결정면에 대응하는 피크의 2θ 값이 감소한 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 11, it can be seen that the cellulose fibers of Experimental Examples 1-7 have high crystallinity, and have peak values corresponding to (200), (110), and (1-10) crystal planes, resulting in hexagonal crystals. structure can be seen. On the other hand, it can be seen that the crystallinity of the bacterial cellulose of Experimental Examples 1-6 was relatively reduced, and the 2θ value of the peak corresponding to the (200) crystal plane decreased.

본 출원의 실시 예에 따라 제조된 실험 예 1-5의 박테리아 셀룰로오스는, 실험 예 1-7의 일반 셀룰로오스 섬유와 비교하여 현저하게 결정성이 감소하였으며, 실험 예 1-7의 일반 셀룰로오스 섬유 및 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스와는 다르게 (020) 및 (110) 결정면에 대응하는 피크 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, (1-10) 결정면에 대응하여 2개의 피크 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, (110) 결정면에 대응하는 피크 값이, 다른 결정면(예를 들어, (101), (1-10))에 대응하는 피크 값보다 높은 것을 확인할 수 있다. The crystallinity of the bacterial cellulose of Experimental Examples 1-5 prepared according to the examples of the present application was significantly reduced compared to the normal cellulose fibers of Experimental Examples 1-7, and the normal cellulose fibers and experiments of Experimental Examples 1-7 Unlike the general bacterial cellulose of Examples 1-6, it can be seen that it has peak values corresponding to the (020) and (110) crystal planes, and it can be confirmed that it has two peak values corresponding to the (1-10) crystal plane. . In addition, it can be confirmed that the peak value corresponding to the (110) crystal plane is higher than the peak value corresponding to other crystal planes (eg, (101), (1-10)).

또한, 본 출원의 실시 예에 따라 제조된 실험 예 1-4의 고체 전해질은 결정질 상 및 비정질 상을 동시에 갖되, 비정질 상의 비율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. In addition, it can be seen that the solid electrolytes of Experimental Examples 1-4 prepared according to the embodiments of the present application simultaneously have a crystalline phase and an amorphous phase, but the ratio of the amorphous phase is remarkably high.

도 12는 본 출원의 실험 예 1-4 내지 1-6에 따라 제조된 고체 전해질, 박테리아 셀룰로오스, 및 일반 박테리아 셀룰로오스에 대한 FT-IR 분석 결과이다.12 is a FT-IR analysis result for solid electrolytes, bacterial cellulose, and general bacterial cellulose prepared according to Experimental Examples 1-4 to 1-6 of the present application.

도 12를 참조하면, 상술된 실험 예 1-4 내지 1-6에 따라 고체 전해질, 박테리아 셀룰로오스, 및 일반 박테리아 셀룰로오스에 대해서 FT-IR 분석을 수행하였다.Referring to FIG. 12 , FT-IR analysis was performed on the solid electrolyte, bacterial cellulose, and general bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-4 to 1-6 described above.

도 12에서 알 수 있듯이, 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스와 비교하여, 실험 예 1-5의 박테리아 셀룰로오스의 경우, C-O 및 O-H의 신축진동(stretching vibration)이, 1056cm-1 및 2932cm-1에서 1022cm-1 및 2895cm-1으로 이동한 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시 예에 따른 실험 예 1-4의 고체 전해질의 경우 C-N+ 신축 진동이 1458cm-1에서 관찰되어, quaternization 반응이 일어난 것을 확인할 수 있다. 2916cm-1 및 3320cm-1에서 진동은 O-H 신축 진동에 대응하며, 1652cm-1 및 1750cm-1은 물에 대응하는 것으로, 비정질의 고체 전해질 내에 충분한 물분자가 존재하는 것을 확인할 수 있고, 실험 예 1-4의 고체 전해질에서 C-O의 신축 진동의 강도가 증가한 것은, 키토산 및 박테리아 셀룰로오스의 반응에 따른 것이다. 또한, 실험 예 1-4의 고체 전해질 내에 카보네이트가 실질적으로 존재하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 상용화된 PVA 전해질과 비교하여 장점을 갖는 것을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 12, compared to the general bacterial cellulose of Experimental Example 1-6, in the case of the bacterial cellulose of Experimental Example 1-5, the stretching vibrations of CO and OH are 1056 cm -1 and 2932 cm -1 It can be seen that it has moved to 1022 cm -1 and 2895 cm -1 in . In addition, in the case of the solid electrolyte of Experimental Examples 1-4 according to an embodiment of the present application, CN + stretching vibration was observed at 1458 cm −1 , confirming that a quaternization reaction occurred. The vibrations at 2916 cm -1 and 3320 cm -1 correspond to OH stretching vibrations, and 1652 cm -1 and 1750 cm -1 correspond to water, and it can be confirmed that sufficient water molecules exist in the amorphous solid electrolyte, Experimental Example 1 The increase in the strength of the stretching vibration of CO in the -4 solid electrolyte is due to the reaction between chitosan and bacterial cellulose. In addition, it can be confirmed that carbonate is not substantially present in the solid electrolytes of Experimental Examples 1-4, and accordingly, it can be seen that it has advantages compared to commercially available PVA electrolytes.

도 13은 본 출원의 실험 예 1-4에 따라 제조된 고체 전해질을 촬영한 SEM 사진이다. 13 is a SEM photograph of a solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-4 of the present application.

도 13을 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따라 제조된 고체 전해질의 SEM 사진을 촬영하였다. Referring to FIG. 13 , SEM pictures of the solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-4 were taken.

도 13에서 알 수 있듯이, 복수의 기공들이 내부에 다수 존재하는 것을 확인할 수 있고, 키토산이 결합된 박테리아 셀룰로오스 섬유가 피브릴화된 형태로 제공되며 5~10nm의 직경을 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 13, it can be confirmed that a plurality of pores are present therein, and it can be confirmed that the bacterial cellulose fiber to which chitosan is bound is provided in a fibrillated form and has a diameter of 5 to 10 nm.

