KR20110056803A - Air electrode for metal-air secondary battery, method for preparing the same and metal-air secondary battery - Google Patents

Air electrode for metal-air secondary battery, method for preparing the same and metal-air secondary battery Download PDF

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Abstract

PURPOSE: An air electrode for a metal-air secondary battery is provided to realize oxygen reduction and oxygen evolution as a catalyst and to enable reversible charging/discharging. CONSTITUTION: A method for preparing an air electrode for a metal-air secondary battery comprises the steps of: wet injecting La(NO3)36H2O into a platinum-loaded gas diffusion electrode; drying the gas diffusion electrode to which lanthanum(La) is injected in a vacuum atmosphere; and drying the gas diffusion electrode at 200-250 °C for 3 hours in an atmospheric condition.

Description

금속공기 2차전지용 공기전극, 그의 제조 방법 및 상기 공기전극을 포함하는 금속공기 2차전지{Air electrode for metal-air secondary battery, method for preparing the same and metal-air secondary battery}Air electrode for a metal air secondary battery, a method of manufacturing the same and a metal air secondary battery comprising the air electrode {Air electrode for metal-air secondary battery, method for preparing the same and metal-air secondary battery}

본 발명은 금속공기 2차전지용 공기전극, 그의 제조 방법 및 상기 공기전극을 포함하는 금속공기 2차전지에 관한 것으로서, 산소의 환원(oxygen reduction) 및 산소의 발생(oxygen evolution) 반응 양쪽에 촉매 작용을 하는 공기전극을 도입하여, 가역적인 충방전이 가능한 안정적인 금속공기 2차전지를 제공할 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an air electrode for a metal air secondary battery, a method for manufacturing the same, and a metal air secondary battery including the air electrode, and catalyzes both an oxygen reduction and an oxygen evolution reaction. By introducing an air electrode to provide a stable metal air secondary battery capable of reversible charging and discharging.

전자제품의 급속한 발전과 소비자들의 고성능 전력원에 대한 높은 기대로 인해 에너지 소모가 높은 제품이 많이 등장하고 있다. 그러나 현재 연료 전지 또는 배터리 기술은 아직 이러한 요구를 충족시켜 주지 못하고 있다. 최근에는 리튬이온전지가 가장 널리 사용되는 2차 전지이자, 가장 발전가능성이 높은 것으로 간주되고 있다. 그러나 리튬이온전지는 광범위한 연구에도 불구하고, 아직 해결해야할 문제점이 많이 있으며, 상대적으로 낮은 이론적 에너지 단위 밀도, 리튬의 천연 매장량 등 여러 가지 한계점도 도출되고 있다. 따라서 리튬이온2차전지를 대체할 수 있는 고성능을 발휘하면서 제조원가도 절감할 수 있는 차세대 2차전지에 대한 필요성 이 대두되고 있다.Due to the rapid development of electronic products and high expectations of high performance electric power sources of consumers, many products with high energy consumption are appearing. However, current fuel cell or battery technologies have not yet met this demand. In recent years, lithium ion batteries are considered to be the most widely used secondary batteries and have the highest power generation potential. However, despite the extensive research, there are still many problems to be solved, and various limitations such as relatively low theoretical energy unit density and natural reserves of lithium have been derived. Therefore, there is a need for a next-generation secondary battery capable of reducing manufacturing costs while exhibiting high performance to replace a lithium ion secondary battery.

이 중 가장 실현가능성이 높은 전지가 금속공기전지이다. 금속공기 2차전지는 금속을 연료로 사용하기 때문에 연료전지의 해결과제인 수소의 발생과 저장에 관련된 문제를 제거할 수 있고, 양극에서는 공기 중의 산소를 연료로 이용하는 충·방전이 가능한 주목받는 전지로서, 향후 리튬 이차전지를 대체할 수 있는 차세대 2차전지로 기대되고 있다. Among them, the most feasible battery is a metal air battery. The metal-air secondary battery eliminates the problems related to the generation and storage of hydrogen, which is a challenge for fuel cells, because the metal is used as a fuel, and the anode is a battery that attracts and discharges using oxygen in the air as a fuel. It is expected to be the next generation secondary battery that can replace lithium secondary battery in the future.

금속공기전지는 특정영역에서의 높은 에너지, 경쟁력 있는 비용, 풍부한 자원 및 친환경적인 특성 등 많은 장점을 가지고 있다. 이에 따라 미래의 유력한 전원공급처이자 에너지 저장매체로서의 가능성이 매우 높다. 예를 들어, Goldstein 등은 아연이온전지는 4배 더 높은 단위밀도를 가지면서도 제조 비용은 리튬이온전지보다 5배나 저렴하다고 보고했다. Metal air batteries have many advantages such as high energy, competitive cost, abundant resources, and environmentally friendly characteristics in specific areas. As a result, it is highly promising as a future power source and energy storage medium. For example, Goldstein et al. Reported that zinc ion batteries have four times higher unit density and are five times cheaper than lithium ion batteries.

