KR20010052228A - Lithium battery and electrode - Google Patents

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KR20010052228A
KR20010052228A KR1020007010851A KR20007010851A KR20010052228A KR 20010052228 A KR20010052228 A KR 20010052228A KR 1020007010851 A KR1020007010851 A KR 1020007010851A KR 20007010851 A KR20007010851 A KR 20007010851A KR 20010052228 A KR20010052228 A KR 20010052228A
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모쿠다이히데히사
무라타마코토
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크레머, 포프
악시파 게엠베하
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Abstract

전극은 디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재형성된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스를 포함한다. 복수의 탄소 나노튜브가 전기 전도성 매트릭스에 분산되어 있다. 전극은 리튬 배터리의 캐소드로 사용될 수 있다.The electrode comprises an electrically conductive matrix containing a disulfide group, wherein the S-S bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and reformed by electrochemical oxidation. A plurality of carbon nanotubes are dispersed in the electroconductive matrix. The electrode can be used as the cathode of the lithium battery.

Description

리튬 배터리 및 전극{Lithium battery and electrode}[0001] Lithium battery and electrode [0002]

배터리(battery)는 한 쌍의 전극과 이들 전극 사이에 놓여진 전해질을 포함하는 전기화학 전지(cell)의 한 형태이다. 전극 중 하나는 활성 물질이 방전 동안 환원되는 캐소드(cathode)라고 불린다. 다른 전극은 다른 활성 물질이 방전 동안 산화되는 애노드(anode)라고 불린다. 2차 배터리는 방전 후에 전기를 충전할 수 있는 배터리를 나타낸다.A battery is a type of electrochemical cell that includes a pair of electrodes and an electrolyte placed between the electrodes. One of the electrodes is referred to as the cathode where the active material is reduced during discharge. The other electrode is referred to as an anode where the other active material is oxidized during discharge. The secondary battery represents a battery capable of charging electricity after discharge.

최근, 리튬 2차 배터리의 높은 전압과 높은 에너지 밀도 때문에 이에 대해 광범위한 연구가 수행되고 있다. 리튬 배터리는 방전 동안 리튬 이온을 방출하기 위한 활성 물질을 함유하는 애노드가 있는 배터리를 말한다. 활성 물질은 금속 리튬과, 층 사이에 리튬을 포함할 수 있는 내위첨가 물질(intercalated material)일 수 있다.Recently, extensive research has been conducted on the high voltage and high energy density of lithium secondary batteries. A lithium battery refers to a battery having an anode containing an active material for discharging lithium ions during discharging. The active material may be a metal lithium and an intercalated material that may include lithium between the layers.

특히, 리튬 2차 배터리의 캐소드용 전극 물질에 주의가 집중되었다. 예를 들면, 미국 특허 제4,833,048호에는 에너지 밀도를 개선시키기 위해 디설파이드 화합물을 함유하는 캐소드가 기재되어 있다. 이 화합물은 R-S-S-R로 표시되고, 여기서 R은 지방족 또는 방향족 유기 그룹이고, S는 황 원자이다. S-S 결합은 양이온 M+를 함유하는 전해 전지에서 전해 환원에 의해 분해되어 R-S-·M+로 표시되는 염을 형성한다. 이 염은 전해 산화에 의해 R-S-S-R로 된다. 미국 특허 제4,833,048호에는 디설파이드 화합물과 양이온(M+)을 공급하고 포획하는 금속 M을 결합하여 수득한 재충전 가능한 배터리가 기재되어 있다. 재충전 가능한 배터리는 150Wh/kg 이상의 개선된 에너지 밀도를 제공한다. 미국 특허 제4,833,048호의 전체 기재 내용은 참고 문헌으로서 본 명세서에서 반영된다.In particular, attention has been focused on the electrode material for the cathode of a lithium secondary battery. For example, U.S. Patent No. 4,833,048 discloses a cathode containing a disulfide compound to improve energy density. This compound is represented by RSSR, wherein R is an aliphatic or aromatic organic group and S is a sulfur atom. SS bond is decomposed by electrolytic reduction in an electrolytic cell containing cation M + to form a salt represented by RS - · M + . This salt is converted to RSSR by electrolytic oxidation. U.S. Patent No. 4,833,048 discloses a rechargeable battery obtained by combining a disulfide compound and a metal M that feeds and captures a cation (M + ). The rechargeable battery provides an improved energy density of over 150 Wh / kg. The entire disclosure of U.S. Patent No. 4,833,048 is incorporated herein by reference.

그러나, 미국 특허 제4,833,048호의 발명자들이 문헌[J. Electrochem. Soc., Vol. 136, No. 9, pp. 2570 내지 2575 (1989)]에 보고하였듯이, 디설파이드 화합물의 산화 전위와 환원 전위 사이의 차이는 매우 크다. 예를 들어, [(C2H5)2NCSS-]2가 전기분해될 때, 산화 전위는 환원 전위와 1V 이상 차이가 난다. 전기 화학 반응의 이론에 따르면, 디설파이드 화합물의 전자 이동은 실온에서 극히 느리게 진행한다. 따라서, 실온에서 1mA/cm2이상의 높은 전류 출력을 제공하는 재충전 가능한 배터리를 수득하기는 다소 어렵다. 디설파이드 화합물 전극을 포함하는 배터리의 작동은 전자 이동이 더 빨리 진행될 수 있는 100 내지 200℃의 매우 높은 온도 범위로 제한된다.However, the inventors of U. S. Patent No. 4,833, 048, Electrochem. Soc., Vol. 136, No. 9, pp. 2570 to 2575 (1989), the difference between the oxidation potential and the reduction potential of the disulfide compound is very large. For example, when [(C 2 H 5 ) 2 NCSS-] 2 is electrolyzed, the oxidation potential differs by more than 1 V from the reduction potential. According to the theory of electrochemical reactions, the electron transfer of disulfide compounds proceeds extremely slowly at room temperature. Therefore, it is somewhat difficult to obtain a rechargeable battery that provides a high current output of 1 mA / cm 2 or more at room temperature. The operation of the battery containing the disulfide compound electrode is limited to a very high temperature range of 100-200 [deg.] C at which electron transfer can proceed faster.

미국 특허 제5,324,599호에는 디설파이드 화합물과 전도성 중합체를 함유하는 리튬 2차 배터리용 캐소드가 기재되어 있다. 전도성 중합체는 실온 등의 훨씬 낮은 온도에서 배터리가 작동할 수 있게 한다. 미국 특허 제5,324,599호의 전체 기재 내용은 참고 문헌으로서 본 명세서에서 반영된다.U.S. Patent No. 5,324,599 describes a cathode for a lithium secondary battery containing a disulfide compound and a conductive polymer. Conductive polymers enable the battery to operate at much lower temperatures, such as room temperature. The entire contents of U.S. Patent No. 5,324,599 are incorporated herein by reference.

일본 공개특허공보 제5-175929호에 상응하는 일본 특허 제2,513,418호에는 탄소 나노튜브를 함유하는 캐소드가 기재되어 있다. 탄소 나노튜브는 한 쌍의 탄소 막대 사이에서 전기 방전에 의해 수득된다. 일본 특허 제2,513,418호는 디설파이드 화합물을 교시하지 않는다. 일본 특허 제2,513,418호의 전체 기재 내용은 참고 문헌으로서 본 명세서에서 반영된다.Japanese Patent No. 2,513,418 corresponding to Japanese Patent Laid-Open No. 5-175929 describes a cathode containing carbon nanotubes. Carbon nanotubes are obtained by electric discharge between a pair of carbon rods. Japanese Patent No. 2,513,418 does not teach disulfide compounds. The entire contents of Japanese Patent No. 2,513,418 are incorporated herein by reference.

국제 특허공보 WO 제95/07551호에는 탄소 나노튜브를 함유하는 리튬 2차 배터리에 사용될 수 있는 전극이 기재되어 있다. 탄소 나노튜브는 촉매 반응에 의해 수득된다. 문헌에는 또한 초음파 균질기로 풀어진 탄소 나노튜브 집합체가 기재되어 있다. 국제 특허공보 WO 제95/07551호의 전체 기재 내용은 참고 문헌으로서 본 명세서에서 반영된다.International Patent Publication No. WO 95/07551 discloses an electrode that can be used in a lithium secondary battery containing carbon nanotubes. Carbon nanotubes are obtained by catalytic reaction. The literature also describes aggregates of carbon nanotubes unwound with an ultrasonic homogenizer. The entire contents of WO 95/07551 are incorporated herein by reference.

발명의 요약SUMMARY OF THE INVENTION

본 발명의 첫번째 측면에 따르면, 디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재형성된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스와 전기 전도성 매트릭스에 분산된 복수의 탄소 나노튜브를 포함하는 전극이 제공된다.According to a first aspect of the present invention there is provided a process for the preparation of an electrically conductive matrix comprising a disulfide group wherein the SS bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and reformed by electrochemical oxidation, An electrode comprising a carbon nanotube is provided.

바람직하게는, 전기 전도성 매트릭스는 전기 전도성 중합체와 디설파이드 그룹을 갖는 유기 화합물을 함유할 수 있다. 또는, 전기 전도성 매트릭스는 디설파이드 그룹을 형성할 수 있는 머캅토 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체를 함유할 수 있다.Preferably, the electrically conductive matrix may contain an electrically conductive polymer and an organic compound having disulfide groups. Alternatively, the electrically conductive matrix may contain an electrically conductive polymer having a mercapto group capable of forming a disulfide group.

본 발명의 두번째 측면에 따르면, 디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재형성된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스와 전기 전도성 매트릭스에 분산된 복수의 탄소 나노튜브를 갖는 캐소드 및 캐소드 전류 수집기(여기서, 캐소드는 캐소드 전류 수집기 위에 피복되어 있다)를 포함하는 배터리 전구체가 제공된다.According to a second aspect of the present invention there is provided a process for the preparation of an electrically conductive matrix comprising a disulfide group, wherein the SS bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and reformed by electrochemical oxidation, and a plurality of There is provided a battery precursor comprising a cathode having a carbon nanotube and a cathode current collector, wherein the cathode is coated on the cathode current collector.

본 발명의 세번째 측면에 따르면, 디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재형성된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스와 전기 전도성 매트릭스에 분산된 복수의 탄소 나노튜브를 갖는 캐소드, 리튬 이온을 방출하기 위한 활성 물질을 갖는 애노드 및 캐소드와 애노드 사이에 배치된 전해질을 포함하는 리튬 배터리가 제공된다.According to a third aspect of the present invention there is provided a process for the preparation of an electrically conductive matrix comprising a disulfide group wherein the SS bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and reformed by electrochemical oxidation, There is provided a lithium battery including a cathode having a carbon nanotube, an anode having an active material for emitting lithium ions, and an electrolyte disposed between the cathode and the anode.

본 발명은 전극, 배터리 전구체 및 리튬 배터리에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode, a battery precursor, and a lithium battery.

도 1은 균질기 부분의 단면이다.Figure 1 is a section of the homogenizer portion.

도 2는 투과형 전자 현미경으로 관찰한 풀어진 탄소 나노튜브를 함유하는 폴리(메틸메타크릴레이트) 막의 사진이다.2 is a photograph of a poly (methyl methacrylate) film containing a relaxed carbon nanotube observed by a transmission electron microscope.

도 3은 투과형 전자 현미경으로 관찰한 탄소 나노튜브 집합체를 함유하는 폴리(메틸메타크릴레이트) 막의 사진이다.3 is a photograph of a poly (methyl methacrylate) membrane containing a carbon nanotube aggregate observed by a transmission electron microscope.

도 4는 리튬 배터리용으로 사용되는 적층 구조의 단면이다.4 is a cross section of a laminated structure used for a lithium battery.