측정된 기공의 크기는 약 20~200nm이며, 고체 전해질 내에서 키토산이 결합된 박테리아 셀룰로오스 섬유가 높은 기공 및 높은 표면적으로 네트워크를 구성하여, 스웰링에 대한 높은 강도를 가질 수 있음을 알 수 있다. The measured pore size is about 20 to 200 nm, and it can be seen that chitosan-coupled bacterial cellulose fibers form a network with high pores and high surface area in the solid electrolyte, and can have high strength against swelling.

도 14는 본 출원의 실험 예 1-4에 따라 제조된 고체 전해질의 TGA 및 DSC 분석 결과이다. 14 is TGA and DSC analysis results of solid electrolytes prepared according to Experimental Examples 1-4 of the present application.

도 14를 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따라 제조된 고체 전해질에 대해서 질소 분위기에서 5℃/min의 조건으로 온도를 증가시키면서, TGA 및 DSC 분석을 수행하였다. Referring to FIG. 14 , TGA and DSC analyzes were performed while increasing the temperature at 5° C./min in a nitrogen atmosphere for the solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-4 described above.

도 14에서 알 수 있듯이, 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질이 약 225℃까지 안정적으로 열적 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 고체 전해질이 고온 안정성을 갖는 것을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 14, it can be confirmed that the solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application has thermal stability stably up to about 225 ° C. That is, it can be seen that the solid electrolyte prepared according to the embodiment of the present invention has high temperature stability.

도 15 내지 도 18은 본 출원의 실험 예 1-4 및 1-5에 따른 고체 전해질 및 박테리아 셀룰로오스의 XPS 분석 결과 그래프들이다. 15 to 18 are XPS analysis result graphs of solid electrolyte and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-4 and 1-5 of the present application.

도 15 내지 도 18을 참조하면, 상술된 실험 예 1-4 및 1-5에 따라 제조된 고체 전해질 및 박테리아 셀룰로오스에 대해서 XPS 분석을 수행하였다. 도 16은 C1s 스펙트라이고, 도 17은 N1s 스펙트라이고, 도 18은 O1s 스펙트라이다. 15 to 18, XPS analysis was performed on the solid electrolyte and bacterial cellulose prepared according to Experimental Examples 1-4 and 1-5 described above. 16 is a C1s spectrum, FIG. 17 is a N1s spectrum, and FIG. 18 is an O1s spectrum.

도 16에서, 284.5eV, 285.9eV, 288eV, 및 289.7eV는 각각 C=C, C-N, C-O, 및 C-OH에 각각 대응되고, 도 17에서 399.9eV, 401.3eV, 및 402.5eV는 각각 pyrrolic, quaternary, 및 oxidized N에 대응된다. In FIG. 16, 284.5eV, 285.9eV, 288eV, and 289.7eV correspond to C=C, C-N, C-O, and C-OH, respectively, and in FIG. 17, 399.9eV, 401.3eV, and 402.5eV are pyrrolic, respectively. corresponds to quaternary, and oxidized N.

도 15 내지 도 18에서 알 수 있듯이, 키토산이 생략된 실험 예 1-5의 박테리아 셀룰로오스와 비교하여 키토산이 결합된 박테리아 셀룰로오스를 갖는 실험 예 1-4의 고체 전해질은, XPS 분석 결과 N1s 스펙트럼에서 pyrrolic, quaternary, 및 oxidized N에 대응하는 피크값을 갖는 것을 확인할 수 있다.15 to 18, compared to the bacterial cellulose of Experimental Example 1-5 in which chitosan was omitted, the solid electrolyte of Experimental Example 1-4 having the bacterial cellulose bound with chitosan showed pyrrolic acid in the N1s spectrum as a result of XPS analysis. , quaternary, and peak values corresponding to oxidized N.

도 19는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질의 다양한 이온 전달율을 측정한 그래프이다. 19 is a graph measuring various ion transmission rates of solid electrolytes according to Experimental Examples 1-4 of the present application.

도 19를 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따라 제조된 고체 전해질에 대해서 K+, Zn2+, OH-, TFSI-, [Ch]+ 이온에 대한 이온 전달율을 계산하였다. 도 19에 도시된 바와 같이, OH- 이온에 대해서 가장 높은 전달율을 갖는 것을 확인되었고, OH- 이온 다음으로 K+ 이온에 대해서 높은 전달율을 갖는 것으로 확인되었다. Referring to FIG. 19, ion transport rates for K + , Zn 2+ , OH - , TFSI - , and [Ch] + ions were calculated for the solid electrolyte prepared according to Experimental Examples 1-4 described above. As shown in FIG. 19, it was confirmed to have the highest transmission rate for OH - ions, and it was confirmed to have the highest transmission rate for K + ions next to OH - ions.

구체적인 이온 전도도는 아래의 [표 2]와 같다. Specific ionic conductivity is shown in [Table 2] below.

이온 종류ion type Charge valence
(Zi)
Charge valence
(Z i )
이온 전도도
(m2s-1V-1)
ionic conductivity
(m 2 s -1 V -1 )
농도
(M)
density
(M)
이동 계수
(ti)
shift factor
(t i )
K+ K + 1One 6.88*10-8 6.88* 10-8 66 0.150.15 Zn2+ Zn 2+ 22 5.32*10-8 5.32* 10-8 0.20.2 0.0140.014 OH- OH- 1One 2.15*10-7 2.15* 10-7 66 0.750.75 TFSI- TFSI- 1One 3.69*10-8 3.69* 10-8 0.40.4 0.0060.006 [Ch]+ [Ch] + 1One 7.56*10-8 7.56* 10-8 1One 0.080.08

실험 예 2-1 내지 2-5에 따른 고체 전해질 제조Preparation of solid electrolytes according to Experimental Examples 2-1 to 2-5

상술된 실험 예 1-4와 동일한 방법으로 고체 전해질을 제조하되, 실험 예 1-2의 제1 복합 섬유(oCBC)의 비율 및 실험 예 1-3의 제2 복합 섬유(qCBC)의 비율을 아래의 [표 3]과 같이 조절하면서, 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-5에 따른 고체 전해질을 제조하였다. A solid electrolyte was prepared in the same manner as in Experimental Example 1-4, but the ratio of the first composite fiber (oCBC) of Experimental Example 1-2 and the ratio of the second composite fiber (qCBC) of Experimental Example 1-3 were as follows. Solid electrolytes according to Experimental Examples 2-1 to 2-5 were prepared while adjusting as shown in [Table 3].

