KR20130033369A - Novel metal-organic frameworks as electrode material for lithium ion accumulators - Google Patents

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나탈리아 트루칸
울리히 뮬러
알렉산더 판첸코
이타마르 미첼 말코브스키
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은 리튬 이온 축전지에 적합하고 다공성 금속 유기 구조체를 포함하는 전극 재료에 관한 것으로, 여기서 구조체는 리튬 이온 및 임의로 하나 이상의 추가 금속 이온 및 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물을 포함하고, 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물은 퀴노이드(quinoid) 구조로 가역적으로 산화될 수 있는 디히드록시디카르복실산을 기초로 한다. 또한, 본 발명은 그러한 다공성 금속 유기 구조체, 이 구조체 용도, 및 또한 그러한 전극 재료를 포함하는 리튬 이온 축전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode material suitable for lithium ion accumulators and comprising a porous metal organic structure, wherein the structure comprises lithium ions and optionally at least one additional metal ion and at least one at least bidentate organic compound, at least one of at least two Site organic compounds are based on dihydroxydicarboxylic acids that can be reversibly oxidized into quinoid structures. The present invention also relates to such porous metal organic structures, uses of the structures, and also lithium ion accumulators comprising such electrode materials.

Description

리튬 이온 축전지용 전극 재료로서 신규한 금속 유기 구조체{NOVEL METAL-ORGANIC FRAMEWORKS AS ELECTRODE MATERIAL FOR LITHIUM ION ACCUMULATORS}Novel metal organic structure as electrode material for lithium ion storage battery {NOVEL METAL-ORGANIC FRAMEWORKS AS ELECTRODE MATERIAL FOR LITHIUM ION ACCUMULATORS}

본 발명은 리튬 이온 축전지(accumulator)에 적합하며 그리고 다공성 금속 유기 구조체(porous metal-organic framework)를 포함하는 전극 재료, 그 금속 유기 구조체 그 자체, 그 금속 유기 구조체의 용도, 및 또한 그 전극 재료를 포함하는 축전지에 관한 것이다. The present invention is suitable for lithium ion accumulators and includes an electrode material comprising a porous metal-organic framework, the metal organic structure itself, the use of the metal organic structure, and also the electrode material. It relates to a storage battery including.

리튬 이온 배터리 또는 리튬 이온 축전지는 고 에너지 밀도를 가지며 그리고 열적으로 안정하다. 본원에서는, 리튬이 사용될 때 그 리튬의 높은 음의 표준 전위 때문에 고 전지 전압이 얻어진다는 사실이 이용된다. Lithium ion batteries or lithium ion accumulators have a high energy density and are thermally stable. Here, the fact that when lithium is used high battery voltage is obtained because of its high negative standard potential.

그러나, 원소 리튬의 고 반응성은 특수 리튬 공급원 및 전해질의 제공을 필요로 한다.However, the high reactivity of elemental lithium requires the provision of special lithium sources and electrolytes.

비교적 최근 개발에서는, 리튬 이온을 포함하고 따라서 주로 리튬 이온 배터리 또는 축전지에 주로 적합한 다공성 유기 구조체가 기술되고 있다.In relatively recent developments, porous organic structures are described which contain lithium ions and are therefore mainly suitable for lithium ion batteries or accumulators.

따라서, 예를 들면 문헌[G. de Combarieu et al., Chem. Mater. 21(2009), 1602-1611]에는 리튬 이온 배터리에서 철 테레프탈레이트를 기초로 한 다공성 금속 유기 구조체의 전기화학적 안정성이 기술되어 있다.Thus, for example, G. de Combarieu et al., Chem. Mater. 21 (2009), 1602-1611, describe the electrochemical stability of porous metal organic structures based on iron terephthalate in lithium ion batteries.

문헌[G. Ferey et al., Angewandte Chemie 119(2007), 3323-3327]에는 가역적 산화환원 특성 및 수착 특성을 보유하는 추가의 Li/Fe 기초 금속 유기 구조체가 기술되어 있다. 여기서도 마찬가지로 테레프탈산이 금속 유기 구조체 내에서 유기 리간드로서 작용을 한다. G. Ferey et al., Angewandte Chemie 119 (2007), 3323-3327 describe additional Li / Fe based metal organic structures possessing reversible redox and sorption properties. Here too, terephthalic acid acts as an organic ligand in the metal organic structure.

리튬 이온 배터리에 대하여 선행 기술로부터 공지되어 있는 금속 유기 구조체를 기초로 한 전극 재료임에도 불구하고, 전극 재료로서 적합성에 관하여, 특히 전극 재료의 전기화학 용량(capacity)(매우 특히 질량을 기준으로 함)에 관하여 개선된 시스템에 대한 필요성이 여전히 존재한다.Despite being an electrode material based on metal organic structures known from the prior art for lithium ion batteries, in terms of their suitability as electrode material, in particular the electrochemical capacity of the electrode material (very particularly on a mass basis) There is still a need for an improved system.