본 발명의 전극은 디설파이드 그룹을 함유하는 전기 전도성 매트릭스를 포함한다. 한 양태에서, 전기 전도성 매트릭스는 전기 전도성 중합체와 디설파이드 그룹을 갖는 유기 화합물을 함유한다. 다른 양태에서, 전기 전도성 매트릭스는 머캅토 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체를 함유한다.The electrode of the present invention comprises an electrically conductive matrix containing a disulfide group. In one embodiment, the electrically conductive matrix contains an electrically conductive polymer and an organic compound having disulfide groups. In another embodiment, the electrically conductive matrix contains an electrically conductive polymer having a mercapto group.

디설파이드 그룹은 전극에서 전기화학 반응의 원인이 된다. 즉, 디설파이드 그룹의 S-S 결합이 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재형성된다. 전극이 리튬 배터리용 캐소드로 사용될 때, 캐소드와 애노드의 전기화학 반응은 다음과 같은 반응식으로 표시된다.Disulfide groups cause electrochemical reactions at the electrodes. That is, the S-S bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and reformed by electrochemical oxidation. When an electrode is used as a cathode for a lithium battery, the electrochemical reaction between the cathode and the anode is represented by the following reaction formula.

위의 반응식 2에서,In the above scheme 2,

R-S-S-R은 디설파이드 그룹을 갖는 유기 화합물이고,R-S-S-R is an organic compound having a disulfide group,

R은 지방족 또는 방향족 유기 그룹이고,R is an aliphatic or aromatic organic group,

S는 황원자이다.S is a sulfur.

이 예에서, 금속 리튬은 리튬 배터리의 애노드가 금속 리튬에 제한되지 않을지라도 애노드로 사용된다. 리튬 배터리가 방전할 때, 전기화학 환원이 캐소드에서 일어나고, 디설파이드 그룹을 함유하는 유기 화합물은 리튬 이온과 반응하여 디설파이드 그룹의 S-S 결합을 분해하고 R-S-·Li+로 표시되는 염을 형성한다. 방전 동안, 전기화학 산화가 애노드에서 일어나고, 금속 리튬은 리튬 이온으로 산화된다.In this example, metallic lithium is used as the anode even though the anode of the lithium battery is not limited to metal lithium. When the lithium battery is discharged, the electrochemical reduction is occurring at the cathode, the organic compound containing a disulfide group is reacted with lithium ions decompose the SS bond of the disulfide group, and RS - forms a salt represented by the Li + ·. During the discharge, electrochemical oxidation takes place in the anode, and metal lithium is oxidized to lithium ions.

리튬 배터리가 충전될 때, 반응은 역방향으로 진행한다.When the lithium battery is charged, the reaction proceeds in the reverse direction.

구체적으로, 전기화학 산화가 캐소드에서 일어나고, 염은 R-S-S-R로 된다. 전기화학 환원이 애노드에서 일어나고, 리튬 이온은 금속 리튬으로 된다.Specifically, electrochemical oxidation occurs at the cathode, and the salt becomes R-S-S-R. Electrochemical reduction occurs in the anode, and lithium ion becomes metallic lithium.

디설파이드 그룹을 갖는 유기 화합물의 예가 표 1과 표 2에 기재되어 있다.Examples of organic compounds having disulfide groups are shown in Tables 1 and 2.

이름name 화학식The 2-머캅토에틸 에테르2-mercaptoethyl ether 디머캅토 디티아졸Dimercaptodithiazole 디메틸 에틸렌디아민Dimethylethylenediamine 에틸렌디아민Ethylenediamine 폴리에틸렌이민 유도체Polyethylene imine derivative 트리티오시아누르산Trithiocyanuric acid

이름name 화학식The 피페라진Piperazine 2,4-디티오피리미딘2,4-dithiopyrimidine 1,2-에탄디티올1,2-ethanedithiol 2-머캅토에틸 설파이드2-mercaptoethylsulfide

바람직하게는, 유기 화합물은 질소원자와 황원자로 이루어진 1 내지 3개의 헤테로원자를 함유하는 5 내지 7원 헤테로사이클릭 환을 함유한다. 헤테로사이클릭 환은 포화 또는 불포화일 수 있다. 바람직하게는, 헤테로사이클릭 환은 포화되어 있다. 더욱 바람직하게는, 유기 화합물은 티아디아졸 환을 함유하고, 특히 1,3,4-티아디아졸 환을 함유한다. 예를 들면, 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸의 이량체가 디설파이드 그룹을 함유하는 유기 화합물로서 사용될 수 있다.Preferably, the organic compound contains a 5- to 7-membered heterocyclic ring containing 1 to 3 heteroatoms consisting of a nitrogen atom and a sulfur atom. The heterocyclic ring may be saturated or unsaturated. Preferably, the heterocyclic ring is saturated. More preferably, the organic compound contains a thiadiazole ring, especially a 1,3,4-thiadiazole ring. For example, a dimer of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole can be used as an organic compound containing a disulfide group.

디설파이드 그룹을 함유하는 유기 화합물과 함께 사용되는 전기 전도성 중합체는 바람직하게는 π 전자 공액 구조를 가진다. 이러한 전기 전도성 중합체의 예는 티오펜, 피롤, 아닐린, 푸란, 벤젠 등을 중합시켜 수득한 중합체를 포함한다. 더욱 구체적으로는, 중합체의 예는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리아센을 포함한다. 이들 π전자 공액된 전기 전도성 중합체는 Ag/AgCl 전극에 대해 0 내지 ± 1.0V의 높은 가역성으로 환원 및 산화된다. 요오드 등의 음이온으로 도핑된 전기 전도성 중합체는 뛰어난 성질을 보인다.The electrically conductive polymer used together with the organic compound containing the disulfide group preferably has a pi electron conjugated structure. Examples of such electroconductive polymers include polymers obtained by polymerizing thiophene, pyrrole, aniline, furan, benzene, and the like. More specifically, examples of polymers include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyacene. These? Electron-conjugated electroconductive polymers are reduced and oxidized to a high reversibility of 0 to ± 1.0 V against the Ag / AgCl electrode. Electroconductive polymers doped with anions such as iodine show excellent properties.

전기 전도성 매트릭스는 다공성 피브릴 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 전기 전도성 중합체는 다공성 피브릴 구조를 가지고, 이 구조는 중합 조건에 의존한다. 즉, 전기 전도성 중합체는 사이에 공극을 형성하는 복수의 피브릴 형태를 가질 수 있다. 디설파이드 화합물은 피브릴에 의해 형성된 공극에 갇힐 수 있다. 다공성 피브릴 구조를 가지는 이러한 전기 전도성 중합체는 전극에서 중합으로 수득할 수 있다.The electrically conductive matrix may have a porous fibril structure. For example, the electrically conductive polymer has a porous fibril structure, which depends on the polymerization conditions. That is, the electrically conductive polymer may have a plurality of fibril forms to form voids therebetween. The disulfide compound may be trapped in the pores formed by the fibrils. Such an electrically conductive polymer having a porous fibril structure can be obtained by polymerization at an electrode.

또한, 전기 전도성 매트릭스는 실질적으로 공극 없이 연속적일 수 있다. 이러한 전기 전도성 매트릭스는 표준 화학 중합 반응으로 수득할 수 있다.Also, the electrically conductive matrix may be substantially continuous without voids. These electrically conductive matrices can be obtained by standard chemical polymerization reactions.

π전자 공액된 전기 전도성 중합체 중에서, 다음 화학식 1의 중합체가 바람직하게 사용된다.Of the? -electrically conjugated electroconductive polymers, polymers of the following formula (1) are preferably used.

-[Ar-NH]n-- [Ar-NH] n -

위의 화학식 1에서,In the above formula (1)

Ar은 아릴이고,Ar is aryl,

n은 정수이다.n is an integer.

아릴은 바람직하게는 탄소수가 6 내지 20의 범위이고, 더욱 바람직하게는 6 내지 10이다. 아릴은 페닐, 나프탈레닐, 인데닐 등이다. 아릴이 페닐인 폴리아닐린이 바람직하다.The aryl preferably has 6 to 20 carbon atoms, more preferably 6 to 10 carbon atoms. Aryl is phenyl, naphthalenyl, indenyl, and the like. Preference is given to polyaniline in which aryl is phenyl.

위에서 언급한 디설파이드 화합물과 전기 전도성 중합체와의 혼합물을 함유하는 매트릭스는 혼합, 함침 또는 피복 등의 공지된 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 전기 전도성 중합체의 피브릴 층이 전해 중합에 의해 스테인레스 강 기판 위에 형성되고, 이후에, 디설파이드 화합물의 염이 피브릴 층에 함침되어, 이로써 복합 전극이 수득된다. 또는, 디설파이드 화합물 입자가 전기 전도성 중합체가 용해된 용매에 분산되고, 이후에, 용매가 제거되어, 전기 전도성 중합체 층이 디설파이드 화합물 입자 표면에 형성된다. 나아가, 화학 중합 또는 전해 중합으로 수득한 전기 전도성 중합체 입자는 디설파이드 화합물 입자와 혼합될 수 있다.The matrix containing the above-mentioned mixture of the disulfide compound and the electrically conductive polymer can be produced by a known method such as mixing, impregnation or coating. For example, a fibril layer of an electrically conductive polymer is formed on a stainless steel substrate by electrolytic polymerization, and then a salt of the disulfide compound is impregnated into the fibril layer, thereby obtaining a composite electrode. Alternatively, the disulfide compound particles are dispersed in a solvent in which the electroconductive polymer is dissolved, and then the solvent is removed, so that an electrically conductive polymer layer is formed on the surface of the disulfide compound particles. Furthermore, electroconductive polymer particles obtained by chemical polymerization or electrolytic polymerization can be mixed with disulfide compound particles.

다른 방법으로서, 본 발명의 전극 물질은 π전자 공액된 전기 전도성 중합체의 형성을 가능하게 하는 단량체를 디설파이드 그룹을 함유하고 분자 내에 디설파이드 그룹의 S-S 결합의 가역 분해를 가능하게 하는 배위를 갖는 화합물(예를 들면, 1,8-디설파이드 나프탈렌)의 존재하에 중합시켜 수득할 수 있다. 예를 들면, 아닐린이 1,8-디설파이드 나프탈렌의 존재하에 전극에서 전해 중합되면, 폴리아닐린과 1,8-디설파이드 나프탈렌의 복합막이 형성된다.Alternatively, the electrode material of the present invention may contain a monomer capable of forming a π-electron conjugated electroconductive polymer, a compound having a disulfide group-containing group and a moiety capable of reversibly decomposing the SS bond of the disulfide group For example, 1,8-disulfide naphthalene). For example, when aniline is electrolytically polymerized in an electrode in the presence of 1,8-disulfide naphthalene, a composite film of polyaniline and 1,8-disulfide naphthalene is formed.

또는, 다른 방법으로서, 분자 내에 S-S 결합의 가역 분해를 가능하게 하는 배위를 갖는 화합물 대신, 머캅토 그룹을 갖는 화합물의 이량체가 사용될 수 있다. 예를 들면, 2-머캅토-2-티아졸린의 이량체를 수득하고, 1,8-디설파이드 나프탈렌 대신 이 이량체를 사용함으로써 폴리아닐린-2-머캅토-2-티아졸린 이량체 복합막을 생성할 수 있다. 이들 경우 중에서, 피브릴 구조를 갖는 막이 형성될 수 있는 조건하에서 중합이 수행되는 것이 바람직하다. 이들 방법에서, 머캅토 그룹이 보호된 화합물이 사용되고, 그 결과 전기 전도성 중합체는 어떠한 방해없이 제조될 수 있다. 이렇게 수득된 복합 물질에서, 디설파이드 화합물과 전기 전도성 중합체는 복합체를 형성하고, 이는 재충전 가능한 배터리의 캐소드로 사용되는 동안, 디설파이드 화합물이 복합막으로부터 전해질로 새어나가는 것을 막는다.Alternatively, as a method, a dimer of a compound having a mercapto group can be used instead of a compound having a coordination structure capable of reversible decomposition of an S-S bond in a molecule. For example, a dimer of 2-mercapto-2-thiazoline is obtained and, instead of 1,8-disulfide naphthalene, this dimer is used to produce a polyaniline-2-mercapto-2-thiazoline dimeric complex membrane . Among these cases, it is preferable that the polymerization is carried out under the condition that a film having a fibril structure can be formed. In these methods, mercapto group protected compounds are used, and as a result, the electrically conductive polymer can be produced without any disturbance. In the thus obtained composite material, the disulfide compound and the electroconductive polymer form a complex, which prevents the disulfide compound from leaking from the composite membrane to the electrolyte while being used as the cathode of the rechargeable battery.