금속공기전지에는 1차전지와 재충전가능한 전지 2가지가 있는데, 금속공기 1차전지는 시중에서 보청기 등의 저전력 전자 제품에 널리 사용되고 있다. 그러나 재충전 가능한 금속공기전지는 아직 상용화되는데 몇 가지 기술적 문제가 있는데, 핵심적인 해결과제는 고성능 공기 전극의 개발에 있다. 아연 전극의 문제로는 낮은 사이클 안정성, 높은 분해율, 패시베이션 및 자가방전 등을 들 수 있는데, 아연 전극을 이용한 전기화학적 전지에 관한 최근 연구를 통해 점차 개선되고 있다.There are two types of metal air batteries, primary batteries and rechargeable batteries. Metal air primary batteries are widely used in low power electronic products such as hearing aids. Rechargeable metal air batteries, however, are still commercially available and there are some technical problems. A key challenge lies in the development of high performance air electrodes. Problems of zinc electrodes include low cycle stability, high decomposition rate, passivation, and self-discharge, which have been gradually improved through recent studies on electrochemical cells using zinc electrodes.

그러나 공기 전극의 단점은 전극상에서의 전기화학 반응의 복잡성으로 인해 아직 극복되지 못하고 있다. 산소의 환원과 발생 반응(Oxygen reduction and evolution reactions: ORR/OER)이 재충전가능한 금속공기 전지의 충전과 방전에 있 어 가장 기본적인 과정이다. 공기 전극은 수용액 중에서 높은 활성 전압을 가진 비가역적인 시스템에 사용되기 때문에, 이러한 반응을 위한 전해질의 선택은 귀금속 또는 그 합금, 전이금속 산화물 등에 제한된다.However, disadvantages of air electrodes have not yet been overcome due to the complexity of the electrochemical reactions on the electrodes. Oxygen reduction and evolution reactions (ORR / OER) are the most basic processes for charging and discharging rechargeable metal air batteries. Since air electrodes are used in irreversible systems with high activation voltages in aqueous solutions, the choice of electrolytes for such reactions is limited to precious metals or their alloys, transition metal oxides and the like.

최근 공기전극 촉매가 몇 가지 소개되고 있기는 하지만, 아직까지 금속공기 전지에 대한 광범위한 연구는 이루어지고 있지 않으며, 제한된 충전/방전 사이클내에서 가역성을 보여주는 연구결과도 보고된 바가 거의 없다. Although several air electrode catalysts have recently been introduced, there are no extensive studies on metal air batteries, and few studies have shown the reversibility within a limited charge / discharge cycle.

현재 금속공기 전지의 기술현황을 보면 국내에서는 1차 전지에 국한되어 초보적인 단계의 연구 외에 별다른 연구가 진행되지 않고 있으며 외국의 경우는 몇 개의 기업에서 각자의 시스템으로 다른 연료전지의 단점 및 수명을 향상시키면서 환경문제, 수소의 생산과 저장 및 가격문제 등을 극복할 수 있는 연구를 진행하고 있으나 대부분은 전기적 충전(electrical charging)이 아닌 기계적 충전(mechanical charging) 방식의 연구가 진행되고 있다. 또한 전기적 충전 방식의 연구도 기술적 장벽으로 인해 주로 기초 단계에 머물고 있으며, 특허의 경우에도 주로 전지의 구조나 전지의 주변장치 및 1차 전지와 관련된 발명이 대부분이다.The current state of the technology of metal-air batteries is limited to primary batteries in Korea, and there are no studies conducted on it except for the initial stage. In foreign countries, several companies use their own systems to manage the shortcomings and lifetime of other fuel cells. In order to improve the environmental problems, the production and storage of hydrogen, and the price to overcome the research, but most of the electrical charging (electrical charging), rather than mechanical charging (mechanical charging) research is in progress. In addition, the study of the electrical charging method is mainly at the basic stage due to technical barriers, and in the case of patents, the invention is mainly related to the structure of the battery, the peripheral device of the battery and the primary battery.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 산소의 환원과 발생 반응 양쪽에 촉매로 작용하는 복합기능을 가진 공기전극을 제공하는 것이다. Therefore, the first problem to be solved by the present invention is to provide an air electrode having a complex function as a catalyst for both the reduction and generation reaction of oxygen.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 공기전극을 채용하여 가역적인 충방전이 가능한 금속공기 2차전지를 제공하는 것이다. The second problem to be solved by the present invention is to provide a metal air secondary battery capable of reversible charging and discharging by employing the air electrode.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 2차전지용 공기전극의 제조방법을 제공하는 것이다. A third object of the present invention is to provide a method for manufacturing the secondary electrode air electrode.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 백금(Pt)이 로딩된 가스 확산 전극에 산소의 환원 및 발생 반응 양쪽에 촉매로 작용하는 질산 란타늄이 도입된 것을 특징으로 하는 금속공기 2차전지용 공기전극을 제공한다.In order to achieve the first object, in the gas diffusion electrode loaded with platinum (Pt), lanthanum nitrate acting as a catalyst for both a reduction and generation reaction of oxygen is introduced. Provide an electrode.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 가스 확산 전극에 로딩된 백금의 양은 0.1 ~ 1.0 mg/cm2 인 것이 바람직하며, 0.5 mg/cm2 이 더욱 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the amount of platinum loaded on the gas diffusion electrode is preferably 0.1 to 1.0 mg / cm 2 , more preferably 0.5 mg / cm 2 .