그러므로, 본 발명의 목적은 그러한 전극 재료를 제공하는 것이다. 그 목적은 리튬 이온 축전지에 적합하며 그리고 다공성 금속 유기 구조체를 포함하는 전극 재료에 의해 달성되며, 여기서 상기 구조체는 리튬 이온 및 임의로 하나 이상의 추가 금속 이온 및 하나 이상의 적어도 2자리(didentate) 유기 화합물을 포함하고, 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물은 퀴노이드 구조(quinoid structure)로 가역적으로 산화될 수 있는 디히드록시디카르복실산을 기초로 한다. It is therefore an object of the present invention to provide such an electrode material. The object is achieved by an electrode material suitable for lithium ion accumulators and comprising a porous metal organic structure, wherein the structure comprises lithium ions and optionally one or more additional metal ions and one or more at least didentate organic compounds. And at least one bidentate organic compound is based on a dihydroxydicarboxylic acid which can be reversibly oxidized into a quinoid structure.

본 발명의 추가 양태는 본원에 설명되어 있는 바와 같이 다공성 금속 유기 구조체이다.A further aspect of the invention is a porous metal organic structure as described herein.

퀴노이드 구조 또는 이의 유도체로 가역적으로 산화될 수 있는 디히드록시디카르복실산의 사용은 리튬 이온 축전지에 특히 적합하며 그리고 우수한 용량/질량 값을 갖는 구조체를 제공 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다. The use of dihydroxydicarboxylic acids that can be reversibly oxidized to quinoid structures or derivatives thereof has been found to be particularly suitable for lithium ion accumulators and to provide structures with good capacity / mass values.

본 발명의 다공성 금속 유기 구조체는 첫째로 리튬 이온을 포함한다. 그 리튬 이온은 본원에서 탈양성자화된 히드록실 작용기에 부분적으로 결합, 특히 이온 결합될 수 있다. 리튬 이온은 또한 그 구조체의 골격을 구성하는 작용도 할 수 있다. 이러한 경우, 단지 리튬 이온만이 그 구조체 내에 존재하는 것이 충분하다. The porous metal organic structure of the present invention firstly comprises lithium ions. The lithium ions may be partially bonded, in particular ionic, to the deprotonated hydroxyl functional groups herein. Lithium ions can also function to constitute the skeleton of the structure. In this case, it is sufficient that only lithium ions are present in the structure.

게다가, 리튬을 제외한 하나 이상의 다른 금속 이온이 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 그 이온들은 금속 유기 구조체의 형성에 참여한다. 따라서, 예를 들면, 리튬 이온 이외에 추가 금속 이온이 존재할 수 있다. 마찬가지로, 2, 3, 4 또는 5 이상의 추가 금속 이온이 존재하는 것이 가능하다. 본원에서, 그 금속 이온들은 하나의 금속 또는 다양한 금속으로부터 유도될 수 있다. 2 이상의 금속이 하나의 동일 금속으로부터 유도되는 경우, 이들 금속은 상이한 산화 상태로 존재해야 한다. In addition, one or more other metal ions other than lithium may optionally be present. Thus, the ions participate in the formation of the metal organic structure. Thus, for example, additional metal ions may be present in addition to lithium ions. Likewise, it is possible for two, three, four or five or more additional metal ions to be present. Here, the metal ions can be derived from one metal or various metals. If two or more metals are derived from one and the same metal, these metals must be in different oxidation states.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 다공성 금속 유기 구조체는 리튬 이온 이외에는 추가의 금속 이온을 포함하지 않는다.In a preferred embodiment, the porous metal organic structure of the present invention does not contain additional metal ions other than lithium ions.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 다공성 금속 유기 구조체는 리튬 이외에도 하나 이상의 추가 금속 이온을 포함한다. 하나 이상의 추가 금속 이온은 금속 코발트, 철, 니켈, 구리, 망간, 크롬, 바나듐 및 티탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 코발트, 철, 니켈 및 구리가 보다 바람직하다. 코발트 및 구리가 훨씬 더 바람직하다.In alternative embodiments, the porous metal organic structures of the present invention comprise one or more additional metal ions in addition to lithium. The one or more additional metal ions are preferably selected from the group consisting of metal cobalt, iron, nickel, copper, manganese, chromium, vanadium and titanium. Cobalt, iron, nickel and copper are more preferred. Cobalt and copper are even more preferred.

하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물은 본 발명의 다공성 금속 유기 구조체를 형성하는데 필요하다. 그러므로, 하나의 적어도 2자리 리간드 유기 화합물 또는 복수의 상이한 2자리 유기 화합물 중 어느 한쪽이 존재하는 것이 가능하다. 2, 3, 4 또는 5 이상의 적어도 2자리 유기 화합물이 본 발명의 구조체 내에 존재할 수 있다.One or more at least bidentate organic compounds are required to form the porous metal organic structure of the present invention. Therefore, it is possible that either at least one bidentate ligand organic compound or a plurality of different bidentate organic compounds is present. At least 2, 3, 4 or 5 or more bidentate organic compounds may be present in the structures of the present invention.