본 발명의 전극에서, 머캅토 그룹을 함유하는 전도성 중합체가 사용될 수 있다. 머캅토 그룹을 갖는 전도성 중합체는 예를 들면, (1) 머캅토 그룹을 π전자 공액된 전도성 중합체로 도입하거나, (2) 머캅토 그룹을 갖고 π전자 공액된 전도성 중합체를 형성할 수 있는 단량체를 전해 중합시켜 수득할 수 있다.In the electrode of the present invention, a conductive polymer containing a mercapto group may be used. The conductive polymer having a mercapto group can be obtained by, for example, (1) introducing a mercapto group into a π electron conjugated conductive polymer, or (2) forming a monomer capable of forming a π electron conjugated conductive polymer having a mercapto group Followed by electrolytic polymerization.

방법 (1)에서, π전자 공액된 전도성 중합체로서, 첫번째 전극 물질로 사용되는 전도성 중합체 또는 이의 유도체가 사용될 수 있다. 예를 들면, 할로겐화 피롤을 전해 중합시켜 폴리할로피롤의 박막을 전극에 형성할 수 있다. 이때, 피브릴 구조를 갖는 박막이 형성되는 조건하에서 첫번째 전극 물질의 경우와 동일한 방법으로 중합을 수행하는 것이 바람직하다. 이어서, 할로겐 그룹은 티오우레아에 의해 머캅토 그룹으로 전환되어 머캅토 그룹을 갖는 폴리피롤을 형성한다. 그 후, 머캅토 그룹을 갖는 화합물을 머캅토 그룹을 갖는 폴리피롤과 반응시켜 디설파이드 그룹을 갖는 폴리피롤을 형성한다. 머캅토 그룹을 갖는 화합물로서, 첫번째 전극 물질에서 사용된 디설파이드 화합물(환원된 형태이고 SH 그룹을 갖는다), 예를 들면, 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸이 바람직하게 사용된다. 이렇게 수득된 디설파이드 그룹을 갖는 박막 형태의 전도성 중합체는 가역 전극으로서 사용될 수 있다.In the method (1), as the? -Electrically conjugated conductive polymer, a conductive polymer or a derivative thereof used as the first electrode material may be used. For example, a halogenated pyrrole can be electrolytically polymerized to form a polyhalopyrrole thin film on the electrode. At this time, it is preferable to carry out the polymerization in the same manner as in the case of the first electrode material under the condition that a thin film having a fibril structure is formed. Subsequently, the halogen group is converted to a mercapto group by thiourea to form a polypyrrole having a mercapto group. Thereafter, the compound having a mercapto group is reacted with a polypyrrole having a mercapto group to form a polypyrrole having a disulfide group. As the compound having a mercapto group, a disulfide compound (having a reduced form and having an SH group) used in the first electrode material, for example, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole, Is used. The conductive polymer in the form of a thin film having the disulfide group thus obtained can be used as a reversible electrode.

방법 (2)에서, π전자 공액된 전도성 중합체를 형성할 수 있는 단량체로서, 디설파이드 그룹이 도입되고 첫번째 전극 물질에서 사용된 전도성 중합체를 형성할 수 있는 단량체(예를 들면, 티오펜과 피롤)가 사용될 수 있다. 이러한 단량체를 중합시킴으로써, 머캅토 그룹을 갖는 전도성 중합체가 수득될 수 있다. 예를 들면, 디설파이드 그룹을 갖는 티오펜 유도체는 머캅토 그룹을 갖는 티오펜을 환원된 형태이고 SH 그룹을 갖는 디설파이드 화합물과 반응시켜 수득할 수 있다. 이렇게 수득된 디설파이드 그룹을 갖는 티오펜 유도체(예를 들면, 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸)가 첫번째 전극을 위해 사용된다. 이 티오펜 유도체는 전극에서 전해 중합되고, 이에 의해 디설파이드 그룹을 갖는 전도성 중합체 막이 형성될 수 있다. 피브릴 구조를 갖는 막이 형성되는 조건하에서 중합이 수행되는 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 전도성 중합체 막은 가역 전극으로서 작용한다.In the method (2), monomers capable of forming a? -Electron conjugated conductive polymer, monomers capable of forming a conductive polymer in which a disulfide group is introduced and used in the first electrode material (for example, thiophene and pyrrole) Can be used. By polymerizing such a monomer, a conductive polymer having a mercapto group can be obtained. For example, a thiophene derivative having a disulfide group can be obtained by reacting a thiophene having a mercapto group in a reduced form and a disulfide compound having an SH group. A thiophene derivative having the disulfide group thus obtained (for example, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) is used for the first electrode. The thiophene derivative is subjected to electrolytic polymerization at an electrode, whereby a conductive polymer film having disulfide groups can be formed. It is preferable that the polymerization is carried out under the condition that a film having a fibril structure is formed. The thus formed conductive polymer film acts as a reversible electrode.

본 발명의 전극에서, 복수의 탄소 나노튜브는 전기 전도성 매트릭스에 분산된다. 탄소 나노튜브는 이의 축 방향을 따라 전기를 전도하고, 이에 의해 매트릭스의 전기 저항을 감소시킨다. 전형적으로, 탄소 나노튜브는 저항이 작고, 전기 전도성 중합체보다 더 많은 전기를 전도한다. 더우기, 충전제로서 작용하는 탄소 나노튜브의 존재는 매트릭스의 기계적 강도를 증가시킨다.In the electrode of the present invention, a plurality of carbon nanotubes are dispersed in an electrically conductive matrix. The carbon nanotubes conduct electricity along the axial direction thereof, thereby reducing the electrical resistance of the matrix. Typically, carbon nanotubes are small in resistance and conduct more electricity than electrically conducting polymers. Moreover, the presence of carbon nanotubes acting as fillers increases the mechanical strength of the matrix.

탄소 나노튜브는 미세관 구조의 흑연 섬유이다. 탄소 나노튜브는 흑연성이지만, 기하학적 제약으로 인해 순수한 흑연과는 다소 차이가 있다. 흑연처럼, 탄소나노튜브도 탄소의 평행한 층으로 이루어지지만, 다층의 편평한 흑연판 형태라기보다는 섬유의 세로 축에 대해 배열된 일련의 동심성 튜브 형태이다. 따라서, 탄소 나노튜브의 좁은 직경에서의 기하학적 제약 때문에, 탄소 나노튜브의 흑연층은 층에대하여, 편평한 흑연층과 같이 정확하게 정렬할 수 없다.Carbon nanotubes are microtubular graphite fibers. Although carbon nanotubes are graphitic, they are somewhat different from pure graphite due to geometric constraints. Like graphite, carbon nanotubes consist of parallel layers of carbon, but rather a series of concentric tubes arranged about the longitudinal axis of the fiber rather than a multilayered flat graphite plate. Thus, due to geometric constraints on the narrow diameter of the carbon nanotubes, the graphite layer of the carbon nanotubes can not be precisely aligned with respect to the layer, such as a flat graphite layer.

이상적으로, 하나의 탄소 나노튜브는 흑연판으로 된 하나 이상의 이음새 없는 원통형 쉘(shell)로 이루어진다. 즉, 각 쉘은 특정한 끝(edge)이 없는 육각형 망상 조직으로부터의 sp2(3가) 탄소원자로 이루어진다. 탄소 나노튜브는 흑연의 관상 미소결정이라고 생각될 수 있다. 튜브는 전형적으로 육각형 망상 조직에 오각형을 도입함으로써 각 말단(end)에서 닫힌다. 다중 쉘(multishell) 나노튜브의 층간 공간은 약 0.34nm이고 터보스트래틱(turbostratic) 흑연에 전형적이며, 여기서 다음 층에 대한 각 층의 위치는 서로 관련이 없다. 주어진 하나의 나노튜브는 헬리시티(helicity)가 다른 쉘들로 이루어진다. 사실, 각 쉘에서 다른 등급의 헬리시티는 튜브에서 연속된 쉘 사이에 최적의 맞춤(fit)을 수득하고, 층간 거리를 최소화하기 위해 필요하다. 탄소 나노튜브는 촉매적으로 제조될 수 있다. 방법은 탄소 나노튜브를 최소한의 과정만으로 생성물로 만들면서 무정형 탄소로 비오염된 집합체를 제공한다. 탄소 나노튜브는 수소가 풍부한 분위기하에서 촉매 입자를 기체 탄화수소와 접촉시킴으로써 성장한다. 이의 직경은 평균 7 내지 12nm일 수 있다. 길이는 수 마이크로미터이다. 이들은 벽 두께가 2 내지 5nm인 속이 빈 튜브이다. 이들 벽은 필수적으로 원통형으로 말려진 각 흑연층의 동심성 튜브이다. 섬유의 길이에 따른 공간에서, 몇몇 내층(inner layer)은 속이 빈 내부를 메우는 반구형 격막으로 굽을 수 있다. 이들 근처에서, 벽은 짧은 거리에 있어 포개진 원뿔(nested cone)로 변할 수 있다. 이들은 피브릴의 성장 동안에 촉매/탄소 계면에서의 변화를 반영한다. 다른 촉매 증기 성장된 탄소 섬유와는 달리, 이들은 이들 표면에 덜 조직화된 열분해 탄소가 없다.Ideally, one carbon nanotube is made up of one or more seamless cylindrical shells made of graphite plates. That is, each shell consists of sp 2 (trivalent) carbon atoms from a hexagonal network with no specific edges. Carbon nanotubes can be thought of as tubular crystallites of graphite. The tube is typically closed at each end by introducing a pentagon into the hexagonal network. The interlamellar space of multishell nanotubes is about 0.34 nm and is typical for turbostratic graphite, where the position of each layer relative to the next layer is not related to each other. A given nanotube is made up of different shells with helicity. In fact, different degrees of heli- city in each shell are needed to obtain an optimal fit between successive shells in the tube and to minimize inter-layer distance. Carbon nanotubes can be prepared catalytically. The method provides an uncontaminated aggregate with amorphous carbon, making the carbon nanotube the product with minimal process. The carbon nanotubes grow by contacting the catalyst particles with gaseous hydrocarbons in an atmosphere rich in hydrogen. Their diameters may be on average between 7 and 12 nm. The length is several micrometers. These are hollow tubes with a wall thickness of 2-5 nm. These walls are concentric tubes of each graphite layer that are essentially cylindrically curled. In space along the length of the fibers, some inner layers can be bent into hemispherical septa filling the hollow interior. In these neighborhoods, the walls are short distances and can be turned into nested cones. These reflect changes in the catalyst / carbon interface during the growth of the fibrils. Unlike other catalytic vapor-grown carbon fibers, they do not have pyrolytic carbons that are less textured on these surfaces.

탄소 나노튜브는 아크에서 탄소 증기의 축합에 의해 제조될 수 있다. 탄소 증기는 문헌[Science Vol. 273, July 26, 1996 page 483]에 보고되었듯이, 1200℃에서 탄소-니켈-코발트 혼합물 위에 레이저를 조사시켜 제조될 수 있다. 이들은 보통 단일층 벽으로부터 수십층까지의 넓은 직경 분포를 갖는다. 몇몇은 단지 동심성 원통형(또는 다각형 단면)이다. 다른 것은 격막 및 포개진 원뿔형이다. 덜 조직화된 탄소는 몇몇이 탄소 나노튜브를 피복시킬 수 있는 다각형 또는 터보스트래틱 탄소 형태로 동시에 침착될 수 있다.Carbon nanotubes can be produced by condensation of carbon vapor in an arc. Carbon vapors are described in Science Vol. 273, July 26, 1996 page 483, a laser can be produced by irradiating a carbon-nickel-cobalt mixture at 1200 ° C. They usually have a wide diameter distribution from a single layer wall to several tens of layers. Some are just concentric cylindrical (or polygonal cross-section). The other is diaphragm and cone-shaped cone. Less structured carbon can be deposited simultaneously in the form of polygonal or turbostatic carbons, some of which can coat carbon nanotubes.