구분division 제1 복합 섬유1st composite fiber 제2 복합 섬유Second composite fiber 실험 예 2-1 Experimental Example 2-1 10wt%10wt% 90wt%90wt% 실험 예 2-2Experimental Example 2-2 30wt%30wt% 70wt%70wt% 실험 예 2-3 Experimental Example 2-3 50wt%50wt% 50wt%50wt% 실험 예 2-4Experimental Example 2-4 70wt%70wt% 30wt%30wt% 실험 예 2-5Experimental Example 2-5 90wt%90wt% 10wt%10wt%

도 20은 본 출원의 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-5에 따른 고체 전해질의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다. 20 is a measurement of ion conductivity according to temperature of solid electrolytes according to Experimental Examples 2-1 to 2-5 of the present application.

도 20을 참조하면, 상술된 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-5에 따른 고체 전해질에 대해서 이온 전도도를 온도에 따라서 측정하고, 상업적으로 판매되는 A201 멤브레인의 이온 전도도를 온도에 따라서 측정하여 비교하였다. Referring to FIG. 20, the ionic conductivity of the solid electrolytes according to Experimental Examples 2-1 to 2-5 described above was measured according to temperature, and the ionic conductivity of the commercially available A201 membrane was measured according to temperature and compared. did

도 20에서 알 수 있듯이, 온도가 증가할수록, 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-5에 따른 고체 전해질 및 A201 멤브레인의 이온 전도도가 증가하였다. 또한, 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-5에 따른 고체 전해질의 이온 전도도가 A201 멤브레인과 비교하여 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 20 , as the temperature increased, the ionic conductivity of the solid electrolyte and the A201 membrane according to Experimental Examples 2-1 to 2-5 increased. In addition, it can be seen that the ionic conductivity of the solid electrolytes according to Experimental Examples 2-1 to 2-5 is significantly higher than that of the A201 membrane.

이에 더하여, 실험 예 2-3에 따라서 제1 복합 섬유 및 제2 복합 섬유의 비율이 동일한 고체 전해질의 이온 전도도가, 실험 예 2-1, 실험 예 2-2, 실험 예 2-4, 및 실험 예 2-5에 따른 고체 전해질들보다 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 제1 복합 섬유의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만으로 제어하고, 제2 복합 섬유의 비율을 70wt% 미만 30wt% 초과로 제어하는 것이, OH 이온의 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다. In addition, according to Experimental Example 2-3, the ionic conductivity of the solid electrolyte having the same ratio of the first composite fiber and the second composite fiber is It can be seen that it is significantly higher than that of the solid electrolytes according to Examples 2-5. As a result, controlling the ratio of the first composite fiber to more than 30wt% and less than 70wt% and controlling the ratio of the second composite fiber to less than 70wt% and more than 30wt% is an efficient method for improving the ionic conductivity of OH ions can confirm that it is

실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질 제조Solid electrolyte preparation according to Experimental Example 3-1 to Experimental Example 3-5

상술된 실험 예에 따라서, 베이스 복합 섬유를 제조하되, 키토산 유도체의 첨가 비율을 조절하여 키토산 함량이 서로 다른 베이스 복합 섬유를 제조하였다. 이후, 상술된 실험 예 1-4에 따라서, 키토산 함량이 서로 다른 베이스 복합 섬유를 이용하여, 고체 전해질을 제조하였다. According to the above-described experimental example, base composite fibers were prepared, but base composite fibers having different chitosan contents were prepared by adjusting the addition ratio of the chitosan derivative. Thereafter, according to Experimental Examples 1-4 described above, solid electrolytes were prepared using base composite fibers having different chitosan contents.

실험 예 3-6에 따른 키토산 준비Preparation of chitosan according to Experimental Examples 3-6

상술된 실험 예 3-1 내지 3-5에 대한 비교 예로, 순수 키토산을 준비하였다.As a comparative example to Experimental Examples 3-1 to 3-5 described above, pure chitosan was prepared.

실험 예 3-1 내지 실험 예 3-6에 따른 고체 전해질 내의 키토산의 함량은 아래의 [표 4]와 같다. The content of chitosan in the solid electrolyte according to Experimental Example 3-1 to Experimental Example 3-6 is shown in [Table 4] below.

구분division 키토산의 비율Proportion of Chitosan 실험 예 3-1Experimental Example 3-1 10wt%10wt% 실험 예 3-2Experimental Example 3-2 30wt%30wt% 실험 예 3-3Experimental Example 3-3 50wt%50wt% 실험 예 3-4Experimental Example 3-4 70wt%70wt% 실험 예 3-5Experimental Example 3-5 90wt%90wt% 실험 예 3-6Experimental Example 3-6 100wt%100wt%

도 21은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 원소 비율을 분석한 그래프이고, 도 22는 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 C1s 스펙트라의 구성 비율을 분석한 결과이고, 도 23은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 고체 전해질 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 N1s 스펙트라의 구성 비율을 분석한 결과이다. 21 is a graph analyzing element ratios of solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and FIG. 22 is Experimental Example 3- of the present application. 1 to Experimental Examples 3-5 and solid electrolytes according to Experimental Examples 1-5 are results of analyzing the composition ratio of C1s spectra of bacterial cellulose according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application. This is the result of analyzing the composition ratio of N1s spectra of the solid electrolyte and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5.