하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물은 퀴노이드 구조로 가역적으로 산화될 수 있는 디히드록시디카르복실산을 기초로 한다.One or more at least bidentate organic compounds are based on dihydroxydicarboxylic acids that can be reversibly oxidized to a quinoid structure.

이에 관련하여, "퀴노이드"는 특히 2개의 히드록실기가 옥소기로 산화될 수 있다는 것을 의미한다. "가역적으로"는 특히 환원 후 그 산화가 다시 수행될 수 있다는 것을 의미한다.In this regard, "quinoid" means in particular that two hydroxyl groups can be oxidized to an oxo group. "Reversibly" especially means that the oxidation can be carried out again after reduction.

본 발명의 목적상, 용어 "유도된(되는)"는 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물이 카르복시 작용기에 대하여 일부 또는 전부 탈양성자화된 형태로 존재한다는 것을 의미한다. 더구나, 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물은 또한 그의 히드록시기에 대하여 환원된 상태로 적어도 일부 탈양성자화되어 리튬 이온을, 보통 이온 결합을 통해 결합하는 것이 바람직하다. 더구나, 용어 "유도된(되는)"은 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물이 추가의 치환기를 보유할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 하나 이상의 독립적인 치환기, 예컨대 아미노, 메톡시, 할로겐 또는 메틸 기가 카르복실 작용기 이외에도 존재할 수 있다. 추가 치환기가 존재하지 않거나, 단지 F 치환기만이 존재하는 것이 바람직하다. 본 발명의 목적상, 용어 "유도된(되는)"는 또한 카르복실 작용기가 황 유사체로서 존재할 수 있다는 것을 의미한다. 황 유사체는 -C(=O)SH 및 이의 호변이성질체 및 -C(S)SH이다. 황 유사체가 존재하는 하지 않은 것이 바람직하다.For the purposes of the present invention, the term "derived" means that one or more at least bidentate organic compounds are present in some or all deprotonated form relative to the carboxyl functional groups. Moreover, it is preferable that at least one at least bidentate organic compound is also at least partially deprotonated in a reduced state with respect to its hydroxy group to bind lithium ions, usually via ionic bonding. Moreover, the term "derived" means that one or more at least bidentate organic compounds may bear additional substituents. Thus, one or more independent substituents such as amino, methoxy, halogen or methyl groups may be present in addition to the carboxyl functional groups. It is preferred that there are no further substituents or only F substituents. For the purposes of the present invention, the term "derived" also means that carboxyl functional groups may exist as sulfur analogues. Sulfur analogs are -C (= 0) SH and its tautomers and -C (S) SH. It is preferred that no sulfur analogue is present.

이러한 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물 이외에도, 금속 유기 구조체는 또한 하나 이상의 1자리(monodentate) 리간드를 포함할 수 있다.In addition to these one or more at least bidentate organic compounds, the metal organic structure may also comprise one or more monodentate ligands.

하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물은 퀴노이드 시스템을 형성할 수 있는 모체 분자를 보유해야 한다. 이는 특히 옥소 기와 컨쥬게이트화된 이중 결합 시스템을 갖는 모체 분자에 의해, 특히 C-C 이중결합의 존재에 의해 달성된다. 그러한 모체 분자는 당업자에게 공지되어 있다. 그 예로는 벤젠, 나프탈렌, 펜안트렌 또는 유사 모체 분자가 있다. 따라서, 이들은 적어도 히드록시/히드록사이드 기 및 카르복시/카르복실레이트 기를 보유한다.At least one bidentate organic compound should have a parent molecule capable of forming a quinoid system. This is particularly achieved by the parent molecule having a double bond system conjugated with an oxo group, in particular by the presence of C-C double bonds. Such parent molecules are known to those skilled in the art. Examples are benzene, naphthalene, phenanthrene or similar parent molecules. Thus, they carry at least hydroxy / hydroxyl groups and carboxy / carboxylate groups.

바람직한 실시양태에서, 디히드록시디카르복실산은 디히드록시벤젠디카르복실산, 특히 2,5-디히드록시테레프탈산이다,In a preferred embodiment, the dihydroxydicarboxylic acid is dihydroxybenzenedicarboxylic acid, in particular 2,5-dihydroxyterephthalic acid,

본 발명의 다공성 금속 유기 구조체는 원칙적으로 종래 기술로부터 공지되어 있는 비교가능한 금속 유기 구조체와 동일한 방식으로 제조될 수 있다. 특히, 본원에서는 WO-A 2010/012715에 기술되어 있는 바와 같이 리튬계 금속 유기 구조체가 언급될 수 있다.The porous metal organic structures of the present invention can in principle be produced in the same way as comparable metal organic structures known from the prior art. In particular, mention may be made of lithium-based metal organic structures as described in WO-A 2010/012715.