아크에서 탄소 증기의 축합에 의해 제조된 탄소 나노튜브는 머티어리얼 앤드 일렉트로케미칼 리서치 코포레이션(Material & Electrochemical Research Corporation)과 일본 지바켄 마츠도시에 소재하는 사이언스 라보라토리 인코포레이션(Science Laboratory Incorporation)의 배급자로부터 시중에서 구할 수 있다. 머티어리얼 앤드 일렉트로케미칼 리서치 코포레이션 제품인 탄소 나노튜브는 평균 길이가 0.199㎛ 내지 2.747㎛이고 평균 직경은 18.5nm 내지 38.7nm이다. 탄소 나노튜브는 또한 몇몇 비관상(non-tubular) 탄소 입자를 함유한다. 한 예에서, 탄소 나노튜브는 길이가 0.843 ± 0.185㎛이고, 직경은 19.6 ± 3.7nm이며, 종횡비는 47.2 ± 11.7이다. 이러한 탄소 나노튜브가 본 발명에서 사용될 수 있다.Carbon nanotubes produced by condensation of carbon vapor in an arc are available from Material & Electrochemical Research Corporation and Science Laboratory Incorporation of Matsushita, Japan It can be obtained commercially from the distributor. Carbon nanotubes manufactured by Material & Electro-Chemical Research Corporation have an average length of 0.199 μm to 2.747 μm and an average diameter of 18.5 nm to 38.7 nm. Carbon nanotubes also contain some non-tubular carbon particles. In one example, the carbon nanotubes have a length of 0.843 ± 0.185 μm, a diameter of 19.6 ± 3.7 nm, and an aspect ratio of 47.2 ± 11.7. Such carbon nanotubes can be used in the present invention.

이들의 구조와 흑연에 대한 유사성으로부터 예측할 수 있듯이, 탄소 나노튜브는 전도성이 있다. 각 탄소 나노튜브의 전도성은 측정하기 어렵지만, 최근의 연구에 의하면, 추정된 저항치는 9.5(±4.5)mΩcm이며, 흑연화된 탄소에 대해 전형적으로 측정된 저항치보다 조금 더 크다.As predicted from their structure and similarity to graphite, carbon nanotubes are conductive. The conductivity of each carbon nanotube is difficult to measure, but according to recent studies, the estimated resistance value is 9.5 (+/- 4.5) m? Cm, which is slightly larger than the resistance value typically measured for graphitized carbon.

본 발명에서 사용된 탄소 나노튜브의 직경은 3.5 내지 200nm이며, 바람직하게는 5 내지 30nm이고, 이의 길이는 직경보다 5배 이상 커야 하며, 바람직하게는 직경의 102내지 104배이다.The diameter of the carbon nanotubes used in the present invention is 3.5 to 200 nm, preferably 5 to 30 nm, and the length of the carbon nanotubes should be 5 times larger than the diameter, preferably 10 2 to 10 4 times the diameter.

탄소 나노튜브의 직경이 200nm를 초과할 때, 전도성을 제공하는 이들의 영향은 감소한다. 3.5nm 미만일 때, 탄소 나노튜브는 흩어지고 다루기 어렵게 된다. 탄소 나노튜브의 길이가 직경의 5배 미만일 때, 전도성은 감소한다.When the diameter of the carbon nanotubes exceeds 200 nm, the influence of those providing conductivity decreases. When the thickness is less than 3.5 nm, the carbon nanotubes are scattered and difficult to handle. When the length of the carbon nanotubes is less than five times the diameter, the conductivity decreases.

탄소 나노튜브의 각 종횡비(aspect ratio)는 보통 5 이상이며, 바람직하게는 100 이상이며, 더욱 바람직하게는 1000 이상이다.Each aspect ratio of the carbon nanotubes is usually 5 or more, preferably 100 or more, more preferably 1000 or more.

본 발명에서 사용되는 탄소 나노튜브는 예를 들면, 원료 물질로서 문헌[일본 특허출원 제2-503334호(1990)]에 기술된 방법으로 제조된 탄소 나노튜브를 사용하여 수득될 수 있다. 이 물질은 비변형된 형태로 사용되거나 화학적 또는 물리적 처리를 겪을 수 있고, 이후에 분쇄 처리를 겪는다. 화학적 또는 물리적 처리는 분쇄 처리 전 또는 후에 수행될 수 있다.The carbon nanotubes used in the present invention can be obtained, for example, by using carbon nanotubes prepared by the method described in Japanese Patent Application No. 2-503334 (1990) as a raw material. This material may be used in unmodified form, or it may undergo chemical or physical treatment, and then undergoes grinding treatment. The chemical or physical treatment may be carried out before or after the grinding treatment.

탄소 나노튜브의 물리적 또는 화학적 처리의 예는 질산 산화, 오존 산화, 유기 플라즈마 처리, 에폭시 수지 등의 수지 피복 및 유기 규소와 티탄 화합물 등의 커플링화제 처리를 포함한다. 물리적 처리는 탄소 나노튜브 집합체를 함유하는 액체에 수직력(sheer force)을 가하고, 이에 의해 집합체를 푸는 것을 포함한다.Examples of the physical or chemical treatment of carbon nanotubes include nitric acid oxidation, ozone oxidation, organic plasma treatment, resin coating such as epoxy resin, and treatment of coupling agents such as organic silicon and titanium compounds. The physical treatment includes applying a sheer force to the liquid containing the carbon nanotube aggregate, thereby loosening the aggregate.

본 발명에서, 집합체(aggregate) 형태의 탄소 나노튜브가 사용될 수 있다. 또는, 풀어진(disentangled) 탄소 나노튜브가 사용될 수 있다.In the present invention, carbon nanotubes in the form of an aggregate can be used. Alternatively, disentangled carbon nanotubes can be used.

전해 환원이 본 발명에서 제조된 전극에서 금속 이온이나 양성자의 존재하에 수행될 때, 전극 물질의 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 분해되어 황-금속 이온 결합 또는 황-양성자 결합을 형성한다. 생성된 전극은 전해 산화를 겪고, 황-금속 이온 결합 또는 황-양성자 결합은 S-S 결합으로 되돌아간다. 전해 산화와 전해 환원은 전자 이동을 수반하고, 이는 전기 전도성 매트릭스의 탄소 나노튜브에 의해 촉진된다.When electrolytic reduction is performed in the electrode prepared in the present invention in the presence of a metal ion or a proton, the S-S bond of the disulfide group of the electrode material is decomposed to form a sulfur-metal ion bond or a sulfur-proton bond. The resulting electrode undergoes electrolytic oxidation, and the sulfur-metal ionic bond or sulfur-protonic bond returns to the S-S bond. Electrolytic oxidation and electrolytic reduction involve electron transfer, which is catalyzed by carbon nanotubes in an electrically conductive matrix.

금속 이온의 예는 알칼리 금속 이온과 알칼리 토금속 이온을 포함한다. 본 발명의 전극 물질로 제조된 전극이 캐소드로서 사용되는 경우, 리튬 이온이 알칼리 금속 이온으로서 사용된다. 리튬 또는 리튬-알루미늄 등의 리튬 합금으로 제조된 전극이 리튬 이온을 공급하고 포획하는 애노드로서 사용되고, 리튬 이온을 전달하는 전해질이 사용되는 경우, 전압이 3 내지 4V인 배터리가 수득된다. LaNi5등의 수소 저장 합금으로 제조된 전극이 양성자를 공급하고 포획하는 애노드로서 사용되고, 양성자를 전도하는 전해질이 사용되는 경우에는, 전압이 1 내지 2V인 배터리가 수득된다. 디설파이드 화합물과 π전자 공액된 전기 전도성 중합체의 결합에서, π전자 공액된 전기 전도성 중합체는 디설파이드 화합물의 전해 산화와 환원을 위한 전극 촉매로서 작용한다. 디설파이드 그룹을 갖는 π전자 공액된 전기 전도성 중합체의 경우, 디설파이드 그룹이 전해 산화와 환원을 겪으면, 공액 π전자에 의해 주어진 전자 구조가 전극 촉매로서 작용한다. 디설파이드 화합물 단독인 경우, 산화 전위와 환원 전위 사이의 차이는 1V 이상이다. 그러나, π전자 공액된 전기 전도성 중합체와 디설파이드 화합물의 결합 또는 디설파이드 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체를 사용하는 경우, 산화 전위와 환원 전위 사이의 차이는 0.1V 이하로 감소한다. π전자 공액된 전기 전도성 중합체와 결합되거나 이러한 중합체에 도입된 디설파이드 화합물에서, 전극 반응은 촉진되고 실온에서 더 높은 전류 밀도가 전기 분해, 즉 충전이나 방전에서 수득된다. 본 발명의 전극 물질이 전해 산화를 겪을 때, π전자 공액된 전기 전도성 중합체(디설파이드 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체의 경우, 공액된 중합체 부분)가 먼저 산화되고, 중합체의 생성된 산화 형태가 디설파이드 화합물의 환원된 형태(디설파이드 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체의 경우, SH 또는 S-금속 이온 부분)를 산화시킨다. 따라서, π전자 공액된 중합체의 산화된 형태는 환원된 형태로 되돌아가고, 디설파이드 화합물의 산화된 형태가 생성된다(즉, 디설파이드 그룹이 생성된다). 전해 환원이 먼저 수행되면, 전기 전도성 중합체는 환원되고, 생성된 환원된 형태가 디설파이드 화합물의 산화된 형태를 환원시킨다. 따라서, π전자 공액된 중합체의 환원된 형태는 산화된 형태로 되돌가가고, 디설파이드 화합물은 환원된 형태로 된다. 디설파이드 화합물 전극에 전극 촉매를 도입하는 것은 문헌[미국 특허 제4,833,048호 또는 J. Electrochem. Soc., Vol. 136, pp. 2570-2575 (1989)]에 기재되어 있다. 그러나, 전극 촉매로서, 유기 금속 화합물만이 기재되어 있고, 전극 촉매의 효과는 자세히 기재되어 있지 않다. 이미 기술하였듯이, π전자 공액된 중합체 또는 공액된 중합체 부분은 산화-환원 반응에서 전자의 이동을 촉진시키는 작용을 한다. 이는 디설파이드의 산화-환원에서 촉매로서 작용하여, 반응의 활성화 에너지를 감소시킨다. 이에 덧붙여, π전자 공액된 중합체 또는 공액된 중합체 부분은 전해질과 전극 사이의 유효 반응 면적을 증가시킨다.Examples of metal ions include alkali metal ions and alkaline earth metal ions. When an electrode made of the electrode material of the present invention is used as a cathode, lithium ions are used as an alkali metal ion. When an electrode made of a lithium alloy such as lithium or lithium-aluminum is used as an anode for supplying and capturing lithium ions and an electrolyte for transferring lithium ions is used, a battery having a voltage of 3 to 4 V is obtained. An electrode made of a hydrogen storage alloy such as LaNi 5 is used as an anode for supplying and capturing a proton, and when an electrolyte for conducting a proton is used, a battery having a voltage of 1 to 2 V is obtained. In the bond between the disulfide compound and the π electron conjugated electroconductive polymer, the π electron conjugated electroconductive polymer acts as an electrode catalyst for electrolytic oxidation and reduction of the disulfide compound. In the case of? -Electrically conjugated electroconductive polymers having disulfide groups, when the disulfide group undergoes electrolytic oxidation and reduction, the electronic structure given by the conjugated? Electrons acts as an electrode catalyst. In the case of the disulfide compound alone, the difference between the oxidation potential and the reduction potential is 1 V or more. However, when an electrically conductive polymer having a bond of a? -Electron conjugated electroconductive polymer and a disulfide compound or an electrically conductive polymer having a disulfide group is used, the difference between the oxidation potential and the reduction potential is reduced to 0.1 V or less. In the disulfide compound bonded to or introduced into the? -electrically conjugated electroconductive polymer, the electrode reaction is promoted and a higher current density at room temperature is obtained in electrolysis, i.e., charging or discharging. When the electrode material of the present invention undergoes electrolytic oxidation, the? -Electron-conjugated electroconductive polymer (in the case of an electrically conductive polymer having disulfide groups, the conjugated polymer moiety) is first oxidized and the resulting oxidized form of the polymer is converted to a disulfide compound (SH or S-metal ion moieties in the case of electrically conductive polymers having disulfide groups). Thus, the oxidized form of the pi electron-conjugated polymer is returned to the reduced form and the oxidized form of the disulfide compound is produced (i. E., The disulfide group is formed). When electrolytic reduction is first performed, the electroconductive polymer is reduced and the resulting reduced form reduces the oxidized form of the disulfide compound. Thus, the reduced form of the pi -electron conjugated polymer is returned to the oxidized form, and the disulfide compound becomes the reduced form. The introduction of an electrode catalyst into the disulfide compound electrode is described in U.S. Pat. No. 4,833,048 or J. Electrochem. Soc., Vol. 136, pp. 2570-2575 (1989). However, only the organometallic compound is described as the electrode catalyst, and the effect of the electrode catalyst is not described in detail. As already described, the? Electron-conjugated polymer or the conjugated polymer moiety acts to promote electron transfer in the oxidation-reduction reaction. This acts as a catalyst in the oxidation-reduction of the disulfide, reducing the activation energy of the reaction. In addition, the? Electron-conjugated polymer or the conjugated polymer moiety increases the effective reaction area between the electrolyte and the electrode.

