KR102548276B1 - 해수전지용 이황화몰리브덴 촉매 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 이황화몰리브덴 촉매 전극 - Google Patents

해수전지용 이황화몰리브덴 촉매 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 이황화몰리브덴 촉매 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수전지용 MoS2 촉매 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 MoS2 촉매 전극에 관한 것으로, 이황화몰리브덴(MoS2)을 카본소재에 코팅하는 단계; 및 상기 MoS2가 코팅된 카본소재를 줄-발열 열처리하는 단계; 를 포함함으로써 간단한 제조방법으로 해수전지용 MoS2 촉매 전극을 제조할 수 있으므로, 제조가 용이하고 생산성 및 경제성 또한 우수하다.

Description

해수전지용 이황화몰리브덴 촉매 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 이황화몰리브덴 촉매 전극{MANUFACTURING METHOD FOR MOLYBDEN DISUlFIDE CATALYST ELECTRODE FOR SEAWATER BATTERY AND MOLYBDEN DISUlFIDE CATALYST ELECTRODE}
본 발명은 해수전지 양극용 이황화몰리브덴(MoS2) 촉매 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 촉매 전극에 관한 것이다.
현대사회에서는 기술발전과 함께 에너지의 중요성도 커지고 있으며, 화석에너지처럼 고갈 문제 및 환경오염 문제없이 지속적으로 이용 가능하며 친환경적인 깨끗한 에너지를 개발하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 그 결과로 환경을 이용하는 태양열/광, 풍력 에너지 등이 개발되었다. 그러나 상기한 친환경적인 에너지원들은 흐리거나 바람이 불지 않는 등의 경우에는 이용할 수 없어 에너지를 만들 수 없기 때문에 친환경적으로 만든 에너지를 저장하는 기술의 중요성 또한 증가하고 있다.
현재 대표적인 에너지 저장방법으로 리튬이온전지를 들 수 있는데, 이 전지는 원료인 리튬이 비싸고 양이 한정되어 있다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 리튬이온전지를 대체할 방법으로 해수전지에 대한 기술 개발이 부각되고 있다.
해수전지는 바닷물(해수)에서 용이하게 얻을 수 있는 나트륨(Na)를 이용하여 전기를 저장하고 그 저장된 에너지를 제공하는 이차전지의 일종이다. 지구 표면적은 약 70%가 바다로 이루어져 있고, 그 중 약 35%가 이온으로 이루어져 있으며, 상기 35% 이온 중 나트륨 이온은 약 30.6%가 존재한다. 따라서 해수전지에 필요한 나트륨 이온을 고갈 염려 없이 저비용으로 쉽게 얻을 수 있는 점이 중요한 장점 중 하나이다.
한편, 상기 해수 전지는 전기를 공급해 충전을 하게 되면, 양극에 있는 해수에서 나트륨 이온이 음극으로 이동하여 전지가 저장되고, 충전된 전기를 쓸 때, 즉 방전시에는 저장된 나트륨 이온이 다시 양극의 해수로 이동하면서 전기를 발생시키게 된다. 따라서 충전시 음극에서는 Na 환원, 양극에서는 산소 발생 반응이 일어나며, 방전시 음극에서는 Na 산화, 양극에서는 산소환원반응이 일어난다.
이에 따라, 해수전지의 효율을 높이기 위해서는 우수한 전기전도성을 가지는 양극 제조가 무엇보다 중요하다.
종래, 양극은 열수합성(hydrothermal), 고온 열처리 합성 등의 방법으로 제조해왔으나, 제조 절차가 복잡하고, 고비용이 요구되어, 양극 제조의 경제성이 떨어질 뿐만아니라 제조된 양극의 효율 또한 떨어지는 문제점이 있어왔다.
따라서, 간단하고, 경제적인 방법으로 해수전지의 효율을 높일 수 있는 양극 제조에 대한 연구가 필요한 실정이다.
1. 대한민국 공개특허 제10-2018-0003813호(2018.01.10. 공개)
본 발명의 목적은 간단하고, 경제적인 방법으로 해수전지의 효율을 높일 수 있는 양극 제조방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 양극 및 이를 이용한 해수전지를 제공하는 하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이황화몰리브덴(MoS2)을 카본소재에 코팅하는 단계; 및 상기 MoS2가 코팅된 카본소재를 줄-발열 열처리하는 단계; 를 포함하는 MoS2 촉매 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 MoS2 촉매 전극 제조방법에 의해 제조된 MoS2 촉매 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 MoS2 촉매 전극을 포함하는 해수전지를 제공한다.