도 21 내지 도 23을 참조하면, 상술된 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 및 상술된 실험 예 1-5에 따른 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스에 대해서 XPS 분석을 수행하고, 도 21과 같이, 고체 전해질 내 원소의 비율을 분석하고, 도 22와 같이 C1s 스펙트라의 구성 비율을 분석하고 도 23과 같이 N1s 스펙트라의 구성 비율을 분석하였다. 21 to 23, XPS analysis is performed on the solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 described above and the bacterial cellulose in which chitosan is omitted according to Experimental Examples 1-5 described above, , As shown in FIG. 21, the ratio of elements in the solid electrolyte was analyzed, the composition ratio of C1s spectra was analyzed as shown in FIG. 22, and the composition ratio of N1s spectra was analyzed as shown in FIG. 23.

실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질의 경우, 키토산이 생략된 실험 예 1-5의 박테리아 셀룰로오스와 비교하여, 키토산 및 박테리아 셀룰로오스의 결합에 따라서 C-N 결합이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. In the case of the solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, compared to the bacterial cellulose of Experimental Example 1-5 in which chitosan was omitted, C-N bonds were observed according to the bonding of chitosan and bacterial cellulose. there is.

또한, 도 22에서 알 수 있듯이, 키토산의 비율이 0에서 50wt%까지 증가할수록 C-N의 비율이 증가하고, 키토산의 비율이 50wt%에서 90wt%까지 증가할수록 C-N 비율이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 키토산의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만인 경우, 고체 전해질 내 C-N 비율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. In addition, as can be seen in FIG. 22, as the chitosan ratio increases from 0 to 50 wt%, the C-N ratio increases, and as the chitosan ratio increases from 50 wt% to 90 wt%, the C-N ratio decreases. It can be seen. In other words, when the ratio of chitosan is greater than 30wt% and less than 70wt%, it can be seen that the C-N ratio in the solid electrolyte is remarkably high.

또한, 도 23에서 확인할 수 있듯이, 키토산이 생략된 실험 예 1-5의 박테리아 셀룰로오스는 질소 피크가 검출되지 않았으며, 키토산의 비율이 증가함에 따라서, oxidized N의 비율은 대체적으로 증가하였으나, pyrrolic N의 비율은 키토산의 비율이 0에서 50wt%까지 증가할수록 증가하고, 키토산의 비율이 50wt%에서 90wt%까지 증가할수록 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 키토산의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만인 경우, 고체 전해질 내 pyrrolic N 비율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다.In addition, as can be seen in FIG. 23, the nitrogen peak was not detected in the bacterial cellulose of Experimental Examples 1-5 in which chitosan was omitted, and as the ratio of chitosan increased, the ratio of oxidized N generally increased, but pyrrolic N It can be seen that the ratio of increases as the ratio of chitosan increases from 0 to 50wt%, and decreases as the ratio of chitosan increases from 50wt% to 90wt%. In other words, when the proportion of chitosan is greater than 30wt% and less than 70wt%, it can be seen that the proportion of pyrrolic N in the solid electrolyte is remarkably high.

또한, 도 21에서 알 수 있듯이, 키토산의 비율이 증가할수록 질소의 비율이 증가하며, 실험 예 3-5에 따라서 키토산 비율이 90wt%인 경우 6.63at%의 질소 비율을 갖는 것으로 확인되었다. In addition, as can be seen in FIG. 21, the nitrogen ratio increased as the chitosan ratio increased, and according to Experimental Examples 3-5, when the chitosan ratio was 90wt%, it was confirmed that the nitrogen ratio was 6.63at%.

도 24는 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 및 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스의 XRD 분석 결과이다. 24 is an XRD analysis result of solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, chitosan according to Experimental Examples 3-6, and bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5 of the present application.

도 24를 참조하면, 상술된 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 및 상술된 실험 예 1-5에 따른 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스에 대해서 XRD 분석을 수행하였다. Referring to FIG. 24, solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 described above, chitosan according to Experimental Examples 3-6, and bacterial cellulose omitting chitosan according to Experimental Examples 1-5 described above XRD analysis was performed for

도 24에서 알 수 있듯이, 실험 예 3-6의 키토산 자체는 특정한 피크가 관찰되지 않았으며, 실험 예 1-5의 박테리아 셀룰로오스)와 비교하여 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-6에 따른 고체 전해질은 결정성이 다소 낮은 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 24, the chitosan of Experimental Example 3-6 itself did not observe a specific peak, and compared to the bacterial cellulose of Experimental Example 1-5), the solid according to Experimental Example 3-1 to Experimental Example 3-6 It can be seen that the electrolyte has somewhat low crystallinity.

또한, 키토산의 비율이 점차적으로 증가함에 따라서, 결정성이 감소되어 키토산과 같이 비정질 상을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 특히, 실험 예 3-4에 따라서 키토산의 비율이 70wt% 이상인 경우, 결정성이 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. In addition, as the proportion of chitosan gradually increases, it can be confirmed that the crystallinity decreases and has an amorphous phase like chitosan. In particular, according to Experimental Examples 3-4, when the proportion of chitosan is 70 wt% or more, It can be seen that there is a sharp decrease.

도 25는 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다. 25 is a solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and normal electrolytes according to Experimental Examples 1-6 It is a measurement of the ionic conductivity of bacterial cellulose as a function of temperature.

도 25를 참조하면, 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스 대해서 이온 전도도를 온도에 따라서 측정하였다.Referring to FIG. 25, solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, chitosan according to Experimental Example 3-6, bacterial cellulose without chitosan according to Experimental Example 1-5, and Experimental Example 1- For normal bacterial cellulose according to 6, the ionic conductivity was measured as a function of temperature.

