KR20160058274A - Binder comprising polymer formed by branching of block copolymer comprising poly(propylene oxide) block and poly(ethylene oxide) block - Google Patents

Binder comprising polymer formed by branching of block copolymer comprising poly(propylene oxide) block and poly(ethylene oxide) block Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a binder; an electrode comprising the binder and an electrode active material; and a secondary cell and a supercapacitor, which are provided with the electrode. The binder contains a first polymer formed by branching unit blocks comprising at least one poly(propylene oxide) (PPO) block and at least one poly(ethylene oxide) (PEO) block, wherein the first polymer is formed by binding the unit blocks provided with a functional group having ends capable of being branched, the unit block being a linear block copolymer or being obtained by substituting 1,2-diaminoethane derivatives with two or more linear block copolymers.

Description

폴리프로필렌옥사이드 블록 및 폴리에틸렌옥사이드 블록을 포함하는 블록 공중합체가 가지결합하여 형성된 고분자를 함유하는 바인더{Binder comprising polymer formed by branching of block copolymer comprising poly(propylene oxide) block and poly(ethylene oxide) block}[0001] The present invention relates to a binder containing a polymer formed by linking together a block copolymer comprising a polypropylene oxide block and a polyethylene oxide block,

본 발명은 폴리프로필렌옥사이드(poly(propylene oxide); PPO) 블록 및 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide); PEO) 블록을 각각 하나 이상 포함하는 단위블록이 가지결합하여 형성된 제1고분자를 함유하는 바인더로서, 상기 제1고분자는 각 말단에 가지결합 가능한 작용기를 구비한 단위블록을 결합시켜 형성되고, 상기 단위블록은 PPO 블록 및 PEO 블록을 각각 하나 이상 포함하는 선형 블록 공중합체이거나, 상기 선형 블록 공중합체가 1,2-디아미노에탄 유도체(1,2-diaminoethane derivatives)에 2개 이상 치환된 것인 바인더, 상기 바인더 및 전극 활물질을 포함하는 전극, 및 상기 전극을 구비한 이차전지 및 초고용량 축전기에 관한 것이다.
The present invention relates to a binder containing a first polymer formed by bonding together unit blocks each comprising at least one poly (propylene oxide) (PPO) block and a polyethylene oxide (PEO) block, , The first polymer is formed by bonding a unit block having functional groups capable of branching at each end thereof, and the unit block is a linear block copolymer containing at least one of a PPO block and a PEO block, or the linear block copolymer Is substituted for two or more of 1,2-diaminoethane derivatives, an electrode comprising the binder and the electrode active material, and a secondary battery and an ultra-high capacity capacitor having the electrode. .

전극은 충전이 불가능한 1차 전지, 충전 가능한 2차 전지, 연료 전지 및 축전기를 포함하는 전기적 에너지 저장 장치에 널리 사용된다. 전기적 에너지 저장 장치로서 중요한 성질은 에너지 밀도, 전력 밀도, 최대 충/방전율, 내부 누설 전류, 등가직렬저항 및/또는 내구성 즉, 다수의 충/방전 사이클에 견디는 능력을 포함한다. 많은 이유로 초고용량 축전지 즉, 수퍼커패시터 또는 울트라커패시터라고도 알려진 이중층 커패시터는, 특히, 통상적인 충전 가능한 전지에 비해 높은 전력 밀도를 가지는 유용성과 긴 수명으로 인해, 많은 에너지 저장 응용 장치에서 각광받고 있다.Electrodes are widely used in non-rechargeable primary batteries, rechargeable secondary batteries, fuel cells, and electrical energy storage devices including capacitors. Important properties as an electrical energy storage device include energy density, power density, maximum charge / discharge rate, internal leakage current, equivalent series resistance and / or durability, i.e., ability to withstand multiple charge / discharge cycles. Dual-layer capacitors, also known as supercapacitors or supercapacitors for many reasons, have been attracting much attention in many energy storage applications due to their utility and long life, which have higher power densities than conventional rechargeable batteries.

재충전가능한 리튬 이온 전지와 같은 이차전지는 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘 이온과 같은 1종 이상의 전하 캐리어가 방전이 일어나는 동안 음극에서 양극으로 이동하였다가 충전시에 다시 되돌아가는 배터리군을 구성한다. 이차전지는 중량에 비해 우수한 출력을 내고 메모리 효과가 무시해도 좋을 정도이며 사용하지 않을 때 전력이 느리게 소진된다는 점에서 일반 전자제품에서 널리 사용되고 있다. 상기 이차전지는 일반적으로 양극, 음극 및 전해질을 포함한다. 통상적으로 음극은 흑연계 복합층을 갖는 금속 집전장치를 포함하며, 양극은 상기 전하 캐리어종을 포함하는 재료로부터 형성되거나 전하 캐리어종을 포함하는 복합층을 갖는 집전장치를 포함한다.A secondary battery, such as a rechargeable lithium ion battery, constitutes a group of batteries in which one or more charge carriers such as lithium, sodium, potassium, calcium, or magnesium ions move from the cathode to the anode while the discharge is occurring, . Rechargeable batteries are widely used in general electronic products because they produce a power output that is superior to the weight, the memory effect is negligible, and the power is slowly consumed when not in use. The secondary battery generally includes an anode, a cathode, and an electrolyte. Typically, the cathode comprises a metal current collector having a graphite-based composite layer, and the anode includes a current collector having a composite layer formed from a material containing the charge carrier species or containing a charge carrier species.