본 발명에 따른 해수전지용 MoS2 촉매 전극은 간단한 제조방법으로 제조되므로, 제조가 용이하고 생산성 및 경제성 또한 우수하다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 MoS2 촉매 전극은 해수전지의 양극으로 이용되어, 해수전지의 충ㆍ방전 전압차를 감소시키고, 출력을 증가시켜 결과적으로 해수전지의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 MoS2 촉매 전극 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 MoS2 촉매 전극의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 MoS2 촉매 전극의 에너지분산형 분광분석법(Energy-Dispersive X-ray spectroscopy; EDX) 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 MoS2 촉매 전극의 X-레이 회절(X-ray diffraction; XRD) 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따라 줄-발열 시간에 따른 해수전지 성능 평가 결과를 나타낸 도면이다(a-해수전지의 용량(capacity)에 따른 충ㆍ방전 전압 그래프, b-해수전지의 출력 특성 그래프, c-줄-발열 시간에 따른 해수전지의 충전전압 및 최대출력을 나타낸 그래프).
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따라 스프레이 코팅 시간에 따른 해수전지 성능 평가 결과를 나타낸 도면이다(a-해수전지의 용량(capacity)에 따른 충ㆍ방전 전압 그래프, b-해수전지의 출력 특성 그래프, c-스프레이 코팅 시간에 따른 해수전지의 충전전압 및 최대출력을 나타낸 그래프).
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따라 스프레이 성분에 따른 해수전지 성능 평가 결과를 나타낸 도면이다(a-해수전지의 용량(capacity)에 따른 충ㆍ방전 전압 그래프, b-해수전지의 출력 특성 그래프).
도 8은 본 발명의 한 구체예에 따라 열처리 방법에 따른 해수전지 성능 평가 결과를 나타낸 도면이다(a-열처리 조건에 따른 MoS2/carbon felt 전극의 이미지, b-해수전지의 용량(capacity)에 따른 충ㆍ방전 전압 그래프).
도 9는 본 발명의 한 구체예에 따라 최적 조건에 따른 해수전지 성능 평가 결과를 나타낸 도면이다(a-해수전지의 용량(capacity)에 따른 충ㆍ방전 전압 그래프, b-해수전지의 출력 특성 그래프).
도 10은 본 발명의 한 구체예에 따른 해수전지를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명자들은 상용 이황화몰리브덴(MoS2) 스프레이를 카본소재에 도포하여 코팅하고, 이를 줄-발열 열처리하여 간단한 방법에 의해 MoS2 촉매 전극을 제조하였으며, 이는 해수전지의 양극으로 이용하였을 때, 낮은 충전(Oxygen evolution reaction; OER) 전압, 낮은 충ㆍ방전 전압차 및 최대출력을 증가시킬 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 이황화몰리브덴(MoS2)을 카본소재에 코팅하는 단계; 및 상기 MoS2가 코팅된 카본소재를 줄-발열 열처리하는 단계; 를 포함하는 MoS2 촉매 전극 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)은 스프레이 코팅에 의해 카본소재 표면에 도포하여 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 이황화몰리브덴(MoS2) 스프레이는 균일한 코팅과 줄-발열 시, MoS2 이외 잔여물을 남겨두지 않기 위해 8% 이상 20% 미만의 MoS2를 함유하고 있으며, 이소프로필알콜, 자일렌, 1,2-디클로로에틸렌 (트랜스), 디메틸에테르 등을 포함할 수 있고, 흑연, 중질 파라핀 정제유(석유) 등은 포함하지 않는 스프레이를 사용할 수 있다.
본 발명의 한 구체예에 따르면, MoS2 외에 흑연 및 중질 파라핀 정제유(석유) 용매 성분을 포함하는 MoS2 스프레이를 이용한 경우, 충ㆍ방전 사이클(1st cycle)에서의 전압차(ㅿV)가 자일렌(Xylene) 용매를 포함하는 MoS2 스프레이를 이용한 경우 보다 증가되며, 최대출력 특성 또한 감소됨을 확인하여, 결과적으로 해수전지의 효율이 감소됨을 확인하였다.