또한 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 가스 확산 전극의 두께는 400 ~ 500 ㎛인 것이 바람직하며, 410 ㎛인 것이 더욱 바람직하다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the thickness of the gas diffusion electrode is preferably 400 to 500 μm, more preferably 410 μm.

또한 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 상기 가스 확산 전극에 주입된 란타늄의 양은 3 ~ 30 중량%인 것이 바람직하다. In addition, according to another embodiment of the present invention, the amount of lanthanum injected into the gas diffusion electrode is preferably 3 to 30% by weight.

상기 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 Zn, Al, Mg, Fe, Li 으로 이루어진 군중에서 선택된 금속으로 이루어진 금속 전극과, 백금이 로딩된 가스 확산 전극에 질산 란타늄이 촉매로 첨가된 공기전극을 포함하는 금속공기 2차전지를 제공한다. 이때, 상기 금속 전극은 아연(Zn) 전극인 것이 바람직하다. In order to solve the second technical problem, the present invention provides a metal electrode made of a metal selected from the group consisting of Zn, Al, Mg, Fe, and Li, and air in which lanthanum nitrate is added as a catalyst to a gas diffusion electrode loaded with platinum. Provided is a metal air secondary battery including an electrode. In this case, the metal electrode is preferably a zinc (Zn) electrode.

상기 세 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 백금(Pt) 로딩된 가스 확산 전극에 La(NO3)36H2O를 습식 주입하는 단계; 상기 란타늄(La)이 주입된 가스 확산 전극을 진공하에서 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 전극을 200-250 ℃에서 3시간 동안 대기조건하에서 건조시키는 단계;를 포함하는 2차전지용 공기전극의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the third technical problem, the present invention comprises the steps of wet injecting La (NO 3 ) 36H 2 O to the platinum (Pt) loaded gas diffusion electrode; Drying the lanthanum (La) -injected gas diffusion electrode under vacuum; It provides a method for producing a secondary electrode air electrode comprising a; and drying the dried electrode under atmospheric conditions for 3 hours at 200-250 ℃.

본 발명에 따른 공기전극은 백금이 로딩된 가스 확산 전극(gas diffusion electrode)에 질산란타늄을 촉매로 첨가하여 산소의 환원(oxygen reduction)과 발생(oxygen evolution) 작용이 가능한 복합기능을 가지며, 이 공기전극을 이용하면 현재 사용되고 있는 금속공기 1차 전지가 2차전지로 사용할 수 있게 된다. 따라서 리튬 이차 전지보다 향상된 에너지 밀도, 구성 요소의 풍부한 매장량, 저렴한 가격을 갖는 이차전지로 향후 리튬 이차전지를 대체할 수 있는 차세대 2차전지의 상용화를 앞당길 수 있다. The air electrode according to the present invention has a complex function capable of oxygen reduction and oxygen evolution by adding lanthanum nitrate as a catalyst to a platinum-loaded gas diffusion electrode. By using the electrode, the metal-air primary battery currently used can be used as a secondary battery. Therefore, it is possible to accelerate the commercialization of next-generation secondary batteries that can replace lithium secondary batteries in the future with secondary batteries having improved energy density, rich reserves of components, and low price than lithium secondary batteries.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명에 따른 금속공기 2차전지용 공기전극은 백금(Pt)이 로딩된 가스 확산 전극에 산소의 환원 및 발생 반응 양쪽에 촉매로 작용하는 질산 란타늄이 도입된 것을 특징이다. The air electrode for a metal air secondary battery according to the present invention is characterized in that lanthanum nitrate, which acts as a catalyst for both a reduction and generation reaction of oxygen, is introduced into a gas diffusion electrode loaded with platinum (Pt).

본 발명의 일구현예에 의하면, 상기 가스 확산 전극에 로딩된 백금의 양은 0.1 ~ 1.0 mg/cm2 인 것이 바람직하며,0.5 mg/cm2 인 것이 더욱 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the amount of platinum loaded on the gas diffusion electrode is preferably 0.1 to 1.0 mg / cm 2 , more preferably 0.5 mg / cm 2 .

또한 가스 확산 전극의 두께는 400 ~ 500 ㎛이 바람직하며, 410 ㎛인 것이 더욱 바람직하다. 또한 가스 확산 전극에 주입된 란타늄의 양은 3 ~ 30 중량%인 것이 바람직하다. In addition, the thickness of the gas diffusion electrode is preferably 400 to 500 µm, more preferably 410 µm. In addition, the amount of lanthanum injected into the gas diffusion electrode is preferably 3 to 30% by weight.