본 발명의 리튬 배터리는 앞에서 언급한 전극이 캐소드로서 작용하는 전극을 포함한다.The lithium battery of the present invention includes an electrode in which the aforementioned electrode functions as a cathode.

본 발명의 리튬 배터리의 애노드는 제한되지 않는다. 애노드는 탄소 물질을 함유할 수 있고, 탄소 물질은 천연 흑연, 인공 흑연, 무정형 탄소, 섬유상 탄소, 분말 탄소, 석유 피치 탄소 및 석탄 코크스(coal coke) 탄소를 포함한다. 이들 탄소 물질은 직경이 0.01 내지 10㎛이고 길이가 수 마이크로미터부터 수 밀리미터인 입자 또는 섬유이다.The anode of the lithium battery of the present invention is not limited. The anode may contain a carbon material, and the carbon material includes natural graphite, artificial graphite, amorphous carbon, fibrous carbon, powder carbon, petroleum pitch carbon and coal coke carbon. These carbon materials are particles or fibers having a diameter of 0.01 to 10 mu m and a length of several micrometers to several millimeters.

리튬 배터리의 애노드는 알루미늄 또는 알루미늄을 함유하는 합금을 함유할 수 있다. 알루미늄 또는 이의 합금의 예는 Al, Al-Fe, Al-Si, Al-Zn, Al-Li 및 Al-Zn-Si를 포함한다. 알루미늄 또는 이의 합금은 급속 냉각에 의해 수득된 박편 분말 또는 공기 또는 질소 등의 불활성 기체 중에서 기계적 파쇄(crushing)에 의해 수득된 구형 또는 무정형 분말인 것이 바람직하다. 입자 크기는 바람직하게는 1㎛ 내지 100㎛이다.The anode of the lithium battery may contain an alloy containing aluminum or aluminum. Examples of aluminum or alloys thereof include Al, Al-Fe, Al-Si, Al-Zn, Al-Li and Al-Zn-Si. The aluminum or its alloy is preferably a spherical or amorphous powder obtained by mechanical crushing in flake powder obtained by rapid cooling or an inert gas such as air or nitrogen. The particle size is preferably from 1 mu m to 100 mu m.

알루미늄 또는 알루미늄 합금에 대한 탄소 물질의 혼합비는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 1중량부를 기준으로 하여, 0.01 내지 5중량부, 바람직하게는 0.05 내지 0.5중량부이다.The mixing ratio of the carbon material to aluminum or aluminum alloy is 0.01 to 5 parts by weight, preferably 0.05 to 0.5 parts by weight, based on 1 part by weight of aluminum or aluminum alloy.

또는, 애노드는 소위 로킹 체어(rocking chair) 전지일 수 있다. 흑연 등의 내위첨가 화합물(intercalated compound)은 그 사이에 리튬을 삽입할 수 있다.Alternatively, the anode may be a so-called rocking chair cell. Intercalated compounds such as graphite can insert lithium therebetween.

본 발명의 리튬 2차 배터리의 전해질은 전해질이 리튬 이온을 전도하는 한 제한되지 않는다. 전해질은 액체 전해질, 고체 전해질 및 겔 전해질일 수 있다. 바람직하게는, 전해질은 고체 또는 겔 전해질이고, 더욱 바람직하게는 -20℃ 내지 60℃의 온도 범위에서 고체 상태 또는 겔 상태로 유지된다. 또는, 공극을 한정하고 중합체 물질로 제조된 다공성 분리기가 캐소드와 애노드 사이에 배열되고, 액체 전해질이 이의 공극에 존재할 수 있다. 액체 전해질은 거기에 용해된 리튬염을 함유할 수 있다. 고체 전해질은 리튬염을 함유하고, 바람직하게는 리튬염을 함유하는 중합체를 함유한다. 리튬을 함유하는 염의 예는 LiI, Li3N, LiI-B2O3, LiI·H2O 및 Li-β-Al2O3를 포함한다.The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention is not limited as long as the electrolyte conducts lithium ions. The electrolyte may be a liquid electrolyte, a solid electrolyte, and a gel electrolyte. Preferably, the electrolyte is a solid or gel electrolyte and more preferably remains in a solid or gel state at a temperature ranging from -20 占 폚 to 60 占 폚. Alternatively, a porous separator defining the pores and made of a polymeric material may be arranged between the cathode and the anode, and a liquid electrolyte may be present in the pores thereof. The liquid electrolyte may contain a lithium salt dissolved therein. The solid electrolyte contains a lithium salt, preferably a polymer containing a lithium salt. For salt containing lithium include LiI, Li 3 N, LiI- B 2 O 3, LiI · H 2 O , and Li-β-Al 2 O 3 .

예를 들면, 고체 전해질은 폴리에틸렌 옥사이드와 거기에 용해된 리튬염의 복합체일 수 있다. 또한, 고체 전해질은 프로필렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트에 용해된 LiClO4를 포함하는 폴리(아크릴로니트릴) 막일 수 있다.For example, the solid electrolyte can be a complex of polyethylene oxide and a lithium salt dissolved therein. In addition, the solid electrolyte may be a poly (acrylonitrile) film containing LiClO 4 dissolved in propylene carbonate and propylene carbonate.

애노드와 캐소드는 전해질용 성분을 함유할 수 있다. 예를 들면, 고체 전해질용 조성물은 에틸렌 옥사이드와 부틸렌 옥사이드를 폴리아민에 가해 수득한 폴리에테르, 층상 결정 구조를 갖는 이온 교환 화합물 및 리튬염을 포함할 수 있고, 이러한 조성물이 애노드 또는 캐소드용 조성물에 가해져 혼합될 수 있다.The anode and the cathode may contain components for the electrolyte. For example, the composition for a solid electrolyte may comprise a polyether obtained by adding ethylene oxide and butylene oxide to a polyamine, an ion exchange compound having a layered crystal structure and a lithium salt, and such a composition may be added to a composition for an anode or a cathode Can be added and mixed.

폴리에테르는 100℃ 내지 180℃에서 1 내지 10atm의 기압하에서 알칼리 촉매를 사용하여 에틸렌 옥사이드와 부틸렌 옥사이드를 폴리아민과 부가 반응시켜 수득할 수 있다. 폴리에테르의 성분인 폴리아민으로는, 폴리에틸렌이민, 폴리알킬렌폴리아민 또는 이의 유도체가 사용될 수 있다. 폴리알킬렌폴리아민의 예는 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 헥사메틸렌테트라민 및 디프로필렌트리아민을 포함한다. 에틸렌 옥사이드와 부틸렌 옥사이드의 전체 몰의 부가수(additional number)는 폴리아민 활성 수소 1개당 2 내지 150몰이다. 부틸렌 옥사이드(BO)에 대한 에틸렌 옥사이드(EO)의 몰 비는 90/20 내지 10/90(=EO/BO)이다. 이렇게 수득된 폴리에테르의 평균 분자량은 1,000 내지 5,000,000이다. 바람직하게는, 폴리에테르는 0.5 내지 20중량%의 양으로 고체 전극 조성물에 함유된다. 고체 전해질의 폴리에테르는 이 조성물이 균일하게 분산되도록 계면활성제로서 작용한다.The polyether can be obtained by the addition reaction of ethylene oxide and butylene oxide with polyamines using an alkali catalyst under a pressure of 1 to 10 atm at 100 ° C to 180 ° C. As the polyamine which is a component of the polyether, a polyethyleneimine, a polyalkylene polyamine or a derivative thereof may be used. Examples of polyalkylene polyamines include diethylenetriamine, triethylenetetramine, hexamethylenetetramine, and dipropylenetriamine. The additional number of total moles of ethylene oxide and butylene oxide is 2 to 150 moles per polyamine active hydrogen. The molar ratio of ethylene oxide (EO) to butylene oxide (BO) is 90/20 to 10/90 (= EO / BO). The average molecular weight of the polyether thus obtained is 1,000 to 5,000,000. Preferably, the polyether is contained in the solid electrode composition in an amount of 0.5 to 20 wt%. The polyether of the solid electrolyte acts as a surfactant so that the composition is uniformly dispersed.

층상 결정 구조인 이온 교환 화합물의 예는 몬트모릴로나이트, 헥토라이트, 사포나이트 및 스멕타이트 등의 실리케이트, 지르코늄 포스페이트와 티타늄 포스페이트 등의 인산 에스테르, 바나드산, 안티몬산, 텅스텐산 또는 이들 산을 4차 암모늄염 등의 유기 양이온 또는 에틸렌 옥사이드와 부틸렌 옥사이드 등의 유기 극성 화합물로 변형시켜 수득된 물질을 포함하는 점토 광물(clay mineral)을 포함한다.Examples of the ion exchange compound which is a layered crystal structure include silicates such as montmorillonite, hectorite, saponite and smectite, phosphoric acid esters such as zirconium phosphate and titanium phosphate, vanadic acid, antimonic acid, tungstic acid, And clay minerals including organic cations such as ammonium salts, or substances obtained by modification with organic polar compounds such as ethylene oxide and butylene oxide.

도 4는 리튬 배터리에 사용되는 적층 구조의 단면이다. 구조물(30)은 캐소드(34), 리튬 이온 방출용 활성 물질을 가진 애노드(38) 및 캐소드(34)와 애노드(38) 사이에 배열된 전해질(36)을 가진다. 구조물은 캐소드(34)와 접촉하는 캐소드 전류 수집기(32)와 애노드(38)와 접촉하는 애노드 전류 수집기(40)를 가진다. 본 발명에서, 캐소드(34)는 디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재생된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스와 전기 전도성 매트릭스에 분산된 복수의 탄소 나노튜브를 가진다. 캐소드 전류 수집기(32), 캐소드(34), 전해질(36), 애노드(38) 및 애노드 전류 수집기(40)는 층상 구조를 취하고, 이 순서대로 서로 적층된다. 전해질(36)은 하나 이상의 고체 전해질과 겔 전해질을 가질 수 있다.4 is a cross section of a laminated structure used for a lithium battery. The structure 30 has a cathode 34, an anode 38 with a lithium ion-releasing active material and an electrolyte 36 arranged between the cathode 34 and the anode 38. The structure has a cathode current collector 32 in contact with the cathode 34 and an anode current collector 40 in contact with the anode 38. In the present invention, the cathode 34 comprises an electrically conductive matrix containing a disulfide group, wherein the SS bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and regenerated by electrochemical oxidation, and a plurality of Carbon nanotubes. The cathode current collector 32, the cathode 34, the electrolyte 36, the anode 38 and the anode current collector 40 take a layered structure and are stacked on each other in this order. The electrolyte (36) may have one or more solid electrolytes and a gel electrolyte.