한편, 초고용량 축전지는 에너지 저장 요소로서 전해질(전해액)에 침지된 전극을 사용한다. 아울러 한 쌍의 전극 사이에는 전해질을 함유하는 격리막(전해질 막)을 포함하여 이들 전극 간의 접촉을 방지하여 전극 간의 직접적인 전류의 흐름은 차단하는 동시에 전해질을 통하여 양 방향으로 이온성 전류가 흐를 수 있도록 한다.On the other hand, an ultra-high capacity battery uses an electrode immersed in an electrolyte (electrolyte) as an energy storage element. In addition, a pair of electrodes including a separation membrane (electrolyte membrane) containing an electrolyte is provided between the pair of electrodes to prevent contact between the electrodes, thereby blocking direct current flow between the electrodes and enabling ionic current to flow in both directions through the electrolyte .

이와 같이, 이차전지 및 초고용량 축전지에 있어서, 상기 전극들과 전해질 막 사이에는 계면이 형성된다. 이때 전극 상의 활성 촉매를 지지하고 전극의 전기화학적 활성 표면적 증가시키며 막과 전극의 계면 안정성을 확보하기 위하여 바인더를 사용하게 된다.Thus, in the secondary battery and the ultra-high capacity battery, an interface is formed between the electrodes and the electrolyte membrane. At this time, a binder is used to support the active catalyst on the electrode, to increase the electrochemically active surface area of the electrode, and to ensure interfacial stability between the membrane and the electrode.

전지나 축전지를 구성하는 전극 물질로서 널리 사용되는 것 중 하나로 비표면적이 큰 활성탄소(activated carbon)을 들 수 있다. 그러나, 상기 활성탄소는 보통 분말상태로 존재하므로 이를 전극 물질로 사용하는 경우 막화하는 과정이 필요하다. 따라서, 성형을 용이하게 하기 위하여 슬러리 형태로 제조하여 기재 상에 도포하게 되는데 이때, 결합력을 향상시키고 막 형성을 용이하게 하기 위하여 바인더를 첨가하는 것이 바람직하다.One of the widely used electrode materials constituting batteries and batteries is activated carbon having a large specific surface area. However, since the activated carbon is usually present in powder form, it is necessary to form a membrane when used as an electrode material. Therefore, in order to facilitate the molding, it is prepared in the form of a slurry and coated on the substrate. In this case, it is preferable to add a binder in order to improve the bonding force and facilitate film formation.

이를 위하여, 종래 바인더로 사용되는 물질로는 PTFE(테프론)이 있으나, PTFE는 자체의 전도성이 낮을 뿐만 아니라, 전해질과의 계면 특성이 열악하여 저항이 증가하므로 이를 구비한 전지나 축전지의 성능을 저하시키는 단점이 있다.
To this end, PTFE (Teflon) has been used as a conventional binder. However, since PTFE has low electrical conductivity and poor interfacial characteristics with electrolyte, resistance of the PTFE increases, There are disadvantages.

본 발명자들은, 전해질과 유사한 조성을 가지므로 전극과 전해질 간의 계면 특성이 우수할 뿐만 아니라 전도성을 갖는 고분자 바인더를 발굴하고자 예의 노력한 결과, 각 말단에 가지결합 가능한 작용기를 구비하고, 폴리프로필렌옥사이드(poly(propylene oxide); PPO) 블록 및 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide); PEO) 블록을 각각 하나 이상 포함하는 선형 또는 가지형 단위블록이 상기 각 말단의 작용기를 통해 가지결합하여 형성된 고분자를 함유하는 바인더가 망상구조를 형성하므로 전극 성형에 유리하며, 상기 바인더는 기존에 사용된 PTFE 보다 전도성이 높으며, 화학구조적으로 전해질과 매우 우수한 친화성을 나타낼 뿐만 아니라, 전해질 막과의 계면 특성이 우수하여 이를 포함하는 전극을 구비한 전지 및 축전기의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have found that, since they have a composition similar to that of an electrolyte, they have excellent interfacial characteristics between an electrode and an electrolyte, and have found that a polymer binder having conductivity can be unearthed. As a result, a binder containing a polymer in which linear or branched unit blocks each containing at least one of propylene oxide (PPO) block and polyethylene oxide (PEO) block are bridged through functional groups at the respective terminals, The binder is advantageous for electrode formation because it forms a network structure. The binder has higher conductivity than PTFE used in the prior art, has a chemical structure that shows excellent affinity with an electrolyte, and has excellent interfacial properties with an electrolyte membrane. It is confirmed that the performance of the battery and the capacitor having the electrode can be improved Thus completing the present invention.