도핑되거나 함침된 금속 유기 구조체의 제조는, 예를 들면 EP-B 1 785 428 및 EP-A 1 070 538에 기술되어 있다. 예를 들어, US 5,648,508에 기술되어 있는 바와 같이, 다공성 금속 유기 구조체(MOF)를 제조하는 통상적인 방법과는 별도로, 그 구조체는 또한 전기화학적 방법에 의해 제조될 수 있다. 이러한 방법에 의해 제조되는 금속 유기 구조체는 매우 우수한 특성들을 보유하게 된다.The preparation of doped or impregnated metal organic structures is described, for example, in EP-B 1 785 428 and EP-A 1 070 538. As described, for example, in US Pat. No. 5,648,508, apart from conventional methods of making porous metal organic structures (MOF), the structures can also be produced by electrochemical methods. The metal organic structures produced by this method possess very good properties.

본 발명의 추가 양태는 본 발명의 전극 재료를 포함하는 축전지이다. A further aspect of the invention is a storage battery comprising the electrode material of the invention.

본 발명에 따른 축전지의 제조는 원칙적으로 리튬 이온 축전지 또는 리튬 이온 배터리의 제조를 위한 종래 기술로부터 공지되어 있다. 본원에서는 예를 들면 DE-A 199 16 043을 참조할 수 있다. 축전지 또는 배터리에 대한 구조적 원리가 동일하기 때문에, 이 점에서 이후에는 단순성의 이익을 도모하여 리튬 이온 배터리 또는 배터리라고 언급될 수 있다.The production of accumulators according to the invention is known in principle from the prior art for the production of lithium ion accumulators or lithium ion batteries. See, for example, DE-A 199 16 043. Since the structural principles for the storage battery or battery are the same, it can be referred to later as a lithium ion battery or battery for the sake of simplicity.

리튬 이온의 가역적 저장에 적합한 전극 재료는 보통 결합제에 의해 전력 아웃렛(outlet) 전극에 고정되어 있다.Electrode materials suitable for the reversible storage of lithium ions are usually fixed to the power outlet electrodes by a binder.

전지의 충전에서, 전자는 외부 전압 공급원을 통해 흐르고, 리튬 양이온은 전해질을 통해 애노드 재료로 흐른다. 전지가 사용될 때, 리튬 양이온은 전해질을 통해 흐르고, 반면에 전자는 애노드 재료에서 캐소드 재료로 로드를 통해 흐른다. In charging the cell, electrons flow through an external voltage source and lithium cations flow through the electrolyte to the anode material. When a cell is used, lithium cations flow through the electrolyte, while electrons flow through the rod from the anode material to the cathode material.

전기화학 전지 내에서 단락(short circuit)을 피하기 위해서, 양이온이 그럼에도 불구하고 통과할 수 있는 전기적 절연 층은 2개의 전극 사이에 존재한다. 이는 고체 전해질 또는 통상적인 세퍼레이터일 수 있다.To avoid short circuits in the electrochemical cell, an electrically insulating layer through which cations can nevertheless pass is present between the two electrodes. It may be a solid electrolyte or a conventional separator.

많은 전기화학 전지의 제조에서, 예를 들면 라운드 전지 형태의 리튬 이온 배터리의 경우에서, 필요한 배터리 호일/필름, 즉 캐소드 호일, 애노드 호일, 및 세퍼레이터 호일은 롤링 장치에 의해 조합되어 배터리 롤을 형성하게 된다. 통상적인 리튬 이온 배터리의 경우, 캐소드 호일 및 애노드 호일은 예를 들면 알루미늄 또는 구리 호일의 형태로 전력 아웃렛 전극에 접속되어 있다. 그러한 금속 호일은 충분한 기계적 안정성을 보장한다.In the manufacture of many electrochemical cells, for example in the case of lithium ion batteries in the form of round cells, the necessary battery foils / films, namely cathode foils, anode foils, and separator foils, are combined by a rolling device to form a battery roll. do. In a conventional lithium ion battery, the cathode foil and the anode foil are connected to the power outlet electrode in the form of, for example, aluminum or copper foil. Such metal foils ensure sufficient mechanical stability.

다른 한편으로는, 세퍼레이터 필름은 자체적으로 기계적 응력을 견디어 내야 하는데, 응력은, 예를 들면 사용되는 두께의 폴리올레핀을 기초로 한 통상적인 세퍼레이터 필름의 경우, 문제를 나타내지 않는다.On the other hand, the separator film must withstand mechanical stress on its own, which stress does not pose a problem, for example in the case of conventional separator films based on polyolefins of the thickness used.

또한, 본 발명은 리튬 이온 축전지용 전극 재료에서의 본 발명에 따른 다공성 금속 유기 구조체의 용도를 제공한다.The invention also provides the use of the porous metal organic structure according to the invention in electrode materials for lithium ion accumulators.

본 발명의 전극 재료는 축전지에 사용하기에 특히 적합하다. 그 전극 재료는 기본적으로 전기화학 전지에 사용될 수 있다.The electrode material of the present invention is particularly suitable for use in storage batteries. The electrode material can basically be used in electrochemical cells.