또한 본 발명에 따른 금속공기 2차전지는 Zn, Al, Mg, Fe, Li 으로 이루어진 군중에서 선택된 금속으로 이루어진 금속 전극과, 백금이 로딩된 가스 확산 전극에 질산 란타늄이 촉매로 첨가된 공기전극을 포함하는 것이 특징이며, 이때, 금속 전극은 아연(Zn) 전극인 것이 바람직하다. In addition, the metal-air secondary battery according to the present invention includes a metal electrode made of a metal selected from the group consisting of Zn, Al, Mg, Fe, Li, and an air electrode in which lanthanum nitrate is added as a catalyst to the gas diffusion electrode loaded with platinum. In this case, the metal electrode is preferably a zinc (Zn) electrode.

한편 본 발명에 따른 2차전지용 공기전극의 제조방법은 백금(Pt) 로딩된 가스 확산 전극에 La(NO3)36H2O를 습식 주입하는 단계; 상기 란타늄(La)이 주입된 가스 확산 전극을 진공하에서 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 전극을 200-250 ℃에서 3시간 동안 대기조건하에서 건조시키는 단계를 포함한다. On the other hand, the method of manufacturing an air electrode for a secondary battery according to the present invention comprises the steps of wet injection of La (NO 3 ) 36H 2 O to the platinum (Pt) loaded gas diffusion electrode; Drying the lanthanum (La) -injected gas diffusion electrode under vacuum; And drying the dried electrode under atmospheric conditions at 200-250 ° C. for 3 hours.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.

실시예 1: 아연전극(애노드)의 제조Example 1 Preparation of Zinc Electrode (Anode)

82 중량% 시판되는 ZnO 분말(Umicore사 제조, 99.8%), 10 중량% Ketjen Black(KB)이 분산된 용액, 3 중량% Bi2O3(Daejung사 제조), 1 중량% Ca(OH)2 (Junsei사 제조) 및 4 중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)를 포함하는 혼합물을 다공성 Ni 폼(form) 지지체상에서 페이스트화하여 아연 전극을 제조했다. KB의 첨가는 기계적, 전기화학적 특성을 개선시키며, Ca(OH)2는 전극/전해질 경계면에서 칼슘 아연산염의 패시베이션 필름을 형성하여 아연의 용해도를 크게 감소시키기 때문에 형태 변화를 억제하고, 아연 전극의 수명을 연장시킨다. 아연산 칼슘의 형성은 여러 가지 장점이 있음에도 불구하고, 전도성이 낮아 전지 성능을 제한하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, Bi2O3를 전도성 첨가제로서 첨가했으며, 제조된 아연 전극을 70℃에서 건조하고, 0.3 mm 두께로 프레스 처리했다. 82 wt% commercially available ZnO powder (manufactured by Umicore, 99.8%), a solution in which 10 wt% Ketjen Black (KB) is dispersed, 3 wt% Bi 2 O 3 (made by Daejung), 1 wt% Ca (OH) 2 (Manufactured by Junsei Co., Ltd.) and 4% by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) was pasted on a porous Ni foam support to prepare a zinc electrode. The addition of KB improves the mechanical and electrochemical properties, and Ca (OH) 2 forms a passivation film of calcium zincate at the electrode / electrolyte interface, greatly reducing the solubility of zinc, thereby suppressing morphological changes and Extends life Although calcium zincate has many advantages, there is a problem of limiting battery performance due to low conductivity. To solve this problem, Bi 2 O 3 was added as a conductive additive, and the prepared zinc electrode was dried at 70 ° C. and pressed to a thickness of 0.3 mm.

실시예 2: 공기전극(캐소드)의 제조Example 2 Preparation of Air Electrode (cathode)

La(NO3)3·6H2O (Aldrich사 제조, 99.99%)를 전구체로 하고, 시판되는 Pt/C 가스 확산 전극(GDE, E-Tek HT-140E-W, Pt 로딩=0.5 mg/cm2, 두께=410㎛)을 사용하여 통상적인 습식 주입법을 이용하여 La 로딩을 변화시켜가며 La-Pt/C 공기전극을 제조했다. La 주입된 GDE를 진공하에서 건조시킨 후 200-250℃에서 3시간 동안 대기 조건하에서 가열했다. 이와 같이 제조된 공기전극의 La 조성은 3.43, 14.0 및 28.6 중량 %였다. Commercially available Pt / C gas diffusion electrode (GDE, E-Tek HT-140E-W, Pt loading = 0.5 mg / cm) using La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O (manufactured by Aldrich, 99.99%) as a precursor 2 , thickness = 410㎛) La-Pt / C air electrode was prepared by varying the La loading using a conventional wet injection method. The La injected GDE was dried under vacuum and then heated at atmospheric conditions at 200-250 ° C. for 3 hours. La composition of the air electrode thus prepared was 3.43, 14.0 and 28.6% by weight.