본 발명의 리튬 2차 배터리가 충전될 때, Li가 캐소드의 S-Li 결합으로부터 방출되고 S-S 결합이 생성된다. 애노드 표면 또는 애노드 내부에는(애노드 성분과 전해질 성분이 혼합되었을 때), 리튬이 균일하게 침착된다. 리튬이 전해질로부터 직접 침착되므로, 산소 등의 불순물로 오염되지는 않는다. 따라서, 충전과 방전이 반복될 때에도, 전류는 쉽게 집중되지 않고, 이에 의해 배터리에 어떠한 단락도 효과적으로 방지될 수 있다. 충전 동안(전기 분해) 생성된 리튬과 전해질은 서로 접촉하고 있어, 방전 동안 분극은 감소하고, 더 높은 전류가 생성될 수 있다. 앞에서 기술하였듯이, 전해질이 캐소드 및/또는 애노드에 혼합될 때, 특히 효과적인 결과가 수득될 수 있다. 이 경우, 리튬염, 폴리에테르 및 층상 결정 구조를 갖는 갖는 화합물이 전해질로 사용되는 것이 특히 효과적이다.When the lithium secondary battery of the present invention is charged, Li is released from the S-Li bond of the cathode and an S-S bond is generated. On the anode surface or inside the anode (when the anode component and the electrolyte component are mixed), lithium is uniformly deposited. Since lithium is deposited directly from the electrolyte, it is not contaminated with impurities such as oxygen. Therefore, even when charging and discharging are repeated, the current is not easily concentrated, whereby any short circuit to the battery can be effectively prevented. The generated lithium and electrolyte during charging (electrolysis) are in contact with each other, so that the polarization decreases during discharge and a higher current can be generated. As described above, particularly effective results can be obtained when the electrolyte is mixed with the cathode and / or the anode. In this case, it is particularly effective that a compound having a lithium salt, a polyether and a layered crystal structure is used as an electrolyte.

본 발명의 리튬 2차 배터리는 또한 다음 방법으로 제조할 수 있다. 먼저, 탄소 나노튜브 집합체를 종래의 방법으로 수득한다.The lithium secondary battery of the present invention can also be produced by the following method. First, a carbon nanotube aggregate is obtained by a conventional method.

풀어진 탄소 나노튜브는 복수의 탄소 나노튜브 집합체를 액체에 가하는 단계및 탄소 나노튜브 집합체를 풀기 위해 액체에 수직력(sheer force)을 가하는 단계를 포함하는 방법으로 수득할 수 있다.The unwound carbon nanotubes can be obtained by a method including a step of applying a plurality of carbon nanotube aggregates to a liquid and a step of applying a sheer force to the liquid to unravel the carbon nanotube aggregate.

점성액은 기계적 과정에 의해 수직력을 가하는 것을 용이하게 하므로, 액체는 25℃에서의 점도가 0.8centipoise 이상이고, 바람직하게는 1.0centipoise 이상이다. 몇몇 액체의 점도가 표 3에 요약되어 있다.Since the viscous liquid facilitates applying a normal force by a mechanical process, the viscosity of the liquid at 25 캜 is not less than 0.8 centipoise, preferably not less than 1.0 centipoise. The viscosity of some liquids is summarized in Table 3.

액체Liquid 25℃에서의 점도(centipoise)Viscosity at 25 캜 (centipoise) N-메틸-2-피롤리돈2-프로판올메탄올N-methyl-2-pyrrolidone 2-propanol [ 1.671.770.5451.671.770.545

액체는 유기 용매 또는 물이다. 유기 용매는 바람직하게는 극성이다. 유기 용매의 예는 N-메틸-2-피롤리돈을 포함한다. 물이 사용될 때, 바람직하게는 물은 계면활성제를 함유한다. 수직력은 기계적 과정으로 제공될 수 있고, 집합체를 함유하는 액체는 높은 속도로 좁은 갭(narrow gap)을 통과한다.The liquid is an organic solvent or water. The organic solvent is preferably polar. Examples of organic solvents include N-methyl-2-pyrrolidone. When water is used, preferably water contains a surfactant. The normal force can be provided by a mechanical process, and the liquid containing the aggregate passes through a narrow gap at a high velocity.

예를 들면, 균질기가 수직력을 가하기 위해 사용될 수 있다. 도 1에서, 균질기(10)는 방사상 내부 표면(13)을 가진 고정자(12)와 방사상 외부 표면(23)을 가진 회전자(22)를 가진다. 고정자(12)와 회전자(22)는 축을 공유한다. 고정자(12)의 방사상 내부 표면(13)과 회전자(22)의 방사상 외부 표면(23)은 그 사이에 호 또는 원형을 갖는 좁은 갭을 형성한다. 블레이드(26)는 회전자(22)에 고정되고 좁은 갭에 배열된다. 회전자(22)가 회전할 때, 블레이드(26)는 좁은 갭을 따라 회전한다.For example, a homogenizer can be used to apply a normal force. In Figure 1 the homogenizer 10 has a stator 12 with a radially inner surface 13 and a rotor 22 with a radially outer surface 23. The stator 12 and the rotor 22 share an axis. The radially inner surface 13 of the stator 12 and the radially outer surface 23 of the rotor 22 form a narrow gap with a circular arc or arc therebetween. The blade 26 is fixed to the rotor 22 and arranged in a narrow gap. When the rotor 22 rotates, the blade 26 rotates along a narrow gap.

고정자(12)는 방사 방향인 하나 이상의 홀(14)로 형성되고, 홀은 액체를 통과시킨다. 유사하게, 회전자(22)도 방사 방향의 하나 이상의 홀(24)로 형성되고, 홀은 액체를 통과시킨다. 전형적으로, 액체는 방사상 외부 방향으로 홀(24)을 통과하고, 계속하여 방사상 외부 방향으로 홀(14)을 통과한다.The stator 12 is formed in at least one hole 14 in the radial direction, and the hole allows liquid to pass through. Likewise, the rotor 22 is also formed with at least one hole 24 in the radial direction, and the hole allows liquid to pass through. Typically, the liquid passes through the hole 24 in a radially outward direction and then through the hole 14 in a radially outward direction.

액체가 복수의 집합체(16)를 가질 때, 집합체(16)는 수직력이 거기에 가해지도록 블레이드(26)에 의해 좁은 갭을 통과하게 된다. 집합체(16)는 서서히 풀리고 더 작은 입자(18)로 된다.When the liquid has a plurality of aggregates 16, the aggregates 16 will pass through a narrow gap by the blades 26 so that normal force is applied thereto. Aggregate 16 is slowly unwound and becomes smaller particles 18.

또는, 초음파 발생기가 집합체를 함유하는 액체에 초음파를 가하고, 이로써 집합체는 풀리게 된다.Alternatively, the ultrasonic generator applies ultrasonic waves to the liquid containing the aggregate, whereby the aggregate is released.

바람직하게는, 풀린 탄소 나노튜브와 액체 매질을 함유하는 혼합물은 디설파이드 그룹을 함유하는 유기 화합물 및 전기 전도성 중합체와 혼합된다. 또는, 풀린 탄소 나노튜브와 액체 매질을 함유하는 혼합물은 머캅토 그룹을 함유하는 전기 전도성 중합체와 혼합될 수 있다. 액체 매질은 탄소 나노튜브 집합체를 풀기 위해 사용되는 액체와 동일하거나 상이할 수 있다.Preferably, the mixture containing the loosened carbon nanotubes and the liquid medium is mixed with the organic compound containing the disulfide group and the electroconductive polymer. Alternatively, the mixture containing the loosened carbon nanotubes and the liquid medium may be mixed with an electrically conductive polymer containing a mercapto group. The liquid medium may be the same as or different from the liquid used to unwind the carbon nanotube aggregate.

전류 수집기와 거기에 적층된 캐소드막을 갖는 배터리 전구체는 금속박일 수 있는 전류 수집기 위에 캐소드막용 조성물을 피복시킴으로써 제조할 수 있다.A battery collector having a current collector and a cathode film stacked thereon can be fabricated by coating a composition for a cathode film on a current collector capable of being metal foil.

도 4의 구조(30)는 배터리 전구체로부터 제조될 수 있다. 전해질(36), 애노드(38) 및 애노드 전류 수집기(40)는 배터리 전구체에 적층될 수 있다.The structure 30 of Figure 4 may be fabricated from a battery precursor. The electrolyte 36, the anode 38 and the anode current collector 40 may be laminated to the battery precursor.

복수의 구조(30)가 리튬 배터리를 제조하기 위해 서로 적층되고 하우징에 포장될 수 있다. 또는, 복수의 구조(30)는 일반적인 원통형으로 말려지고, 이어서 하우징에 포장될 수 있다.A plurality of structures 30 may be stacked on each other and packaged in a housing to produce a lithium battery. Alternatively, the plurality of structures 30 may be rolled into a generally cylindrical shape and then packaged in a housing.

본 발명의 리튬 2차 배터리는 또한 다음 방법으로 제조할 수 있다. 캐소드, 애노드 및 전해질의 각 조성물은 막으로 성형된다. 캐소드 조성물은 탄소 나노튜브를 함유한다. 캐소드막, 전해질막 및 애노드막은 이 순서로 적층되고 서로 압축되어, 이에 의해 단위 전지를 수득한다. 필요하다면, 전류 수집기로 작용하는 전지 전도성 박(foil)과 납이 이 단위 전지의 캐소드와 애노드에 부착되고, 조립품이 포장되어, 이에 의해 리튬 2차 배터리가 제조된다. 바람직하게는, 전해질 성분은 캐소드 및/또는 애노드에 혼합된다.The lithium secondary battery of the present invention can also be produced by the following method. Each composition of the cathode, the anode and the electrolyte is formed into a film. The cathode composition contains carbon nanotubes. The cathode film, the electrolyte film and the anode film are laminated in this order and compressed to each other, thereby obtaining a unit cell. If necessary, a battery conductive foil and lead acting as a current collector are attached to the cathode and anode of the unit cell, and the assembly is packaged, thereby producing a lithium secondary battery. Preferably, the electrolyte component is mixed with the cathode and / or the anode.

실시예 1Example 1

탄소 나노튜브Carbon nanotube

먼저, 탄소 나노튜브 집합체를 푼다. 탄소 나노튜브 집합체를 1-메틸-2-피롤리돈에 가하여 1중량%의 탄소 나노튜브를 함유하는 혼합물을 수득한다. 혼합물을 일본 요코하마시 나카야마쿠에 소재하는 아이케이에이 저팬 캄파니 리미티드(IKA Japan Company Limited) 제품인 상표명 ULTRA TALUX T-25 균질기에 가한다. 균질기는 혼합물에 수직력을 가하여 집합체를 푼다. 균질기는 도 1의 구조이다. 균질기에서, 회전자는 1분당 8,000 내지 24,000회 회전한다.First, unpack the carbon nanotube aggregate. A mixture of carbon nanotubes is added to 1-methyl-2-pyrrolidone to obtain a mixture containing 1 wt% of carbon nanotubes. The mixture is added to a homogenizer of ULTRA TALUX T-25, trade name, product of IKA Japan Company Limited, located in Nakayama, Yokohama, Japan. The homogenizer dissolves the aggregate by applying normal force to the mixture. The homogenizer is the structure of Fig. In the homogenizer, the rotor is rotated 8,000 to 24,000 revolutions per minute.