또한, 상기 카본소재는 카본 섬유로 직조된 직물 또는 카본 섬유 부직포인 것을 특징으로 하나, 해수전지의 양극 집전체로 사용할 수 있는 것이라면 제한 없이 모두 이용 가능하다.
또한, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)을 카본소재에 코팅하는 시간은 1 내지 10초인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 구체예에 따르면, 1초 코팅은 육안으로도 코팅이 균일하게 되지 않음을 확인하였으며, 3초에서 가장 낮은 충전(Oxygen evolution reaction; OER) 전압인 3.52 V와 최대출력인 8.82 mW를 나타냄을 확인함에 따라 최적 MoS2 코팅시간은 3초임을 확인하였다.
또한, 상기 줄-발열 열처리 시간은 1 내지 10초인 것을 특징으로 한다.
상기 줄-발열은 이황화몰리브덴(MoS2)이 코팅된 카본소재에 전류를 흘려 그때의 전열 효과에 의해 이황화몰리브덴(MoS2)이 코팅된 카본소재를 가열하는 것으로, 즉, 열저항가열방식을 이용해 이황화몰리브덴(MoS2)이 코팅된 카본소재의 온도를 올리는 것이다.
본 발명의 한 구체예에 따르면, 본 발명에 따라 줄-발열 열처리를 통해 제조된 MoS2/carbon felt 전극은 열처리를 수행하지 않은 MoS2/carbon felt 전극(No joule heating), 공기 분위기의 퍼니스(furnace)에서 500℃, 4시간 조건으로 열처리를 수행한 MoS2/carbon felt 전극에 비해 가장 낮은 충ㆍ방전 사이클(1st cycle)에서의 전압차(ㅿV)를 나타냄을 확인하였다.
또한, 공기 분위기의 퍼니스(furnace)에서 1000℃ 조건으로 열처리를 수행한 경우, 카본 구조가 파괴되어 올바른 촉매 합성이 이루어질 수 없었다(도 8a). 그러나 본 발명의 줄-발열 반응은 카본 구조의 탄화 온도인 600℃ 보다 더 높은 온도인 1000℃ 이상의 온도에서 반응이 이루어져도 짧은 시간 동안 비활성 기체 존재하에서 반응이 이루어지기 때문에 카본 구조의 파괴나 구조의 변화와 같은 부반응을 일으키지 않아, 카본 구조를 유지시킬 수 있었다(도 2, 3). 또한, 줄-발열 반응을 통해 스프레이에 포함된 불순물을 제거하여 결과적으로 카본펠트 상에 결정성이 높은 MoS2 만을 형성하도록 할 수 있었다(도 4).
또한, 본 발명의 한 구체예에 따르면, 5초의 줄-발열 열처리 시간에서 가장 낮은 충전(Oxygen evolution reaction; OER) 전압인 3.45 V와 최대출력인 8.56 mW를 나타냄을 확인함에 따라 최적 줄-발열 열처리 시간은 5초임을 확인하였다.
또한, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)을 카본소재에 코팅하고, 상온에서 10 내지 15시간 동안 건조하는 단계; 를 더 포함할 수도 있으나, 상기 과정을 포함할 수도, 포함하지 않을 수도 있고, 바람직하게는 상온에서 12시간 동안 건조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 MoS2 촉매 전극 제조방법에 의해 제조된 MoS2 촉매 전극을 제조한다. 상기 MoS2 촉매 전극은 해수전지의 양극 용도로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 MoS2 촉매 전극 제조방법에 의해 제조된 MoS2 촉매 전극은 전기화학적 성능이 우수하고, 제조가 용이하고 생산성 및 경제성이 우수하여 해수전지용 양극에 사용되기 적합할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 MoS2 촉매 전극을 포함하는 해수전지를 제공한다. 도 10은 본 발명의 한 구체예에 따른 해수전지를 나타낸 것이다. 도 10을 참조하면, 해수전지(100)는 해수(seawater)를 포함하는 양극 전해질 및 상기 양극 전해질에 침지된 양극(12)을 포함하는 양극부(10); 음극 전해질 및 상기 음극 전해질에 침지된 음극(22)을 포함하는 음극부(20); 및 상기 양극부 및 음극부 사이에 위치되는 고체 전해질(30); 을 포함하며, 상기 양극은 양극 집전체의 표면에 촉매 코팅층이 형성된 것이며, 상기 양극은 전술한 MoS2 촉매 전극을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 양극부의 일측에는 해수가 유입되는 유입부(14) 및 양극부 내부의 양극 전해질이 배출되는 유출부(16)가 위치하며, 유입부(14)를 통해 양극부 내부에 해수의 지속적인 공급이 가능할 수 있다.