시험예: 충방전 특성 테스트Test Example: Charge / Discharge Characteristics Test

Cu 타겟이 장착된 Rigaku DMAX-Ⅲ and Bruker D8 Focus diffractometers를 사용하여 X선 회절분석(XRD)를 통해 샘플의 구조를 확인했다. 또한 FE-SEM-EDS( Hitachi S-4300 and Jeol JSM-7500F) 분석법을 통해 샘플의 모폴로지와 성분들의 분포를 조사했다. 그리고, 전기화학적 성능을 측정하기 위해, Zn 및 아연 전극, 전해질, 분리막과 같은 주요 구성요소를 조립하였으며, 아연전극과 공기전극은 상기 실시예에 따라 제조했다. The structure of the sample was confirmed by X-ray diffraction (XRD) using Rigaku DMAX-III and Bruker D8 Focus diffractometers equipped with Cu targets. In addition, the morphology and distribution of components in the sample were examined by FE-SEM-EDS (Hitachi S-4300 and Jeol JSM-7500F) analysis. And, in order to measure the electrochemical performance, the main components such as Zn and zinc electrodes, electrolytes, separators were assembled, zinc electrode and air electrode was prepared according to the above embodiment.

한편 전해질은 3.8 M KOH, 2.5 M NaOH, 및 1.2 M LiOH를 포함하는 수용액을 사용하여, 최대 이온전도성을 가지고, 아연 전극의 형태변화를 최소화시켰다. 또한 충방전 테스트는 WBCS 3000 instrument (한국 원아테크사 제조)를 이용하여 수행하였다. On the other hand, the electrolyte using the aqueous solution containing 3.8 M KOH, 2.5 M NaOH, and 1.2 M LiOH, has the maximum ion conductivity, to minimize the shape change of the zinc electrode. In addition, the charge and discharge test was performed using a WBCS 3000 instrument (manufactured by Won-A Tech Co., Ltd., Korea).

전지의 충전력을 테스트하기 위해, ZnO와 시판되는 일반 가스확산전극(GDE)을 가진 전지의 충/방전 사이클을 모니터링했다.(산소 발생 반응의 속도와 정도)To test the chargeability of the cell, the charge / discharge cycle of the cell with ZnO and a commercially available common gas diffusion electrode (GDE) was monitored (rate and extent of the oxygen evolution reaction).

도 1은 아연전극과 Pt가 로딩된 GDE 를 사용한 충방전 전압 결과를 보여주는 그래프이다(충전: 1.25 mA/cm2 및 방전: 0.25 mA/cm2). 도 1에서 보여지는 바와 같이, 초기의 충방전 과정은 비교적 정상적인 모습을 보여 주지만 이후 충방전은 의미 없는 결과를 보여준다. 다시 말해서, 충방전 특성은 매우 불안정했으며, 사이클의 횟수를 증가시킴에 따라 사이클링 성능은 가파르게 감소했고, 몇몇 사이클 후에, 전지는 2차전지로서의 역할을 수행할 수 없었다. 1 is a graph showing charge and discharge voltage results using a zinc electrode and Pt loaded GDE (charge: 1.25 mA / cm 2 and discharge: 0.25 mA / cm 2 ). As shown in Figure 1, the initial charging and discharging process shows a relatively normal state, but after the charge and discharge shows a meaningless result. In other words, the charge and discharge characteristics were very unstable, and as the number of cycles increased, the cycling performance decreased steeply, and after some cycles, the cell could not function as a secondary battery.

공기-아연 전지에서 충전과 방전시 캐소드에서 일어나는 반응은 촉매의 영향을 받는다. 본 발명과 같이 백금(Pt)을 산소 환원 촉매에 도입한 경우에는 방전과정 동안 산소 환원 반응이 상당히 진행되었다. 그러나 백금을 도입한 가스 확산 전극를 사용한 경우에도, 충전 과정 동안 산소 발생 반응은 일어나지 않았다. 즉 백금(Pt)은 산소 환원 반응에 대한 촉매로서, 첫 번째 사이클에서 정상적인 방전을 보여주지만, 충전시 산소 발생 반응에 대해서는 촉매적 활성이 없기 때문에 충전이 정상적으로 일어나지 않아 첫 번째 사이클을 제외하고는 비정상적인 모습을 보여준다. 따라서 본 발명에서는 산소 발생 촉매를 공기전극으로 첨가하였다. In air-zinc cells, the reaction at the cathode during charging and discharging is influenced by the catalyst. When platinum (Pt) was introduced into the oxygen reduction catalyst as in the present invention, the oxygen reduction reaction proceeded considerably during the discharge process. However, even when using a gas diffusion electrode in which platinum was introduced, no oxygen generation reaction occurred during the charging process. That is, platinum (Pt) is a catalyst for the oxygen reduction reaction, and shows a normal discharge in the first cycle, but since there is no catalytic activity for the oxygen generating reaction during charging, charging does not occur normally, except for the first cycle. Show you Therefore, in the present invention, the oxygen generating catalyst was added to the air electrode.