그러므로, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 전극 재료를 포함하는 전기화학 전지를 제공하고, 또한 전기화학 전지용 전극 재료에서의 본 발명에 따른 다공성 금속 유기 구조체의 용도를 제공한다.The invention therefore also provides an electrochemical cell comprising the electrode material according to the invention and also provides the use of the porous metal organic structure according to the invention in an electrode material for an electrochemical cell.

도면은 설명하면 다음과 같다.The drawings are as follows.

도 1은 Li-2,5-디히드록시테레프탈산 MOF의 XRD 분석을 도시한 것이다. 여기에는, 도 3 내지 도 5에서와 같이, 강도 I(Lin(계수))가 2세타 척도(2θ)의 함수로서 도시되어 있다. 1 shows the XRD analysis of Li-2,5-dihydroxyterephthalic acid MOF. Here, as in FIGS. 3 to 5, the intensity I (Lin (coefficient)) is shown as a function of the 2 theta scale 2θ.

도 2는 Li-2,5-디히드록시테레프탈산 MOF의 SEM 분석을 도시한 것이다.2 shows SEM analysis of Li-2,5-dihydroxyterephthalic acid MOF.

도 3은 Li-Co-2,5-디히드록시테레프탈산 MOF의 XRD 분석을 도시한 것이다.3 shows the XRD analysis of Li-Co-2,5-dihydroxyterephthalic acid MOF.

도 4는 Co-2,5-히드록시테레프탈산 MOF의 XRD 분석을 도시한 것이다.4 shows the XRD analysis of Co-2,5-hydroxyterephthalic acid MOF.

도 5은 Cu-2,5-디히드록시테레프탈산 MOF의 XRD 분석을 도시한 것이다.5 shows the XRD analysis of Cu-2,5-dihydroxyterephthalic acid MOF.

도 6은 Cu-2,5-디히드록시테레프탈산 MOF의 SEM 분석을 도시한 것이다.6 shows SEM analysis of Cu-2,5-dihydroxyterephthalic acid MOF.

실시예Example

실시예Example 1:  One: LiLi -2,5--2,5- 디히드록시테레프탈산Dihydroxyterephthalic acid MOFMOF 의 합성Synthesis of

실험 방법Experimental Method

출발 물질 Mol 계산치 실험치Starting material Mol calculated

1) 2,5-디히드록시테레프탈산 151.5 mmol 30.0 g 30.0 g1) 2,5-dihydroxyterephthalic acid 151.5 mmol 30.0 g 30.0 g

2) 수산화리튬 606.0 mmol 14.3 g 14.3 g2) lithium hydroxide 606.0 mmol 14.3 g 14.3 g

3) DMF 8.17 mol 600.0 g 600.0 g3) DMF 8.17 mol 600.0 g 600.0 g

4) 물 11.6 mol 210.0 g 210.0 g4) Water 11.6 mol 210.0 g 210.0 g

유리 비이커에서, 2,5-디히드록시테레프탈산을 DMF 중에 용해시켰다. 제2 유리 비이커에서, 수산화리튬을 수 중에 용해시켰다. 이 용액을 제1 황색 용액에 적가하였다. 첨가 종료 직전에, 그 용액은 혼탁해졌고, 녹색 현탁액으로 변하였다. 이것을 한 시간 후에 여과하고, 고체를 각 회당 100 ml의 DMF로 하여 4회 세척하였다. 필터 케이크를 감압 하에 실온에서 밤새 동안 건조시켰다.In a glass beaker, 2,5-dihydroxyterephthalic acid was dissolved in DMF. In a second glass beaker, lithium hydroxide was dissolved in water. This solution was added dropwise to the first yellow solution. Immediately before the end of the addition, the solution became cloudy and turned to a green suspension. This was filtered after an hour and the solid washed four times with 100 ml of DMF each time. The filter cake was dried overnight at room temperature under reduced pressure.

생성물 중량: 35.9 gProduct weight: 35.9 g

색상: 황색을 띤 녹색Color: Yellowish Green

고체 농도: 4.2%Solids concentration: 4.2%

Li에 기초한 수율: 77.9%Yield based on Li: 77.9%

분석: Analyze :

Langmuir SA(130℃에서 예비활성화(preactivation)):13 m2/g(BET: 9 m2/g)Langmuir SA (preactivation at 130 ° C.): 13 m 2 / g (BET: 9 m 2 / g)

화학 분석: Chemical analysis :

탄소 42.1 g/100 g42.1 g / 100 g of carbon

산소 41.1 g/100 gOxygen 41.1 g / 100 g

질소 4.7 g/100 gNitrogen 4.7 g / 100 g

Li 9.0 g/100 gLi 9.0 g / 100 g

실시예Example 2:  2: CoCo -2,5--2,5- 디히드록시테레프탈산Dihydroxyterephthalic acid MOFMOF (( CoCo -- DHBDCDHBDC -- MOFMOF )의 )of LiLi 도핑 Doping