두번째로, 탄소 나노튜브 집합체가 풀어진 것을 풀어진 탄소 나노튜브를 포함하는 전극 제조에는 필요하지 않은 다음 과정에 의해 확인한다. 이렇게 수득한 1중량부의 탄소 나노튜브를 함유하는 액체 혼합물에 결합제로서 작용하는 폴리메틸메타크릴레이트 19중량부와 희석용 N-메틸-2-피롤리돈을 가한다. 폴리메틸메타크릴레이트(이하, PMMA라고 나타냄)는 중량 평균 분자량이 996,000이고 알드리치 제품이다. 액체 혼합물을 유리 기판에 붓고, 유리 기판을 용매를 증발시키기 위해 진공 오븐에 놓아, 5중량%의 탄소 나노튜브를 함유하는 PMMA 막을 제조한다. PMMA 막을 투과형 전자 현미경으로 관찰한다. 도 2는 결과 사진이다. 탄소 나노튜브에 상응하는 피브릴은 풀어지고 PMMA 매트릭스에 분산된다.Secondly, the unraveling of the carbon nanotube aggregate is confirmed by the following procedure, which is not necessary for the manufacture of electrodes containing the carbon nanotubes. 19 parts by weight of polymethylmethacrylate serving as a binder and N-methyl-2-pyrrolidone for dilution were added to a liquid mixture containing 1 part by weight of the carbon nanotube thus obtained. Polymethylmethacrylate (hereinafter referred to as PMMA) has a weight average molecular weight of 996,000 and is an Aldrich product. The liquid mixture is poured into a glass substrate and the glass substrate is placed in a vacuum oven to evaporate the solvent to produce a PMMA film containing 5 wt% of carbon nanotubes. The PMMA film is observed with a transmission electron microscope. 2 is a photograph of the result. The fibrils corresponding to the carbon nanotubes are loosened and dispersed in the PMMA matrix.

비교 실시예로서, 탄소 나노튜브 집합체를 함유하는 액체 혼합물에 수직력을 가하지 않는다. 구체적으로, N-메틸-2-피롤리돈과 1중량%의 탄소 나노튜브를 함유하는 액체 혼합물을 자기 교반기로 하룻밤 혼합한다. 다른 PMMA 막을 생성된 액체 혼합물을 사용하여 앞에서 언급된 방법과 동일한 방법으로 제조하고, PMMA 막을 투과형 전자 현미경을 관찰한다. 도 3은 결과 사진이다. 복수의 탄소 나노튜브 집합체가 매트릭스에 존재한다.As a comparative example, a normal force is not applied to a liquid mixture containing a carbon nanotube aggregate. Specifically, a liquid mixture containing N-methyl-2-pyrrolidone and 1 wt% of carbon nanotubes is mixed with a magnetic stirrer overnight. Other PMMA membranes were prepared using the resulting liquid mixture in the same manner as described above, and the PMMA membranes were observed with a transmission electron microscope. Figure 3 is a photograph of the result. A plurality of carbon nanotube aggregates are present in the matrix.

배터리 전구체Battery precursor

2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸 분말 1.8g을 폴리아닐린 1.2g과 볼 밀로 혼합한다. N-메틸-2-피롤리돈 중의 2중량%의 풀어진 탄소 나노튜브를 함유하는 액체 혼합물 11.1g을 분말 혼합물 2.5g에 가하고, 생성된 혼합물을 모르타르에 혼합하여 잉크를 제조한다. 잉크를 갭이 200㎛인 닥터 블레이드를 사용하여 두께가 35㎛인 구리박 위에 피복한다. 구리박을 잉크를 건조시키기 위해 3시간 동안 80℃에서 진공 오븐에 넣고, 이에 의해 캐소드로 작용하고 피복 두께가 약 40㎛인 막과 구리박을 갖는 배터리 전구체를 제조한다.1.8 g of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole powder is mixed with 1.2 g of polyaniline in a ball mill. 11.1 g of a liquid mixture containing 2% by weight of the dissolved carbon nanotubes in N-methyl-2-pyrrolidone was added to 2.5 g of the powder mixture, and the resulting mixture was mixed with the mortar to prepare an ink. The ink is coated on a copper foil having a thickness of 35 mu m using a doctor blade having a gap of 200 mu m. The copper foil is placed in a vacuum oven at 80 DEG C for 3 hours to dry the ink, thereby producing a battery precursor having a film with a coating thickness of about 40 mu m and a copper foil serving as a cathode.

막의 저항율을 상표명이 K-705RS이고 교와 리켄(Kyowa Riken) 제품인 저항율 측정기로 측정한다. 막의 저항율은 cm2당 40ohm이다.The resistivity of the film is measured with a resistivity meter, product of Kyowa Riken under the trade name K-705RS. The resistivity of the film is 40 ohm per cm 2 .

구리박에 막 부착을 일본 산업 표준(Japan Industrial Standard) K 5400 8.5.2에 따른 그리드 테입 시험(grid tape test)으로 측정한다. 시험은 6 내지 8점을 주고, 이는 막이 테입에 부착하지 않고 구리박에 부착하였음을 나타낸다.The adhesion of the film to the copper foil is measured by a grid tape test according to Japanese Industrial Standard K 5400 8.5.2. The test gave 6 to 8 points, indicating that the film adhered to the copper foil without sticking to the tape.

구리박 위의 두께 20㎛인 막의 경도를 일본 산업 표준 K 5400 8.4.1에 따라 경도가 8H인 연필로 막 표면을 긁어 측정한다. 긁었을 때 막 표면에 거의 손상이 없다. 막을 구리박을 따라 접는다. 그러나, 막은 벗겨지지도 금이 가지도 않는다. 결과는 막이 유연성을 가짐을 보여주며, 이는 리튬 배터리 제조에 중요하다.The hardness of a film having a thickness of 20 mu m on a copper foil is measured by scraping the surface of the film with a pencil having a hardness of 8H according to Japanese Industrial Standard K 5400 8.4.1. There is almost no damage to the film surface when scratched. Fold the membrane along the copper foil. However, the membrane is neither stripped nor cracked. The results show that the membrane is flexible, which is important for lithium battery manufacturing.

비교 실시예 1Comparative Example 1

비교 실시예로서, 구리박과 거기에 피복된 캐소드로 작용하는 막을 포함하는 배터리 전구체를 탄소 나노튜브를 아크조(Akzo) 제품인 켓젠 블랙(ketjen black)으로 대신한 것을 제외하고 동일한 방법으로 제조한다.As a comparative example, a battery precursor comprising a copper foil and a film acting as a cathode coated thereon was prepared in the same way, except that carbon nanotubes were replaced by ketjen black, an Akzo product.

막 저항율을 동일한 기구로 측정하고, 막 저항율은 cm2당 50kiloohm이다.The membrane resistivity was measured with the same instrument and the membrane resistivity was 50 kiloohm per cm 2 .

막 부착을 일본 산업 표준 K 5400 8.5.2에 따라 동일한 그리드 테입 시험으로 측정하고, 시험은 0점을 주며, 이는 막이 구리박으로부터 테입을 따라 벗겨짐을 나타낸다.The film adhesion is measured by the same grid-tape test according to Japanese Industrial Standard K 5400 8.5.2, and the test gives a zero point, which indicates that the film peels away from the copper foil.

일본 산업 표준 K 5400 8.4.1에 따른 구리박 위의 두께 55㎛인 막 긁힘 시험은 경도 HB의 연질 연필이 막 표면을 손상시킴을 보여준다. 결과는 켓젠 블랙을 포함하는 막이 탄소 나노튜브를 포함하는 막보다 훨씬 연성임을 보여준다.A film scratch test 55 μm thick on a copper foil according to Japanese Industrial Standard K 5400 8.4.1 shows that a soft pencil of hardness HB damages the film surface. The results show that the membrane containing Ketjenblack is much more ductile than the membrane containing carbon nanotubes.

실시예 2Example 2

리튬 2차 배터리Lithium secondary battery

코인형(coin configuration) 리튬 2차 배터리를 제조한다. 앞에서 언급한 배터리 전구체를 직경 16mm인 원반형(disk configuration)으로 절단하고 캐소드로 사용한다.Coin configuration Lithium secondary battery is manufactured. The above-mentioned battery precursor is cut into a disk configuration having a diameter of 16 mm and used as a cathode.

겔 전해질을 다음과 같은 방법으로 수득한다. 리튬 테트라플루오로보레이트 4.8g을 프로필렌 카보네이트 14.5g과 에틸렌 카보네이트 25.1g의 혼합물에 가한다. 사이언티픽 폴리머 프로덕트(Scientific Polymer Product) 제품이고 중량 평균 분자량이 100,000인 폴리아크릴로니트릴과 폴리메틸아크릴레이트의 공중합체 분말 5.0g을 혼합물에 가한다. 이렇게 수득한 혼합물을 1일 동안 자기 교반기로 교반하여 백색의 중합성 분산액을 수득한다. 중합성 분산액을 스테인레스 강으로 제조된 접시에 넣고, 125℃까지 가열해 무색의 분산액을 수득한다. 그동안, 유리 기판의 양 말단에, 두께가 0.5mm인 한 쌍의 TEFLON 판을 유리판에 놓는다. 무색이고 유동성인 중합성 분산액을 TEFLON 판 사이의 유리 기판에 가한다. 다른 유리판을 유리판 위에 놓고, 유리판 쌍을 실온까지 냉각시킨다. 이후에, 유리판을 냉동기에서 추가로 냉각시킨 다음, 실온으로 다시 가온한다. 이렇게 수득한 겔 막을 직경 18mm인 원형으로 절단한다.The gel electrolyte was obtained in the following manner. 4.8 g of lithium tetrafluoroborate was added to a mixture of 14.5 g of propylene carbonate and 25.1 g of ethylene carbonate. 5.0 g of a copolymer powder of polyacrylonitrile and polymethyl acrylate, which is a product of Scientific Polymer Product and has a weight average molecular weight of 100,000, is added to the mixture. The thus obtained mixture is stirred with a magnetic stirrer for 1 day to obtain a white polymerizable dispersion. The polymerizable dispersion is put into a dish made of stainless steel and heated to 125 캜 to obtain a colorless dispersion. Meanwhile, a pair of TEFLON plates having a thickness of 0.5 mm are placed on the glass plate at both ends of the glass substrate. A colorless, flowable polymeric dispersion is added to the glass substrate between the TEFLON plates. Another glass plate is placed on a glass plate, and the glass plate pair is cooled to room temperature. Thereafter, the glass plate is further cooled in the freezer and then warmed to room temperature again. The thus-obtained gel film is cut into a circular shape having a diameter of 18 mm.

금속 리튬으로 제조된 박(foil)을 애노드로 사용하고, 구리박을 애노드 전류 수집기로 사용한다.A foil made of metal lithium is used as an anode, and a copper foil is used as an anode current collector.

배터리 전구체, 겔 전해질, 애노드 및 애노드 전류 수집기를 이 순서로 적층한다.A battery precursor, a gel electrolyte, an anode, and an anode current collector are stacked in this order.

코인형의 리튬 2차 배터리를 방전과 충전의 반복된 사이클을 겪게 한다. 방전과 충전의 100회 반복 후, 리튬 배터리는 90% 이상의 방전 용량을 유지하는 것으로 밝혀졌다.A coin-shaped lithium secondary battery is subjected to repeated cycles of discharging and charging. After 100 cycles of discharging and charging, the lithium battery was found to maintain a discharge capacity of 90% or more.