가역적인 충방전 과정에서, 공기전극으로 산소발생 및/또는 이중기능성 촉매를 부여할 필요가 있는데, 본 발명에서는 가역성을 증진시키기 위해서, 란타늄을 전극에 주입하고 관찰했다. 다시 말해서 란타늄을 함유하는 촉매를 산소 발생 및/또는 이기능성(산소 환원 및 발생 반응용) 촉매로서 사용했다. 예를 들어, 전이금속 산화물 촉매와 같이, La2O3는 비화학량론적(non-stoichiometry) 특성으로 인하여 산소의 발생과 환원 반응을 모두 허용하는 산화촉매로 사용된다. 또한 란타늄을 함유한 촉매의 촉매 활성은 defect sites 또는 비화학량론적 특성과 밀접한 관련이 있으며, 촉매상에서의 산소 이동은 그 활성을 증가시킬 수 있다. 촉매 활성과 defect 구조의 관계는 완전히 설명되지는 않지만 그 관련성은 일반적으로 받아들여지고 있다. In the reversible charging and discharging process, it is necessary to provide oxygen generation and / or bifunctional catalyst to the air electrode. In the present invention, in order to enhance reversibility, lanthanum was injected into the electrode and observed. In other words, a catalyst containing lanthanum was used as an oxygen generation and / or bifunctional (for oxygen reduction and generation reaction) catalyst. For example, like transition metal oxide catalysts, La 2 O 3 is used as an oxidation catalyst that allows both oxygen evolution and reduction due to its non-stoichiometry. In addition, the catalytic activity of lanthanum-containing catalysts is closely related to defect sites or nonstoichiometric properties, and oxygen transport on the catalyst can increase its activity. The relationship between catalyst activity and defect structure is not fully explained, but the relationship is generally accepted.

구체적으로 본 발명의 일실시예에서는 산소 환원과 발생 반응 양쪽에 촉매 활성을 나타내는 La(NO3)6H2O를 가스확산층(GDL: gas diffusion layer)에 주입시켜 공기전극을 제조한 후, 아연 전극과 조립하여 실험을 진행하였다. Specifically, in the embodiment of the present invention after preparing the air electrode by injecting a gas diffusion layer (GDL: La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O showing catalytic activity in both the oxygen reduction and generation reaction, The experiment was conducted by assembling with a zinc electrode.

도 2는 주입 방법에 의해 란타늄 계열의 촉매를 로딩한 공기전극의 SEM과 EDS 결과이다. 상기 EDS에서 볼 수 있는 것처럼 란타늄 촉매들이 전극 전체에 고르게 분포하는 것을 알 수 있다. Figure 2 is a SEM and EDS results of the air electrode loaded with a lanthanum-based catalyst by the injection method. As can be seen in the EDS it can be seen that the lanthanum catalysts are evenly distributed throughout the electrode.

도 2는 La의 조성이 14.0 wt.%로 제조된 공기전극의 모폴로지와 La 분포를 보여준다. 도 2(a)에 보여진 공기전극의 모폴로지는 단순 Pt/C GDE의 모폴로지와 비교했을 때 변화가 없었다. 도 2 (b)는 EDS로부터 얻어진 공기전극의 La 분포를 보여주며, 전체 공기전극에 균일하게 분포된 La를 보여준다. 란타늄이 포함된 공기전극의 상세한 모폴로지는 도 2 (c)에서 보여진다. 란타늄이 포함된 공기전극의 XRD 데이터(도면에 표시되지 않음)는 옥시질산 란타늄, 탄산란타늄 및 수산화란타늄 등의 부분적으로 산화되거나 분해된 란타늄과 질산란타늄의 혼합된 상태를 보여준다. Figure 2 shows the morphology and La distribution of the air electrode made of La composition 14.0 wt.%. The morphology of the air electrode shown in FIG. 2 (a) did not change as compared to the morphology of simple Pt / C GDE. Figure 2 (b) shows the La distribution of the air electrode obtained from the EDS, and shows the La uniformly distributed over the entire air electrode. The detailed morphology of the lanthanum-containing air electrode is shown in FIG. 2 (c). XRD data (not shown) of an air electrode containing lanthanum shows a mixed state of partially oxidized or decomposed lanthanum lanthanum nitrate, such as lanthanum oxynitrate, lanthanum carbonate and lanthanum hydroxide.

질산란타늄의 분해과정은 잔여 수증기압, 산화조건, 불활성조건, 환원 조건과 같은 주변 조건에 따라 달라진다. 또한 완전히 또는 부분적으로 산화된 란타늄이 통상 대기 중에서 H2O 및 CO2 와 반응한다는 것을 잘 알려져 있으며, 이는 탄산화물 및/또는 수산화물을 형성한다. 또한 이는 최종 생성물과 대기중의 기체 분자와의 반응에 기인하는 것 같다. 그러나 탄산화물과 수산화물의 형성은 공기전극의 제조과정 중 주요 생성물에서 배제될 수 없다. The decomposition of lanthanum nitrate is dependent on the ambient conditions such as residual water vapor pressure, oxidation conditions, inert conditions, and reducing conditions. It is also well known that fully or partially oxidized lanthanum usually reacts with H 2 O and CO 2 in the atmosphere, which forms carbonates and / or hydroxides. This is also likely due to the reaction of the final product with gas molecules in the atmosphere. However, the formation of carbonates and hydroxides cannot be ruled out as a major product during the manufacturing of air electrodes.