한 구체예에서 고체 전해질(30)은, 고밀도 전해질층(32) 및 다공성 구조층(34)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한 구체예에서 상기 음극은 소듐(sodium)계 금속을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 음극의 적어도 일 표면에는, 음극 활물질층이 더 형성될 수 있다. 상기 음극 활물질층은, 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 음극 전해질은, 비수성 유기용매 및 나트륨염 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 비수성 유기 용매는 상기 해수전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있다. 상기 나트륨염은 상기 비수성 유기 용매에 용해되어, 해수전지 내에서 나트륨 이온의 공급원으로 작용하여 상기 해수전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 나트륨 이온의 이동을 촉진할 수 있다.
한 구체예에서 상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 및 비양성자성 용매 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있다. 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.
한 구체예에서 상기 나트륨염은 NaClO4, NaPF4, NaPF6, NaAsF6, NaCF3SO3, Na[(C2F5)3PF3] (NaFAP), Na[B(C2O4)2] (NaBOB), Na[N(SO2F)2] (NaFSI) 및 NaBeti (NaN[SO2C2F5]2) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 나트륨염의 농도는 0.001 내지 10 M 일 수 있다. 보다 구체적으로, 0.1 내지 2.0 M 범위 내일 수 있다. 상기 나트륨염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 나트륨 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
한 구체예에서 상기 고체 전해질은 나트륨 이온의 이동 속도가 빠르고 수용액 및 유기용액과 안정할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 비정질 이온 전도도 물질(phosphorus-based glass, oxide-based glass, oxide/sulfide based glass), 나시콘(Na superionic conductor, NASICON), 나트륨황화물계 고체 전해질, 나트륨산화물계 고체 전해질, PEO-NaClO4 고분자 고체 전해질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
< 실시예 1> MoS 2 촉매 양극 제조
해수전지용 이황화몰리브덴(MoS2) 양극 촉매를 합성하기 위해, MoS2 스프레이(남방CNA주식회사의 nabamoly MoS2 Coat #3003몰레브덴 건조피막형 윤활제)를 1, 3, 5 및 10초 동안 흄후드 내에서 2cm2의 면적을 가지는 원형 카본 펠트 상단에 뿌려 코팅하였다. MoS2를 코팅한 카본 펠트는 상온에서 12시간 건조한 뒤, 아르곤 분위기를 유지하는 글러브박스 내로 이동시켰다. 이후, 줄-발열 반응을 수행하였으며, 줄-발열 실험은 MoS2가 코팅된 카본 펠트에 구리 호일을 연결하고, 아르곤 분위기 글러브박스 내에서 전원장치 (TDP-3010B, TOYOTECH, Korea)에 연결하였다. 10 A/s의 전류 펄스를 0~10초 동안 인가하여 불순물을 제거하는 과정을 거쳐 최종적으로 MoS2 촉매가 합성된 카본펠트 양극(이하 'MoS2 전극'이라 칭함)을 제조하였다(도 1).
< 실시예 2> 해수전지 성능 평가
해수전지 성능은 소듐 메탈 음극 (크기: 지름 16cm) / 테트라 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르[Tetra ethylene glycol dimethyl ether (TEGDME)] 중 1 M NaCF3SO3 를 포함하는 음극 전해액 / NASICON 고체전해질 분리막 / 해수 양극 전해액 및 상기 <실시예 1>에서 제조된 MoS2 전극을 양극으로 사용하여 전지를 제조한 후, 평가를 수행하였다. 충전, 방전 전류 및 시간은 0.5 mA로 2 시간 동안 진행하였으며, 파워 출력 측정의 경우, 0.5 mA 2시간 충전 후 전류 스캔 (0.01 mA/s 속도)을 진행하여 측정하였다.