실험 방법Experimental Method

출발 물질 Mol 계산치 실험치Starting material Mol calculated

1) Co-DHBDC MOF 5.0 g 5.0 g1) Co-DHBDC MOF 5.0 g 5.0 g

2) 수산화리튬 25 mmol 0.6 g 0.6 g2) Lithium hydroxide 25 mmol 0.6 g 0.6 g

3) DMF 1.09 mol 80.0 g 80.0 g3) DMF 1.09 mol 80.0 g 80.0 g

4) 물 0.5 mol 9.0 g 9.0 g4) 0.5 mol 9.0 g 9.0 g water

유리 비이커에서, Co-2,5-디히드록시테레프탈산 MOF(2a 참조)을 DMF 중에 현탁시켰다. 제2 유리 비이커에서, 수산화리튬을 수 중에 용해시켰다. 이 용액을 제1 적색 현탁액에 적가하였다. 그 현탁액은 약간 어두운 적색으로 변하였다. 2 시간 후, 현탁액을 여과하고, 고체를 각 회당 100 ml의 DMF로 하여 4회 세척하였다. 필터 케이크를 감압 하에 실온에서 밤새 동안 건조시키고, 이어서 130℃에서 16 시간 동안 감압 하에 건조시켰다. In a glass beaker, Co-2,5-dihydroxyterephthalic acid MOF (see 2a) was suspended in DMF. In a second glass beaker, lithium hydroxide was dissolved in water. This solution was added dropwise to the first red suspension. The suspension turned slightly dark red. After 2 hours, the suspension was filtered and the solid washed four times with 100 ml of DMF each time. The filter cake was dried overnight at room temperature under reduced pressure and then at 130 ° C. for 16 hours under reduced pressure.

생성물 중량: 5.5 gProduct weight: 5.5 g

색상: 갈색을 띤 녹색Color: brownish green

고체 농도: 5.8%Solids concentration: 5.8%

Li에 기초한 수율: 88%Yield based on Li: 88%

분석: Analyze :

Langmuir SA(130℃에서 예비활성화):169 m2/g(BET: 125 m2/g)Langmuir SA (pre-activated at 130 ° C): 169 m 2 / g (BET: 125 m 2 / g)

화학 분석: Chemical analysis :

탄소 32.0 g/100 g32.0 g / 100 g of carbon

산소 37.4 g/100 gOxygen 37.4 g / 100 g

질소 5.1 g/100 gNitrogen 5.1 g / 100 g

Co 21.1 g/100 gCo 21.1 g / 100 g

Li 9.0 g/100 gLi 9.0 g / 100 g

실시예Example 2a:  2a: CoCo -2,5--2,5- 디히드록시테레프탈산Dihydroxyterephthalic acid MOFMOF 의 합성Synthesis of

출발 물질: Starting material :

1) 64.85 g, Co(NO3)2 × 6 H2O1) 64.85 g, Co (NO 3 ) 2 × 6 H 2 O

2) 33.25 g, 2,5-디히드록시테레프탈산2) 33.25 g, 2,5-dihydroxyterephthalic acid

용매: Solvent :

1) 3500 ml(3325 g), DMF1) 3500 ml (3325 g), DMF

2) 175 ml, H2O2) 175 ml, H 2 O

실험 방법: Experiment method :

a) 합성: 2,5-디히드록시테레프탈산 및 질산코발트를 4 L 플라스크에서 용해시키고, 100℃로 1.5 시간에 걸쳐 가열하고, 100℃에서 N2 하에 8 시간 동안 교반하였다. a) Synthesis: 2,5-dihydroxyterephthalic acid and cobalt nitrate were dissolved in a 4 L flask, heated to 100 ° C. over 1.5 hours and stirred at 100 ° C. under N 2 for 8 hours.

b) 후처리: N2 하에 실온에서 여과하고, DMF 1000 ml/MeOH 2000 ml로 세척하고, 여과액을 반으로 나누고, 각각의 경우 MeOH 600 ml로 밤새 동안(16 시간) 추출하였다. b) Post-treatment: filtered at room temperature under N 2 , washed with 1000 ml of DMF 1000 ml / MeOH, split the filtrate in half and in each case extracted with 600 ml of MeOH overnight (16 h).

c) 건조: 감압 하에 실온에서 주말 동안에 걸쳐 수행하였다.c) Drying: carried out over the weekend at room temperature under reduced pressure.

색상: 오렌지색Color: Orange

수율: 47.2 gYield: 47.2 g

고체 농도: 1.31%Solids concentration: 1.31%

Co에 기초한 수율: 92.0%Yield based on Co: 92.0%

분석: Analyze :

Langmuir SA(130℃에서 예비활성화):1311 m2/g(BET: 961 m2/g)Langmuir SA (pre-activated at 130 ° C.): 1311 m 2 / g (BET: 961 m 2 / g)

화학 분석: Chemical analysis :

탄소 30.8 g/100 g30.8 g / 100 g of carbon

Co 25.5 g/100 gCo 25.5 g / 100 g

실시예Example 3:  3: CuCu -2,5--2,5- 디히드록시테레프탈산Dihydroxyterephthalic acid MOFMOF (( CuCu -- DHBDCDHBDC MOFMOF )의 )of LiLi 도핑 Doping