또한 도 3은 아연 전극과 란타늄계 촉매가 로딩된 공기전극을 사용한 전지의 충방전 결과로서, 도 1과 비교할 때 산소 환원 촉매로만 작용하는 백금과는 달리, 란타늄계 촉매가 산소 환원 및 산소 발생 반응 양쪽에 대해 활성을 갖기 때문에 정상적인 2차전지의 충방전 특성을 보여주고 있다. In addition, FIG. 3 is a result of charging and discharging a battery using a zinc electrode and an air electrode loaded with a lanthanum-based catalyst. Unlike platinum, which acts only as an oxygen reduction catalyst, the lanthanum-based catalyst reacts with oxygen reduction and oxygen generation as compared with FIG. 1. Since it has activity on both sides, it shows the charge and discharge characteristics of a normal secondary battery.

일정한 충전 조건에서, ZnO 및 14.0 wt.% La 로딩된 Pt/C 가스확산 전극을 갖는 전지의 사이클링 특성은 가역성 및 사이클링 안정성 평가를 위해 조사되었으며, 사이클링 안정성과 방전 용량은 도 3 및 도 4에 각각 나타나있으며, 가역성과 안정성이 증진되었음을 명확히 알 수 있다. At constant charging conditions, the cycling characteristics of the cells with ZnO and 14.0 wt.% La loaded Pt / C gas diffusion electrodes were investigated for reversibility and cycling stability evaluations, and cycling stability and discharge capacity were shown in FIGS. 3 and 4, respectively. It is clearly shown that reversibility and stability have been enhanced.

한편 43 wt.% La 로딩된 공기전극에서, 충방전 특성은 Pt/C 전극과 유사하게 나타났으며, La 로딩양이 증가할수록, 전지의 성능은 점진적으로 개선되었다. 몇 회의 10번째 사이클 후에는 공기전극 외부면에서 백색 분말의 형성이 관찰되었으며, Fourier transform IR spectroscopy에 의해 산화물로 판명되었다. 이는 전해질 중의 수산화이온과 대기중의 CO2 사이에 반응으로 인해 생성된 것으로 추정된다. 탄 산화물의 형성은 공기전극으로의 산소의 확산 속도와 경로를 변화시켜 화학종과 촉매의 반응을 일으키며, 산소 환원 반응의 속도가 감소되기 때문에 방전 용량이 사이클의 횟수가 증가함에 따라 감소하는 이유 중의 하나가 된다. On the other hand, in the 43 wt.% La loaded air electrode, the charge and discharge characteristics were similar to those of the Pt / C electrode. As the amount of La loading increased, the performance of the battery gradually improved. After a few tenth cycles, the formation of white powder on the outer surface of the air electrode was observed, which turned out to be oxide by Fourier transform IR spectroscopy. It is assumed that this was produced by the reaction between hydroxide ions in the electrolyte and CO 2 in the atmosphere. The formation of carbon oxides causes chemical species and catalyst reactions by changing the diffusion rate and path of oxygen to the air electrode, and the discharge capacity decreases as the number of cycles increases because the rate of oxygen reduction reaction decreases. Become one.

충방전 테스트 후에, 아연 전극의 모폴로지를 SEM에 의해 조사하였으며, 소량의 dendrite 와 형태변화가 관찰되었다. 비스무스 옥사이드와 수산화칼슘을 포함하는 첨가제를 아연 전극에 첨가하면 Zn dentrite의 형성과 형태 변화를 효과적으로 억제할 수 있다. After the charge and discharge test, the morphology of the zinc electrode was examined by SEM, and a small amount of dendrite and morphology change were observed. Addition of an additive containing bismuth oxide and calcium hydroxide to the zinc electrode can effectively inhibit the formation and morphology of Zn dentrite.

본 발명은 란타늄 로딩된 공기전극을 이용하여 재충전 가능한 아연-공기 전지 가역성을 보여주었다. 란타늄 로딩된 공기전극은 La(NO3)36H2O 전구체와 시판되는 Pt/C GDE를 사용하여 습윤주입방식으로 제조하였다. 이에 따라 재충전가능한 아연공기전지의 가역성과 안정성이 증진된다는 것을 보여주었다. 소량의 란타늄을 로딩할 경우에도 가역성은 불안정하지만, 전지의 성능은 란타늄 로딩량을 증가시킴에 따라 점차 증진되었다. 이는 재충전가능한 아연공기 전지가 차세대 이차전지의 하나가 될 수 있다는 가능성을 보여준다는 점에서 의미가 있다.The present invention demonstrated the reversibility of rechargeable zinc-air cells using lanthanum loaded air electrodes. The lanthanum-loaded air electrode was prepared by a wet injection method using La (NO 3 ) 3 6H 2 O precursor and commercially available Pt / C GDE. This has been shown to enhance the reversibility and stability of rechargeable zinc air batteries. Reversibility is unstable even when loading a small amount of lanthanum, but the performance of the cell gradually increased as the lanthanum loading increased. This is meaningful in that it shows the possibility that the rechargeable zinc air battery can be one of the next generation secondary batteries.