도 25에서 알 수 있듯이, 온도가 증가할수록, 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5의 고체 전해질, 실험 예 3-6의 키토산, 실험 예 1-5의 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스의 이온 전도도가 증가하였다. 또한, 본 발명의 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스가, 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 3-6의 키토산과 비교하여 높은 이온 전도도를 갖는 것을 확인할 수 있고, 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질의 이온 전도도가 실험 예 1-5의 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스, 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 3-6의 키토산과 비교하여, 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 25, as the temperature increases, the solid electrolyte of Experimental Examples 3-1 to 3-5, the chitosan of Experimental Example 3-6, the bacterial cellulose in which chitosan is omitted of Experimental Example 1-5, and the experiment The ionic conductivity of the normal bacterial cellulose of Examples 1-6 was increased. In addition, it can be confirmed that the bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5 of the present invention has higher ionic conductivity than the general bacterial cellulose of Experimental Examples 1-6 and chitosan of Experimental Examples 3-6, and Experimental Example 3 The ionic conductivity of the solid electrolytes according to -1 to Experimental Examples 3-5 was compared with the bacterial cellulose in which chitosan was omitted in Experimental Example 1-5, the normal bacterial cellulose in Experimental Example 1-6, and the chitosan in Experimental Example 3-6. , it can be confirmed that it is remarkably high.

이에 더하여, 실험 예 3-3에 따라서 50wt% 키토산을 갖는 고체 전해질의 이온 전도도가, 실험 예 3-1, 실험 예 3-2, 실험 예 3-4, 및 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질들보다 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 고체 전해질 내에서 키토산의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만으로 제어하는 것이, OH 이온의 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.In addition, the ionic conductivity of the solid electrolyte having 50wt% chitosan according to Experimental Example 3-3 is the solid electrolyte according to Experimental Example 3-1, Experimental Example 3-2, Experimental Example 3-4, and Experimental Example 3-5. It can be seen that it is significantly higher than the As a result, it can be confirmed that controlling the ratio of chitosan in the solid electrolyte to more than 30wt% and less than 70wt% is an efficient method for improving the ionic conductivity of OH ions.

도 26은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스의 온도에 따른 스웰링 비율을 측정한 것이다. 26 is a solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and normal electrolytes according to Experimental Examples 1-6 of the present application. It is a measurement of the swelling rate according to the temperature of bacterial cellulose.

도 26을 참조하면, 상술된 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스에 대해서 스웰링 비율을 온도에 따라서 측정하였다. Referring to FIG. 26, solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and Experimental Examples 1-6 For normal bacterial cellulose, the swelling rate was measured as a function of temperature.

도 26에서 알 수 있듯이, 온도가 증가할수록, 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6의 키토산, 실험 예 1-5의 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스의 스웰링 비율이 증가하였다. 또한, 본 출원의 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스가, 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 3-6의 키토산은 물론, 실험 예 3-1, 실험 예 3-2, 실험 예 3-4 및 실험 예 3-5과 비교하여 낮은 스웰링 비율을 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 26, as the temperature increases, the solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, the chitosan of Experimental Example 3-6, the bacterial cellulose omitting chitosan of Experimental Example 1-5, and The swelling rate of the general bacterial cellulose of Experimental Examples 1-6 increased. In addition, the bacterial cellulose according to Experimental Example 1-5 of the present application, the general bacterial cellulose of Experimental Example 1-6, and the chitosan of Experimental Example 3-6, as well as Experimental Example 3-1, Experimental Example 3-2, Experiment Compared to Example 3-4 and Experimental Example 3-5, it can be seen that it has a low swelling ratio.

이에 더하여, 실험 예 3-3에 따라서 50wt% 키토산을 갖는 고체 전해질의 스웰링 비율이, 실험 예 3-1, 실험 예 3-2, 실험 예 3-4, 및 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질들은 물론, 본 출원의 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스보다 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 고체 전해질 내에서 키토산의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만으로 제어하는 것이, 스웰링 비율을 감소시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.In addition, the swelling ratio of the solid electrolyte having 50wt% chitosan according to Experimental Example 3-3, the solid according to Experimental Example 3-1, Experimental Example 3-2, Experimental Example 3-4, and Experimental Example 3-5 It can be seen that the electrolytes are significantly lower than those of the bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5 of the present application. As a result, it can be seen that controlling the proportion of chitosan in the solid electrolyte to greater than 30wt% and less than 70wt% is an effective method for reducing the swelling rate.

도 27은 본 출원의 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스의 온도에 따른 수분 함침율을 측정한 것이다. 27 is a solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 of the present application, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and normal electrolytes according to Experimental Examples 1-6 The moisture impregnation rate according to the temperature of bacterial cellulose was measured.

도 27을 참조하면, 상술된 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6에 따른 키토산, 실험 예 1-5에 따른 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 1-6에 따른 일반 박테리아 셀룰로오스에 대해서 수분 함침율을 온도에 따라서 측정하였다. Referring to FIG. 27, solid electrolytes according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, chitosan according to Experimental Examples 3-6, bacterial cellulose according to Experimental Examples 1-5, and Experimental Examples 1-6 Moisture impregnation was measured as a function of temperature for the general bacterial cellulose according to the method.

도 27에서 알 수 있듯이, 온도가 증가할수록, 실험 예 3-1 내지 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질, 실험 예 3-6의 키토산, 실험 예 1-5의 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스, 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스의 수분 함침율이 증가하였다. As can be seen in FIG. 27, as the temperature increases, the solid electrolyte according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, the chitosan of Experimental Example 3-6, and the bacterial cellulose omitting chitosan of Experimental Example 1-5, the experiment The moisture impregnation rate of the general bacterial cellulose of Examples 1-6 was increased.

상온 범위에서, 실험 예 3-3에 따라서 50wt% 키토산을 갖는 고체 전해질의 수분 함침율이, 실험 예 3-1, 실험 예 3-2, 실험 예 3-4, 및 실험 예 3-5에 따른 고체 전해질은 물론, 실험 예 1-5의 키토산이 생략된 박테리아 셀룰로오스, 실험 예 1-6의 일반 박테리아 셀룰로오스, 및 실험 예 3-6의 키토산보다 수분 함침율이 높은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 고체 전해질 내에서 키토산의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만으로 제어하는 것이, 수분 함침율을 향상시킬 수 있는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.In the room temperature range, the water impregnation rate of the solid electrolyte having 50wt% chitosan according to Experimental Example 3-3, Experimental Example 3-1, Experimental Example 3-2, Experimental Example 3-4, and Experimental Example 3-5 It can be seen that the water impregnation rate is higher than that of the solid electrolyte as well as the bacterial cellulose without the chitosan of Experimental Examples 1-5, the normal bacterial cellulose of Experimental Examples 1-6, and the chitosan of Experimental Examples 3-6. As a result, it can be confirmed that controlling the proportion of chitosan in the solid electrolyte to more than 30wt% and less than 70wt% is an efficient method for improving the water impregnation rate.