출발 물질 Mol 계산치 실험치Starting material Mol calculated

5) Cu-DHBDC MOF 5.0 g 5.0 g5) Cu-DHBDC MOF 5.0 g 5.0 g

6) 수산화리튬 80.8 mmol 0.6 g 0.6 g6) Lithium hydroxide 80.8 mmol 0.6 g 0.6 g

7) DMF 1.09 mol 80.0 g 80.0 g7) DMF 1.09 mol 80.0 g 80.0 g

8) 물 0.5 mol 9.0 g 9.0 g8) water 0.5 mol 9.0 g 9.0 g

유리 비이커에서, Cu-2,5-디히드록시테레프탈산 MOF(3a 참조)을 DMF 중에 현탁시켰다. 제2 유리 비이커에서, 수산화리튬을 수 중에 용해시켰다. 이 용액을 제1 현탁액에 적가하였다. 2 시간 후, 현탁액을 여과하고, 고체를 각 회당 100 ml의 DMF로 하여 4회 세척하였다. 필터 케이크를 감압 하에 실온에서 밤새 건조시키고, 이어서 130℃에서 감압 하에 16 시간 동안 건조시켰다.In a glass beaker, Cu-2,5-dihydroxyterephthalic acid MOF (see 3a) was suspended in DMF. In a second glass beaker, lithium hydroxide was dissolved in water. This solution was added dropwise to the first suspension. After 2 hours, the suspension was filtered and the solid washed four times with 100 ml of DMF each time. The filter cake was dried overnight at room temperature under reduced pressure and then for 16 hours at 130 ° C. under reduced pressure.

생성물 중량: 5.5 gProduct weight: 5.5 g

색상: 갈색Color: brown

고체 농도: 5.8 중량%Solids concentration: 5.8 wt%

분석: Analyze :

Langmuir SA(200℃에서 예비활성화):577 m2/g(BET: 430 m2/g)Langmuir SA (pre-activated at 200 ° C): 577 m 2 / g (BET: 430 m 2 / g)

화학 분석: Chemical analysis :

Cu 33.0 g/100 gCu 33.0 g / 100 g

Li 3.7 g/100 gLi 3.7 g / 100 g

실시예Example 3a:  3a: CuCu -2,5--2,5- 디히드록시테레프탈산Dihydroxyterephthalic acid MOFMOF 의 합성Synthesis of

출발 물질: Starting material :

2 × 34.2 g, Cu(NO3)2 × 3 H2O = 2 × 141.6 mmol2 × 34.2 g, Cu (NO 3 ) 2 × 3 H 2 O = 2 × 141.6 mmol

M = 241.6 g/mol           M = 241.6 g / mol

2 × 13.3 g, 2,5-디히드록시테레프탈산 = 2 × 67.13 mmol2 x 13.3 g, 2,5-dihydroxyterephthalic acid = 2 x 67.13 mmol

M = 198.13 g/mol               M = 198.13 g / mol

용매: Solvent :

2 × 700 ml, DMF, 밀도: 0.95 g/ml = 1300 g2 × 700 ml, DMF, Density: 0.95 g / ml = 1300 g

2 × 35 ml, H2O2 × 35 ml, H 2 O

실험 방법: 2 × 2 L 뱃치(batch) Experimental method : 2 × 2 L batch

합성: 2,5-디히드록시테레프탈산 및 질산구리를 2 × 2L 플라스크에서 용해시키고, 100℃로 1.5 시간 동안에 걸쳐 가열하고, 100℃에서 8 시간 동안 교반하였다. Synthesis: 2,5-dihydroxyterephthalic acid and copper nitrate were dissolved in a 2 × 2 L flask, heated to 100 ° C. over 1.5 hours and stirred at 100 ° C. for 8 hours.

후처리: N2 하에 실온에서 여과하고, 2 × 250 ml DMF/4×250 ml MeOH로 세척하고, 잔류물을 330 ml MeOH로 밤새 동안(16 시간 동안) 추출하였다.Work up: filtered at room temperature under N 2 , wash with 2 × 250 ml DMF / 4 × 250 ml MeOH and extract the residue with 330 ml MeOH overnight (16 h).

건조: 감압 하에 실온에서 48 시간 동안 실시하였다.Drying: carried out for 48 hours at room temperature under reduced pressure.

활성화: 감압 하에 130℃에서 16 시간 동안 실시하였다.Activation: carried out at 130 ° C. for 16 hours under reduced pressure.

색상: 적색을 띤 갈색Color: reddish brown

수율: 40.7 gYield: 40.7 g

고체 농도: 2.8%Solids concentration: 2.8%

금속 분석: Cu:39%Metal Analysis: Cu: 39%

분석: Analyze :

Langmuir SA(130℃에서 예비활성화):1183 m2/g(BET: 879 m2/g)Langmuir SA (pre-activated at 130 ° C): 1183 m 2 / g (BET: 879 m 2 / g)

화학 분석: Chemical analysis :

탄소 26.3 g/100 g26.3 g / 100 g of carbon

Cu 39 g/100 gCu 39 g / 100 g

전기화학적 특성화Electrochemical Characterization

MOF 1.5 g, 수퍼 P 0.75 g(전도성 카본 블랙 첨가제, Timcal), KS 0.12 g(전도성 흑연 첨가제, Timcal), PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드) 0.75 g을 함께 NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 50 ml 중에 혼합하고, 10 시간 동안 교반하였다. NMP (N-methyl-2-pyrroli) with 1.5 g MOF, 0.75 g Super P (conductive carbon black additive, Timcal), 0.12 g KS (conductive graphite additive, Timcal), 0.75 g PVDF (polyvinylidene fluoride) Don) was mixed in 50 ml and stirred for 10 hours.