본 발명의 전극은 개선된 전기 전도성과 기계적 강도를 갖는다. 다른 탄소 물질과 비교해, 더 적은 양의 탄소 나노튜브가 전극의 필요한 전기 컨덕턴스와 기계적 강도를 유지시킨다.The electrode of the present invention has improved electrical conductivity and mechanical strength. Compared to other carbon materials, a smaller amount of carbon nanotubes maintains the required electrical conductance and mechanical strength of the electrode.

본 발명의 배터리 전구체는 전류 수집기에 개선된 부착성을 가진다.The battery precursor of the present invention has improved adhesion to the current collector.

본 발명의 전극은 리튬 배터리, 특히 리튬 2차 배터리의 캐소드에 적절하다. 전극은 매질의 전기 전위를 탐지하는 센서로 사용될 수 있다.The electrode of the present invention is suitable for a cathode of a lithium battery, particularly a lithium secondary battery. The electrode can be used as a sensor to detect the electrical potential of the medium.

Claims (34)

디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재생된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스와 전기 전도성 매트릭스에 분산된 복수의 탄소 나노튜브를 포함하는 전극.An electrode comprising an electrically conductive matrix containing a disulfide group, wherein the S-S bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and regenerated by electrochemical oxidation, and a plurality of carbon nanotubes dispersed in the electrically conductive matrix. 제1항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스가 전기 전도성 중합체와 디설파이드 그룹을 갖는 유기 화합물을 함유하는 전극.The electrode according to claim 1, wherein the electrically conductive matrix contains an electrically conductive polymer and an organic compound having disulfide groups. 제2항에 있어서, 전기 전도성 중합체가 다음 화학식 1의 중합체를 포함하는 전극.3. The electrode of claim 2, wherein the electrically conductive polymer comprises a polymer of formula (1). 화학식 1Formula 1 -[Ar-NH]n-- [Ar-NH] n - 위의 화학식 1에서,In the above formula (1) Ar은 아릴이고,Ar is aryl, n은 정수이다.n is an integer. 제2항에 있어서, 전기 전도성 중합체가 폴리아닐린을 포함하는 전극.3. The electrode of claim 2, wherein the electrically conductive polymer comprises polyaniline. 제2항에 있어서, 유기 화합물이 질소원자 및 황원자로 이루어진 1 내지 3개의 헤테로원자를 함유하는 5 내지 7원 헤테로사이클릭 환을 함유하는 전극.The electrode according to claim 2, wherein the organic compound contains a 5- to 7-membered heterocyclic ring containing 1 to 3 hetero atoms consisting of a nitrogen atom and a sulfur atom. 제2항에 있어서, 유기 화합물이 티아디아졸 환을 함유하는 전극.The electrode according to claim 2, wherein the organic compound contains a thiadiazole ring. 제1항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스가 디설파이드 그룹을 형성할 수 있는 머캅토 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체를 함유하는 전극.The electrode according to claim 1, wherein the electroconductive matrix contains an electroconductive polymer having a mercapto group capable of forming a disulfide group. 제1항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스와 탄소 나노튜브의 합을 기준으로 하여, 0.5 내지 6중량%의 탄소 나노튜브를 함유하는 전극.The electrode according to claim 1, which contains 0.5 to 6% by weight of carbon nanotubes, based on the sum of the electroconductive matrix and the carbon nanotubes. 제1항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스와 탄소 나노튜브의 합을 기준으로 하여, 1 내지 4중량%의 탄소 나노튜브를 함유하는 전극.The electrode according to claim 1, comprising 1 to 4% by weight of carbon nanotubes, based on the sum of the electrically conductive matrix and the carbon nanotubes. 제1항에 있어서, 탄소 나노튜브의 평균 직경이 3.5 내지 200nm이고 평균 길이가 0.1 내지 500㎛인 전극.The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotube has an average diameter of 3.5 to 200 nm and an average length of 0.1 to 500 占 퐉. 제1항에 있어서, 탄소 나노튜브의 평균 직경이 5 내지 30nm이고 평균 길이가 직경의 100 내지 10000배인 전극.The electrode according to claim 1, wherein the average diameter of the carbon nanotubes is 5 to 30 nm and the average length is 100 to 10000 times the diameter. (a)디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재생된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스와 전기 전도성 매트릭스에 분산된 복수의 탄소 나노튜브를 갖는 캐소드 및(a) an electrically conductive matrix containing a disulfide group, wherein the SS bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and regenerated by electrochemical oxidation, and a cathode having a plurality of carbon nanotubes dispersed in the electrically conductive matrix And (b)캐소드 전류 수집기(여기서, 캐소드는 캐소드 전류 수집기 위에 피복되어 있다)를 포함하는 배터리 전구체.(b) A battery precursor comprising a cathode current collector, wherein the cathode is coated over the cathode current collector. 제12항에 있어서, 캐소드 전류 수집기와 캐소드가 층상 구조를 가지는 배터리 전구체.13. The battery precursor of claim 12, wherein the cathode current collector and the cathode have a layered structure. 제12항에 있어서, 캐소드의 두께 범위가 5 내지 500㎛인 배터리 전구체.13. The battery precursor of claim 12, wherein the thickness of the cathode ranges from 5 to 500 mu m. 제12항에 있어서, 캐소드의 두께 범위가 10 내지 100㎛인 배터리 전구체.13. The battery precursor according to claim 12, wherein a thickness range of the cathode is 10 to 100 mu m. 제12항에 있어서, 캐소드 전류 수집기가 판 형태(sheet configuration)인 배터리 전구체.13. The battery precursor of claim 12, wherein the cathode current collector is in a sheet configuration. 제12항에 있어서, 캐소드 전류 수집기가 금속박(metallic foil)을 포함하는 배터리 전구체.13. The battery precursor of claim 12, wherein the cathode current collector comprises a metallic foil. 제12항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스가 전기 전도성 중합체와 디설파이드 그룹을 갖는 유기 화합물을 함유하는 배터리 전구체.13. The battery precursor of claim 12, wherein the electrically conductive matrix contains an electrically conductive polymer and an organic compound having disulfide groups. 제18항에 있어서, 전기 전도성 중합체가 다음 화학식 1의 중합체를 포함하는 배터리 전구체.19. The battery precursor of claim 18, wherein the electrically conductive polymer comprises a polymer of the following formula (I). 화학식 1Formula 1 -[Ar-NH]n-- [Ar-NH] n - 위의 화학식 1에서,In the above formula (1) Ar은 아릴이고,Ar is aryl, n은 정수이다.n is an integer. 제18항에 있어서, 유기 화합물이 질소원자 및 황원자로 이루어진 1 내지 3개의 헤테로원자를 함유하는 5 내지 7원 헤테로사이클릭 환을 함유하는 배터리 전구체.The battery precursor according to claim 18, wherein the organic compound contains a 5- to 7-membered heterocyclic ring containing 1 to 3 heteroatoms consisting of a nitrogen atom and a sulfur atom. 제12항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스가 디설파이드 그룹을 형성할 수 있는 머캅토 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체를 함유하는 배터리 전구체.The battery precursor according to claim 12, wherein the electrically conductive matrix contains an electrically conductive polymer having a mercapto group capable of forming a disulfide group. 제12항에 있어서, 캐소드가, 전기 전도성 매트릭스와 탄소 나노튜브의 합을 기준으로 하여, 0.5 내지 6중량%의 탄소 나노튜브를 함유하는 배터리 전구체.The battery precursor according to claim 12, wherein the cathode contains 0.5 to 6% by weight of carbon nanotubes based on the sum of the electroconductive matrix and the carbon nanotubes. 제12항에 있어서, 탄소 나노튜브의 평균 직경이 3.5 내지 200nm이고 평균 길이가 0.1 내지 500㎛인 배터리 전구체.The battery precursor according to claim 12, wherein the carbon nanotubes have an average diameter of 3.5 to 200 nm and an average length of 0.1 to 500 μm. (a)디설파이드 그룹(여기서, 디설파이드 그룹의 S-S 결합은 전기화학 환원에 의해 분해되고 전기화학 산화에 의해 재생된다)을 함유하는 전기 전도성 매트릭스와 전기 전도성 매트릭스에 분산된 복수의 탄소 나노튜브를 갖는 캐소드,(a) an electrically conductive matrix containing a disulfide group, wherein the SS bond of the disulfide group is decomposed by electrochemical reduction and regenerated by electrochemical oxidation, and a cathode having a plurality of carbon nanotubes dispersed in the electrically conductive matrix , (b)리튬 이온을 방출하기 위한 활성 물질을 갖는 애노드 및(b) an anode having an active material for releasing lithium ions and (c)캐소드와 애노드 사이에 배치된 전해질을 포함하는 리튬 배터리.(c) an electrolyte disposed between the cathode and the anode. 제24항에 있어서,25. The method of claim 24, (a)캐소드와 접촉하고 있는 캐소드 전류 수집기 및(a) a cathode current collector in contact with the cathode and (b)애노드와 접촉하고 있는 애노드 전류 수집기를 추가로 포함하는 리튬 배터리.(b) a lithium battery further comprising an anode current collector in contact with the anode. 제25항에 있어서, 캐소드 전류 수집기, 캐소드, 전해질, 애노드 및 애노드 전류 수집기가 층상 구조를 갖고, 이러한 순서대로 서로 적층되어 있는 리튬 배터리.26. The lithium battery according to claim 25, wherein the cathode current collector, the cathode, the electrolyte, the anode, and the anode current collector have a layered structure and are stacked on each other in this order. 제24항에 있어서, 전해질이 하나 이상의 고체 전해질과 겔 전해질을 포함하는 리튬 배터리.25. The lithium battery of claim 24, wherein the electrolyte comprises at least one solid electrolyte and a gel electrolyte. 제24항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스가 전기 전도성 중합체와 디설파이드 그룹을 갖는 유기 화합물을 함유하는 리튬 배터리.25. The lithium battery of claim 24, wherein the electrically conductive matrix contains an electrically conductive polymer and an organic compound having disulfide groups. 제28항에 있어서, 전기 전도성 중합체가 다음 화학식 1의 중합체를 포함하는 리튬 배터리.29. A lithium battery according to claim 28, wherein the electrically conductive polymer comprises a polymer of the following formula (1). 화학식 1Formula 1 -[Ar-NH]n-- [Ar-NH] n - 위의 화학식 1에서,In the above formula (1) Ar은 아릴이고,Ar is aryl, n은 정수이다.n is an integer. 제28항에 있어서, 유기 화합물이 질소원자 및 황원자로 이루어진 1 내지 3개의 헤테로원자를 함유하는 5 내지 7원 헤테로사이클릭 환을 함유하는 리튬 배터리.The lithium battery according to claim 28, wherein the organic compound contains a 5- to 7-membered heterocyclic ring containing 1 to 3 heteroatoms consisting of a nitrogen atom and a sulfur atom. 제24항에 있어서, 전기 전도성 매트릭스가 디설파이드 그룹을 형성할 수 있는 머캅토 그룹을 갖는 전기 전도성 중합체를 함유하는 리튬 배터리.25. The lithium battery of claim 24, wherein the electrically conductive matrix contains an electrically conductive polymer having a mercapto group capable of forming a disulfide group. 제24항에 있어서, 캐소드가, 전기 전도성 매트릭스와 탄소 나노튜브의 합을 기준으로 하여, 0.5 내지 6중량%의 탄소 나노튜브를 함유하는 리튬 배터리.25. The lithium battery according to claim 24, wherein the cathode contains 0.5 to 6% by weight of carbon nanotubes, based on the sum of the electroconductive matrix and the carbon nanotubes. 제24항에 있어서, 탄소 나노튜브의 평균 직경이 3.5 내지 200nm이고 평균 길이가 0.1 내지 500㎛인 리튬 배터리.The lithium battery according to claim 24, wherein the carbon nanotubes have an average diameter of 3.5 to 200 nm and an average length of 0.1 to 500 μm. 제24항에 있어서, 캐소드의 두께 범위가 5 내지 500㎛인 리튬 배터리.25. The lithium battery according to claim 24, wherein the cathode has a thickness ranging from 5 to 500 mu m.
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