실험 예에 따른 금속 공기 전지 제조Fabrication of a metal-air battery according to an experimental example

상술된 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질, 구리, 인, 및 황의 화합물 구조체 양극, 및 패터닝된 아연 음극을 이용하여 금속 공기 전지를 제조하였다. A metal-air battery was manufactured using the solid electrolyte according to Experimental Examples 1 to 4 described above, a positive electrode having a compound structure of copper, phosphorus, and sulfur, and a patterned zinc negative electrode.

구리, 인, 및 황의 화합물 구조체 양극은, 아래와 같은 방법으로 제조하였다. An anode with a compound structure of copper, phosphorus, and sulfur was prepared in the following manner.

ethanol/ethylenediamine의 현탁액 3개를 준비하고, dithiooxamide, tetradecylphosphonic acid/ifosfamide 및 copper chloride를 각각 첨가하고 교반하였다. Three suspensions of ethanol/ethylenediamine were prepared, and dithiooxamide, tetradecylphosphonic acid/ifosfamide, and copper chloride were added, respectively, and stirred.

이어서, dithiooxamide 용액 및 tetradecylphosphonic acid/ifosfamide을 copper chloride 용액에 연속적으로 점진적으로 주입하면서 교반하고, ammonium hydroxide를 첨가하면서 2 시간 동안 교반하였다.Then, the dithiooxamide solution and tetradecylphosphonic acid/ifosfamide were continuously and gradually injected into the copper chloride solution while stirring, and the mixture was stirred for 2 hours while adding ammonium hydroxide.

생성된 copper-dithiooxamide-tetradecylphosphonic acid-ifosfamide 검은색 현탁액을 120℃에서 6시간 동안 환류시키고, 원심 분리에 의해 수집하고 탈 이온수 및 에탄올을 이용하여 세척하고 진공에서 건조시켰다. The resulting copper-dithiooxamide-tetradecylphosphonic acid-ifosfamide black suspension was refluxed at 120 °C for 6 h, collected by centrifugation, washed with deionized water and ethanol, and dried in vacuum.

이 후, 수득된 copper-dithiooxamide-tetradecylphosphonic acid-ifosfamide 전구체 현탁액을 Triton X-165를 갖는 탈 이온수 및 sodium bisulfite와 아이스 배스에서 혼합하였다. 반응 현탁액을 가압 열처리(autoclave)하고 실온으로 냉각시켰다. 수득된 흑색 고체 스펀지를 상청액이 중성 pH가 될 때까지 탈 이온수 및 에탄올로 세척하였다. Then, the obtained copper-dithiooxamide-tetradecylphosphonic acid-ifosfamide precursor suspension was mixed with deionized water and sodium bisulfite with Triton X-165 in an ice bath. The reaction suspension was autoclaved and cooled to room temperature. The obtained black solid sponge was washed with deionized water and ethanol until the supernatant had a neutral pH.

생성된 생성물을 2 시간 동안 -70℃ 환경으로 옮기고, 액체 질소에 침지시키고, 진공 조건에서 동결 건조하여, 구리, 인 및 황의 화합물 구조체 양극 소재를 제조하고, 양극 소재(90wt%), 슈퍼 P 카본(5wt%), 및 PTFE(5wt%)를 0.5wt%의 나피온(Nafion) 용액을 포함하는 N-methyl-pyrrolidone에 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리를 스테인리스 스틸 메쉬에 코팅하고 용매를 증발시켰다. 이후, 6cm x 1.5cm 크기로 자르고 진공에서 건조하여, 양극을 제조하였다. The resulting product was transferred to a -70 ° C environment for 2 hours, immersed in liquid nitrogen, and freeze-dried in vacuum to prepare a cathode material with a compound structure of copper, phosphorus and sulfur, and a cathode material (90 wt%), super P carbon (5wt%), and PTFE (5wt%) were mixed with N-methyl-pyrrolidone containing a 0.5wt% Nafion solution to prepare a slurry. The slurry was coated on a stainless steel mesh and the solvent was evaporated. Then, it was cut into a size of 6 cm x 1.5 cm and dried in a vacuum to prepare a positive electrode.

도 28은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도 조건에 따른 충방전 특성 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 28 is a graph for explaining a change in charge/discharge characteristics according to external temperature conditions of a metal-air battery including a solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application.

도 28을 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질(CBCs), 구리, 인, 및 황의 화합물 구조체 양극, 및 패터닝된 아연 음극을 이용한 금속 공기 전지에 대해서 외부 온도를 -20℃에서 80℃까지 변화시키면서 충방전 특성 변화를 측정하였다. 도 28의 (b)는 전류 밀도는 25mAcm-2에서 측정한 것이다. Referring to FIG. 28, the external temperature of the metal-air battery using the solid electrolytes (CBCs), the copper, phosphorus, and sulfur compound structure positive electrode, and the patterned zinc negative electrode according to Experimental Examples 1 to 4 described above was set at -20 ° C. Changes in charge and discharge characteristics were measured while changing up to 80 ° C. In (b) of FIG. 28, the current density is measured at 25 mAcm -2 .

도 28에서 알 수 있듯이, 온도가 증가함에 따라서 전압 값이 증가하며, 낮은 오버포텐셜을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 이차 전지가 고온 및 저온 환경에서 안정적으로 구동될 수 있음을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 28, it can be seen that the voltage value increases as the temperature increases and has a low overpotential. That is, it can be confirmed that the secondary battery including the solid electrolyte according to Experimental Examples 1-4 of the present application can be stably driven in high and low temperature environments.