분산액을 Al 호일에 닥터 블레이드에 의해 도포하고, 120℃에서 감압 하에 10 시간 동안 건조시켰다. The dispersion was applied to the Al foil by a doctor blade and dried at 120 ° C. under reduced pressure for 10 hours.

본 발명에 따른 전기화학 전지의 시험Test of Electrochemical Cells According to the Invention

복합재를 전기화학적으로 특성화하기 위해서, 전기화학 전지를 구성하였다. 애노드: 50 ㎛ 두께의 Li 호일; 세퍼레이터: Freundenberg 2190(Freundenberg); 캐소드: 상기 기술된 바와 같은 MOF를 지닌 Al 호일; 전해질: 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6) 1 mol/L을 지닌 EC(에틸렌 카르보네이트)/DEC(디에틸 카르보네이트) 3:7 부피%.In order to characterize the composite electrochemically, electrochemical cells were constructed. Anode: 50 μm thick Li foil; Separator: Freundenberg 2190 (Freundenberg); Cathode: Al foil with MOF as described above; Electrolyte: EC (ethylene carbonate) / DEC (diethyl carbonate) 3: 7% by volume with 1 mol / L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ).

전지의 충전 및 방전은 0.02 mA의 전류에서 수행하였다. 그 결과를 하기 표 1에 요약 기재하였다. Charging and discharging of the cells were performed at a current of 0.02 mA. The results are summarized in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

MOF 물질 전위 영역, V 용량, mAh/g, MOFMOF material potential region, V capacity, mAh / g, MOF

실시예 1 1.5-4.8 240Example 1 1.5-4.8 240

실시예 2 1.5-4.8 175Example 2 1.5-4.8 175

실시예 3 1.5-4.8 260Example 3 1.5-4.8 260

Claims (10)

리튬 이온 축전지(accumulator)에 적합하고 다공성 금속 유기 구조체(porous metal-organic framework)를 포함하는 전극 재료로서, 구조체는 리튬 이온 및 임의로 하나 이상의 추가 금속 이온 및 하나 이상의 적어도 2자리(bidentate) 유기 화합물을 포함하고, 하나 이상의 적어도 2자리 유기 화합물은 퀴노이드(quinoid) 구조로 가역적으로 산화될 수 있는 디히드록시디카르복실산을 기초로 하는 것인 전극 재료.An electrode material suitable for a lithium ion accumulator and comprising a porous metal-organic framework, the structure comprising lithium ions and optionally one or more additional metal ions and one or more at least bidentate organic compounds Wherein the at least one bidentate organic compound is based on a dihydroxydicarboxylic acid that can be reversibly oxidized into a quinoid structure. 제1항에 있어서, 하나 이상의 추가 금속 이온을 포함하는 전극 재료.The electrode material of claim 1 comprising one or more additional metal ions. 제2항에 있어서, 하나 이상의 추가 금속 이온은 금속 코발트, 철, 니켈, 구리, 망간, 크롬, 바나듐 및 티탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 전극 재료.The electrode material of claim 2, wherein the one or more additional metal ions are selected from the group consisting of metal cobalt, iron, nickel, copper, manganese, chromium, vanadium and titanium. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 디히드록시디카르복실산이 디히드록시벤젠디카르복실산인 전극 재료.The electrode material according to any one of claims 1 to 3, wherein the dihydroxydicarboxylic acid is dihydroxybenzenedicarboxylic acid. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 디히드록시디카르복실산이 2,5-디히드록시테레프탈산인 전극 재료.The electrode material according to any one of claims 1 to 4, wherein the dihydroxydicarboxylic acid is 2,5-dihydroxyterephthalic acid. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 기술된 다공성 금속 유기 구조체.The porous metal organic structure according to any one of claims 1 to 5. 리튬 이온 축전지용 전극 재료에서의, 제6항에 따른 다공성 금속 유기 구조체의 용도.Use of the porous metal organic structure according to claim 6 in electrode materials for lithium ion accumulators. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 전극 재료를 포함하는 축전지.A storage battery comprising the electrode material according to any one of claims 1 to 5. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 전극 재료를 포함하는 전기화학 전지.An electrochemical cell comprising the electrode material according to any one of claims 1 to 5. 전기화학 전지용 전극 재료에서의, 제6항에 따른 다공성 금속 유기 구조체의 용도.Use of the porous metal organic structure according to claim 6 in electrode materials for electrochemical cells.
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