도 1은 아연 전극과 백금이 로딩된 가스 확산 전극(GDE: gas diffusion electrode)를 사용한 충방전 전압 그래프이다.1 is a graph of charge and discharge voltage using a gas diffusion electrode (GDE) loaded with a zinc electrode and platinum.

도 2는 질산 란타늄 촉매가 로딩된 공기전극의 (a) SEM 결과와 (b) 란타늄에 대한 EDS 결과를 보여주는 사진이고, 도 2 (c)는 보다 상세한 모폴로지를 보여준다.FIG. 2 is a photograph showing (a) SEM results and (b) EDS results for lanthanum of an air electrode loaded with a lanthanum nitrate catalyst, and FIG. 2 (c) shows a more detailed morphology.

도 3은 질산 란타늄 촉매를 이용한 공기-아연 2차전지의 충방전 전압 그래프이다. 3 is a charge and discharge voltage graph of an air-zinc secondary battery using a lanthanum nitrate catalyst.

도 4는 질산 란타늄 촉매를 이용한 공기-아연 2차전지의 방전 용량을 나타내는 그래프이다. 4 is a graph showing the discharge capacity of an air-zinc secondary battery using a lanthanum nitrate catalyst.

Claims (11)

백금(Pt)이 로딩된 가스 확산 전극에 산소의 환원 및 발생 반응 양쪽에 촉매로 작용하는 질산 란타늄이 도입된 것을 특징으로 하는 금속공기 2차전지용 공기전극.An air electrode for a secondary battery, characterized in that lanthanum nitrate, which acts as a catalyst, is introduced into a gas diffusion electrode loaded with platinum (Pt). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가스 확산 전극에 로딩된 백금의 양은 0.1 ~ 1.0 mg/cm2 인 것을 특징으로 하는 금속공기 2차전지용 공기전극.The amount of platinum loaded on the gas diffusion electrode is 0.1 ~ 1.0 mg / cm 2 Air electrode for a metal air secondary battery, characterized in that. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 가스 확산 전극의 두께는 400 ~ 500㎛인 것을 특징으로 하는 금속공기 2차전지용 공기전극.The thickness of the gas diffusion electrode is a metal air secondary battery air electrode, characterized in that 400 ~ 500㎛. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 가스 확산 전극에 주입된 란타늄의 양은 3 ~ 30 중량%인 것을 특징으로 하는 금속공기 2차전지용 공기전극.The amount of lanthanum injected into the gas diffusion electrode is an air electrode for a metal air secondary battery, characterized in that 3 to 30% by weight. Zn, Al, Mg, Fe, Li 으로 이루어진 군중에서 선택된 금속으로 이루어진 금속 전극과, 백금이 로딩된 가스 확산 전극에 질산 란타늄이 촉매로 첨가된 공기전극을 포함하는 금속공기 2차전지.A metal-air secondary battery comprising a metal electrode made of a metal selected from the group consisting of Zn, Al, Mg, Fe, and Li, and an air electrode in which lanthanum nitrate is added to a gas diffusion electrode loaded with platinum. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 금속 전극은 아연(Zn) 전극인 것을 특징으로 하는 금속공기 2차전지. The metal electrode is a metal air secondary battery, characterized in that the zinc (Zn) electrode. 백금(Pt) 로딩된 가스 확산 전극에 La(NO3)36H2O를 습식 주입하는 단계;Wet injecting La (NO 3 ) 36H 2 O into the platinum (Pt) loaded gas diffusion electrode; 상기 란타늄(La)이 주입된 가스 확산 전극을 진공하에서 건조시키는 단계; 및Drying the lanthanum (La) -injected gas diffusion electrode under vacuum; And 상기 건조된 전극을 200-250 ℃에서 3시간 동안 대기조건하에서 건조시키는 단계;를 포함하는 2차전지용 공기전극의 제조 방법.Drying the dried electrode under atmospheric conditions for 3 hours at 200-250 ℃; manufacturing method of a secondary electrode air electrode comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 금속 전극은 아연(Zn) 전극인 것을 특징으로 하는 2차전지용 공기전극의 제조 방법.The metal electrode is a zinc (Zn) electrode manufacturing method of a secondary battery air electrode, characterized in that. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 가스 확산 전극에 로딩된 백금의 양은 0.1 ~ 1.0 mg/cm2 인 것을 특징으로 하는 2차전지용 공기전극의 제조 방법.The amount of platinum loaded on the gas diffusion electrode is a method of manufacturing a secondary electrode air electrode, characterized in that 0.1 ~ 1.0 mg / cm 2 . 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 가스 확산 전극의 두께는 400 ~ 500㎛인 것을 특징으로 하는 2차전지용 공기전극의 제조 방법.The thickness of the gas diffusion electrode is a manufacturing method of the secondary electrode air electrode, characterized in that 400 ~ 500㎛. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 가스 확산 전극에 주입된 란타늄(La)의 양은 3 ~ 30 중량%인 것을 특징으로 하는 2차전지용 공기전극의 제조 방법.The amount of lanthanum (La) injected into the gas diffusion electrode is a method of manufacturing a secondary electrode air electrode, characterized in that 3 to 30% by weight.
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