< 실험예 1> 물성 평가
상기 <제조예 1>에서 대표적으로 MoS2 스프레이를 3초 동안 뿌려 카본펠트에 코팅시키고, 10 A/s의 전류 펄스로 5초간 줄-발열 반응시킨 MoS2 전극을 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 및 에너지분산형 분광분석법(Energy-Dispersive X-ray spectroscopy; EDX)를 이용하여 분석한 결과, 도 2, 3과 같이 카본펠트 상단에 균일하게 MoS2 촉매가 합성되어 있음을 확인하였으며, 본 발명에 따라 제조된 MoS2 전극은 카본펠트에 탄소(C) 원소가 포함되어 있으며, 카본펠트 상에 형성된 MoS2는 황(S) 및 몰리브덴(Mo)의 원소를 포함하고 있음을 확인하였다.
또한, 상기 <제조예 1>에서 대표적으로 MoS2 스프레이를 3초 동안 뿌려 카본펠트에 코팅시키고, 10 A/s의 전류 펄스로 1, 5, 10초간 줄-발열 반응시킨 MoS2 전극과 어떠한 처리도 하지 않은 카본펠트(carbon felt)만을 X-레이 회절(X-ray diffraction; XRD)을 이용하여 분석한 결과, 도 4와 같이, MoS2 전극은 카본펠트와 비교하여 전혀 다른 피크(peak) 패턴을 보였으며, 1, 5, 10초간 줄-발열 반응시킨 MoS2 전극 모두 높은 결정도를 가지는 2H상의 MoS2가 형성됨을 확인하였다.
< 실험예 2> 줄-발열 시간에 따른 해수전지 성능 평가
상기 <제조예 1>에서 줄-발열 반응시간을 0초(No joule heating), 1초, 5초 및 10초로 변경하였을 때, 도 5와 같이, 5초에서 가장 낮은 충전(Oxygen evolution reaction; OER) 전압인 3.45 V와 최대출력인 8.56 mW를 나타냄을 확인하였다.
따라서, 최적 줄-발열 조건은 10A, 5초임을 확인하였으며, 이후, 이 조건을 고정하여 실험을 수행하였다.
< 실험예 3> 스프레이 코팅 시간에 따른 해수전지 성능 평가
상기 <제조예 1>에서 줄-발열 반응 조건을 10A, 5초로 고정한 채, MoS2 코팅시간을 1, 3, 5 및 10초로 변경하였을 때, 1초 코팅은 육안으로도 코팅이 균일하게 되지 않음을 확인하였으며, 도 6과 같이, 3초에서 가장 낮은 충전(Oxygen evolution reaction; OER) 전압인 3.52 V와 최대출력인 8.82 mW를 나타냄을 확인하였다.
따라서, 최적 MoS2 코팅시간은 3초임을 확인하였으며, 이후, 최적 줄-발열 조건 및 MoS2 코팅시간 조건을 고정하여 실험을 수행하였다.
< 실험예 4> 스프레이 성분에 따른 해수전지 성능 평가
상기 <실험예 2 내지 3>에서 확인한 최적 조건에서 사용되는 MoS2 스프레이에 포함된 성분이 다른 스프레이를 이용하여 해수전지 성능을 평가하였다.
상기 <실시예 1>에서 사용된 MoS2 스프레이는 유효성분인 MoS2 외에 자일렌(Xylene) 용매 성분을 포함하고 있는 것으로, MoS2 외에 흑연 및 중질 파라핀 정제유(석유) 용매 성분을 포함하는 MoS2 스프레이를 이용하여 동일한 조건 하에서 비교 실험하였다.
그 결과, 도 7과 같이, 본 발명에 따라 자일렌 용매 성분을 포함하는 MoS2 스프레이를 이용하여 제조된 MoS2/carbon felt 전극은 석유를 포함하는 스프레이를 이용하여 제조된 MoS2/carbon felt 전극에 비해 충ㆍ방전 사이클(1st cycle)에서의 전압차(ㅿV)가 약 0.81 V 감소함을 확인하였다. 또한, 최대출력 특성도 본 발명에 따라 제조된 MoS2/carbon felt 전극의 경우, 석유를 포함하는 스프레이를 이용하여 제조된 MoS2/carbon felt 전극에 비해 최대출력이 140% 이상 증가 되었음을 확인하였다.