도 29는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 저온 및 고온 환경에서 충방전 횟수에 따른 리텐션 특성을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 29 is a diagram for explaining retention characteristics according to the number of charge/discharge cycles in a low temperature and high temperature environment of a metal-air battery including a solid electrolyte according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.

도 29를 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질(CBCs), 구리, 인, 및 황의 화합물 구조체 양극, 및 패터닝된 아연 음극을 이용한 금속 공기 전지에 대해서 외부 온도를 -20℃ 및 80℃로 제어하면서 25mAcm-2 조건에서 충방전 사이클을 수행하였다. 도 29에서 검은색은 -20℃에서 충방전 사이클을 수행한 것이고, 도 29에서 빨간색은 80℃에서 충방전 사이클을 수행한 것이다. Referring to FIG. 29, for the metal-air battery using the solid electrolytes (CBCs), the positive electrode with a compound structure of copper, phosphorus, and sulfur, and the patterned zinc negative electrode according to Experimental Examples 1-4 described above, the external temperature was set to -20 ° C and Charge/discharge cycles were performed under the condition of 25 mAcm -2 while controlling the temperature to 80°C. In FIG. 29, the charge/discharge cycle was performed at -20°C in black, and the charge/discharge cycle in red in FIG. 29 was performed at 80°C.

도 29에서 알 수 있듯이, 고온 및 저온에서 1,500회의 충방전이 수행된 이후에도 약 94.5%의 높은 리텐션 특성을 유지하며 안정적으로 구동하는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 29 , it can be confirmed that the battery is stably driven while maintaining a high retention characteristic of about 94.5% even after 1,500 charge/discharge cycles at high and low temperatures.

도 30은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도에 따른 충방전 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 30 are graphs for explaining charge/discharge characteristics according to external temperature of metal-air batteries including solid electrolytes according to Experimental Examples 1-4 of the present application.

도 30을 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질(CBCs), 구리, 인, 및 황의 화합물 구조체 양극, 및 패터닝된 아연 음극을 이용한 금속 공기 전지의 외부 온도를 -20℃, 25℃, 및 80℃로 제어하면서, 25mAcm-2 조건에서 충방전 전압을 측정하고, 나이퀴스트 플롯을 도시하였다. Referring to FIG. 30, the external temperature of the metal-air battery using the solid electrolytes (CBCs), the positive electrode having a compound structure of copper, phosphorus, and sulfur, and the patterned zinc negative electrode according to Experimental Examples 1 to 4 described above is -20 ° C, 25 While controlling at °C and 80 °C, charge and discharge voltages were measured under the condition of 25 mAcm -2 , and a Nyquist plot was shown.

도 30에서 알 수 있듯이, 저온 환경에서 미세한 특성 저하만 관찰될 뿐, 저온, 상온, 고온에서 모두 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 30 , it can be seen that only a slight deterioration in characteristics is observed in a low-temperature environment, and stable operation is performed at low temperature, normal temperature, and high temperature.

도 31은 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도에 따른 용량 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 31 are graphs for explaining capacity characteristics according to external temperature of metal-air batteries including solid electrolytes according to Experimental Examples 1-4 of the present application.

도 31을 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질(CBCs), 구리, 인, 및 황의 화합물 구조체 양극, 및 패터닝된 아연 음극을 이용한 금속 공기 전지의 외부 온도를 -40℃~105℃까지 제어하면서, 25mAcm-2 조건에서 용량을 측정한 것이다. Referring to FIG. 31, the external temperature of the metal-air battery using the solid electrolytes (CBCs), the positive electrode having a compound structure of copper, phosphorus, and sulfur, and the patterned zinc negative electrode according to Experimental Examples 1 to 4 described above is set to -40 ° C to 105 ° C. Capacitance was measured under the condition of 25 mAcm -2 while controlling up to °C.

도 31에서 알 수 있듯이, -20℃~80℃ 범위에서 1Ah 이상의 높은 용량을 갖는 것을 확인할 수 있다. 반면, -20℃ 미만에서는 고체 전해질 내에 OH 이온의 이동도가 급격하게 저하되어 용량이 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있고, 80℃ 초과에서는 고체 전해질 내 solvent의 증발로 용량 특성이 급격하게 열화되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 -40℃에서는 0.234Ah로 크게 감소하였고, 105℃에서는 0.394Ah로 크게 감소하였다. As can be seen in Figure 31, it can be seen that it has a high capacity of 1Ah or more in the range of -20 ℃ ~ 80 ℃. On the other hand, below -20 ° C, it can be seen that the mobility of OH ions in the solid electrolyte is rapidly lowered, and the capacity is rapidly lowered. You can check. Specifically, it was greatly reduced to 0.234Ah at -40 ° C, and significantly decreased to 0.394 Ah at 105 ° C.

도 32는 본 출원의 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질을 포함하는 금속 공기 전지의 외부 온도에 따른 충방전 사이클에 따른 충방전 특성 변화를 설명하기 위한 그래프들이다. 32 are graphs for explaining a change in charge/discharge characteristics according to a charge/discharge cycle according to an external temperature of a metal-air battery including a solid electrolyte according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.

도 32를 참조하면, 상술된 실험 예 1-4에 따른 고체 전해질(CBCs), 구리, 인, 및 황의 화합물 구조체 양극, 및 패터닝된 아연 음극을 이용한 금속 공기 전지의 외부 온도를 -20℃ 및 80℃로 제어하면서 25mAcm-2 조건에서 200시간 동안 1,500회의 충방전을 수행하였다. 도 32의 (a)는 -20℃ 조건에서 충방전을 수행한 결과이고, 도 32의 (b)는 80℃에서 충방전을 수행한 결과이다. Referring to FIG. 32, the external temperature of the metal-air battery using the solid electrolytes (CBCs), the positive electrode having a compound structure of copper, phosphorus, and sulfur, and the patterned zinc negative electrode according to Experimental Examples 1 to 4 described above was -20 ° C and 80 ° C. 1,500 charge/discharge cycles were performed for 200 hours under conditions of 25 mAcm -2 while controlling at °C. 32 (a) shows the result of charging and discharging at -20°C, and (b) of FIG. 32 shows the result of charging and discharging at 80°C.