따라서, MoS2 스프레이는 중질 석유 등 고온에서 제거가 불가능한 불순물을 포함하지 않는 것이 최적 조건임을 확인하였다.
< 실험예 5> 열처리 방법에 따른 해수전지 성능 평가
상기 <실험예 2 내지 4>에서 확인한 최적 조건에서 열처리 방법만 변경하여 해수전지 성능을 평가하였다.
상기 <실험예 2>에서 확인한 최적 줄-발열 조건인 10A, 5초 실시예의 비교예로서 열처리를 수행하지 않은 경우(No joule heating), 공기 분위기의 퍼니스(furnace)에서 500℃, 4시간 및 1000℃, 1분의 조건으로 열처리한 경우를 비교 실험하였다.
그 결과, 도 8(b)과 같이, 본 발명에 따라 제조된 MoS2/carbon felt 전극은 열처리를 수행하지 않은 MoS2/carbon felt 전극(No joule heating), 공기 분위기의 퍼니스(furnace)에서 500℃, 4시간 조건으로 열처리를 수행한 MoS2/carbon felt 전극에 비해 가장 낮은 충ㆍ방전 사이클(1st cycle)에서의 전압차(ㅿV)를 나타냄을 확인하였다.
또한, 도 8(a)에서와 같이, 공기 분위기의 퍼니스(furnace)에서 1000℃ 조건으로 열처리를 수행한 경우, 카본 구조가 파괴되어 올바른 촉매 합성이 이루어질 수 없었다. 그러나 본 발명의 줄-발열 반응은 카본 구조의 탄화 온도인 600℃ 보다 더 높은 온도인 1000℃ 이상의 온도에서 반응이 이루어져도 짧은 시간 동안 비활성 기체 존재하에서 반응이 이루어지기 때문에 카본 구조 파괴나 구조의 변화와 같은 부반응을 일으키지 않아, 카본 구조를 유지시킬 수 있었다(도 2, 3). 또한, 줄-발열 반응을 통해 스프레이에 포함된 불순물을 제거하여 결과적으로 카본펠트 상에 결정성이 높은 MoS2 만을 형성하도록 할 수 있었다(도 4).
따라서, 본 발명에 따라 줄-발열 방법을 통해 제조되는 MoS2 전극은 해수전지의 양극으로써 이용되기에 최적 방법임을 확인하였다.
< 실험예 6> 최적조건에 따른 해수전지 성능 평가
본 발명에 따라 도출된 최적 제조방법에 따라 제조된 MoS2 전극과 어떠한 처리도 하지 않은 카본펠트(carbon felt only)를 비교예(control)로서 해수전지의 양극으로 이용하여 비교 실험하였다.
그 결과, 도 9와 같이, 본 발명에 따라 합성된 MoS2 전극을 해수전지의 양극으로 사용하였을 때, carbon felt only 대비 약 53% 감소된 전압차를 나타냄을 확인하였으며, 최대출력 역시 종래 carbon felt only(5.88 mW) 대비 약 42% 증가한 8.36 mW로 뛰어난 성능을 나타내는 것으로 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 이황화몰리브덴(MoS2)을 스프레이 코팅에 의해 카본소재 표면에 1 내지 10초 동안 코팅하는 단계; 및
    상기 MoS2가 코팅된 카본소재를 줄-발열 열처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 이황화몰리브덴(MoS2) 스프레이는 중질 석유를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 소듐 이온 전지용 MoS2 촉매 전극 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 카본소재는 카본 섬유로 직조된 직물 또는 카본 섬유 부직포인 것을 특징으로 하는 소듐 이온 전지용 MoS2 촉매 전극 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 줄-발열 열처리 시간은 1 내지 10초인 것을 특징으로 하는 소듐 이온 전지용 MoS2 촉매 전극 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 이황화몰리브덴(MoS2)을 카본소재에 코팅하고, 상온에서 10 내지 15시간 동안 건조하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐 이온 전지용 MoS2 촉매 전극 제조방법.

  8. 삭제
  9. 삭제
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