도 32에서 알 수 있듯이, -20℃의 저온 환경에서 충방전 특성이 미세하게 저하되지만, 장시간 동안 안정적으로 구동하는 것을 확인할 수 있으며, 80℃의 고온 환경에서도 장시간 동안 안정적으로 구동하는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 32, although the charge and discharge characteristics are slightly deteriorated in a low temperature environment of -20 ° C, it can be confirmed that they are stably driven for a long time, and it can be confirmed that they are stably driven for a long time even in a high temperature environment of 80 ° C. .

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.In the above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted according to the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

100: 고체 전해질
110: 베이스 복합 섬유
110a: 제1 복합 섬유
110b: 제2 복합 섬유
112: 셀룰로오스
114: 키토산
116: 제1 기능기
200: 음극
300: 양극
100: solid electrolyte
110: base composite fiber
110a: first composite fiber
110b: second composite fiber
112: cellulose
114: chitosan
116 first functional group
200: cathode
300: anode

Claims (12)

복수의 베이스 복합 섬유가 네트워크를 형성하는 고체 전해질에 있어서,
상기 베이스 복합 섬유는, 서로 결합된 셀룰로오스 및 키토산을 포함하고,
상기 고체 전해질이 금속 공기 전지 내에 장착 시, -20℃ 내지 80℃까지 상기 금속 공기 전지가 동작하는 것을 포함하는, 고체 전해질.
In the solid electrolyte in which a plurality of base composite fibers form a network,
The base composite fibers include cellulose and chitosan bonded to each other,
When the solid electrolyte is mounted in a metal air battery, the solid electrolyte comprising operating the metal air battery from -20 ° C to 80 ° C.
제1 항에 있어서,
상기 셀룰로오스는 박테리아 셀룰로오스를 포함하는 고체 전해질.
According to claim 1,
The cellulose is a solid electrolyte comprising bacterial cellulose.
제1 항에 있어서,
상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유; 및
상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함하되,
복수의 상기 제1 복합 섬유 및 복수의 상기 제2 복합 섬유는 가교 결합되어 네트워크를 형성하는 것을 포함하는 고체 전해질.
According to claim 1,
a first composite fiber in which the surface of the base composite fiber is oxidized; and
A surface of the base composite fiber includes a second composite fiber bonded to a first functional group having nitrogen,
A solid electrolyte comprising a plurality of first composite fibers and a plurality of second composite fibers cross-linked to form a network.
제3 항에 있어서,
상기 제1 복합 섬유의 비율은 30wt% 초과 70wt% 미만이고,
상기 제2 복합 섬유의 비율은 70wt% 미만 30wt% 초과인 것을 포함하는 고체 전해질.
According to claim 3,
The ratio of the first composite fiber is greater than 30wt% and less than 70wt%,
A solid electrolyte comprising a ratio of the second composite fiber is less than 70wt% and greater than 30wt%.
제1 항에 있어서,
상기 금속 공기 전지는, 아연을 음극으로 포함하는 고체 전해질.
According to claim 1,
The metal-air battery is a solid electrolyte containing zinc as a negative electrode.
제1 항에 있어서,
상기 키토산의 비율에 따라서, 상기 고체 전해질의 결정성, 이온 전도도, 및 스웰링 비율이 제어되는 것을 포함하는 고체 전해질.
According to claim 1,
A solid electrolyte comprising controlling crystallinity, ion conductivity, and swelling ratio of the solid electrolyte according to the ratio of chitosan.
산소를 양극 활물질로 사용하는 양극 전극;
금속을 포함하는 음극 전극; 및
상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 배치된 고체 전해질을 포함하되,
상기 고체 전해질은 복수의 베이스 복합 섬유로 형성된 네트워크를 포함하고,
-20℃ 내지 80℃에서 동작되는 것을 포함하는 금속 공기 전지.
a cathode electrode using oxygen as a cathode active material;
A cathode electrode containing a metal; and
Including a solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The solid electrolyte includes a network formed of a plurality of base composite fibers,
A metal-air battery comprising operating at -20°C to 80°C.
제7 항에 있어서,
-20℃ 내지 80℃ 내에서, 온도가 증가함에 따라서, 방전 용량이 증가하는 것을 포함하는 금속 공기 전지.
According to claim 7,
A metal-air battery comprising an increase in discharge capacity as the temperature increases within -20 ° C to 80 ° C.
제7 항에 있어서,
상기 음극 전극은, 아연을 포함하고,
상기 양극 전극은, 전이금속, 인, 및 칼코겐 원소를 포함하는 화합물을 포함하는 금속 공기 전지.
According to claim 7,
The cathode electrode contains zinc,
The positive electrode is a metal-air battery containing a compound containing a transition metal, phosphorus, and a chalcogen element.
제7 항에 있어서,
상기 고체 전해질의 상기 베이스 복합 섬유는, 서로 결합된 셀룰로오스 및 키토산을 포함하되,
상기 고체 전해질에서 상기 키토산의 비율은 30wt% 초과 70wt% 미만인 것을 포함하는 금속 공기 전지.
According to claim 7,
The base composite fibers of the solid electrolyte include cellulose and chitosan bonded to each other,
A metal-air battery comprising a ratio of the chitosan in the solid electrolyte greater than 30wt% and less than 70wt%.
제10 항에 있어서,
상기 고체 전해질은, 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유, 및 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함하는 금속 공기 전지,
According to claim 10,
The solid electrolyte includes a first composite fiber in which the surface of the base composite fiber is oxidized, and a second composite fiber in which a surface of the base composite fiber is bonded with a first functional group having nitrogen, a metal-air battery,
제10 항에 있어서,
상기 베이스 복합 섬유의 상기 셀룰로오스는 박테리아 셀룰로오스를 포함하는 금속 공기 전지.
According to claim 10,
The cellulose of the base composite fiber is a metal-air battery including bacterial cellulose.
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