또한, 상기 바인더는 자체로서 우수한 전도성을 나타내기보다, 화학구조적으로 기존에 바인더로 사용되는 PTFE에 비해 전해질로 사용되는 유기계 분자와의 상용성이 매우 우수하며, 전지에 사용하였을 때 전지 구동시 발생하는 저항을 감소시켜 이를 구비한 전지 및 축전기의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
In addition, the binder exhibits excellent conductivity as compared with PTFE used as a binder in chemical structure, and exhibits excellent compatibility with organic molecules used as an electrolyte. It is possible to improve the performance of the battery and the capacitor having the same.

본 발명의 제1양태는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리프로필렌옥사이드(poly(propylene oxide); PPO) 블록 및 하기 화학식 2로 표시되는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide); PEO) 블록을 각각 하나 이상 포함하는 단위블록이 가지결합하여 형성된 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자를 함유하는 바인더로서, 상기 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자는 각 말단에 가지결합 가능한 작용기를 구비한 단위블록을 결합시켜 형성되고, 상기 단위블록은 PPO 블록 및 PEO 블록을 각각 하나 이상 포함하는 선형 블록 공중합체이거나, 상기 선형 블록 공중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는 1,2-디아미노에탄 유도체(1,2-diaminoethane derivatives)에 2개 이상 치환된 것인 바인더를 제공한다:The first aspect of the present invention includes a polypropylene oxide (PPO) block represented by the following formula (1) and a polyethylene oxide (PEO) block represented by the following formula (2) Wherein the polymer having the PEO-PPO block copolymer bound thereto is a binder containing a unit block having a functional group capable of branching at each end thereof, Wherein the unit block is a linear block copolymer comprising at least one of a PPO block and a PEO block, or the linear block copolymer is a 1,2-diaminoethane derivative (1, 2-diaminoethane derivatives having two or more substituents.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[화학식 2](2)

Figure pat00002
Figure pat00002

[화학식 3](3)

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 식에서 m 및 n은 각각 독립적으로 1 이상의 정수이며,In the above formula, m and n are each independently an integer of 1 or more,

상기 단위블록은 300 내지 100,000 Da의 분자량을 가짐.
The unit block has a molecular weight of 300 to 100,000 Da.

상기 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide); PEO)는 에틸렌옥사이드 올리고머 또는 고분자로, 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene; POE) 또는 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol); PEG)이라고도 하는 광범위한 분자량의 합성 폴리에테르이다. 보통 20,000 미만의 질량평균분자량을 갖는 물질을 PEG, 이보다 높은 분자량을 갖는 물질을 PEO, 분자량과 무관하게 고분자를 POE라고 하기도 하지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 고분자는 양친성(amphiphilic)이며 메틸렌클로라이드, 에탄올, 톨루엔, 아세톤 및 클로로포름 등의 유기용매뿐만 아니라 물에 용해될 수 있다. 상기 PEO는 2개의 탄소원자와 하나의 산소원자를 포함하는 3각 고리형 에테르인 에틸렌옥사이드와 에틸렌글리콜 단량체 또는 올리고머와의 반응에 의해 합성될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 상업화된 것을 구매하여 사용할 수 있다.The polyethylene oxide (PEO) is an ethylene oxide oligomer or a polymer, and is a synthetic polyether having a wide molecular weight, which is also called polyoxyethylene (POE) or poly (ethylene glycol) PEG. A substance having a weight average molecular weight of usually less than 20,000 is referred to as PEG, a substance having a higher molecular weight is referred to as PEO, and a polymer is referred to as POE regardless of molecular weight. The polymer is amphiphilic and can be dissolved in water as well as organic solvents such as methylene chloride, ethanol, toluene, acetone and chloroform. The PEO may be synthesized by reacting an ethylene oxide, which is a triangular cyclic ether containing two carbon atoms and one oxygen atom, with an ethylene glycol monomer or an oligomer, but is not limited thereto. .

상기 폴리프로필렌옥사이드(poly(propylene oxide); PPO)는 프로필렌옥사이드의 중합체로, 폴리프로필렌글리콜(poly(propylene glycol); PPG)이라고도 하는 광범위한 분자량의 합성 폴리에테르이다. 대체로 PEO와 유사한 특성을 지니나, PEO에 비해 낮은 친수성을 나타낸다. 상기 PPO는 메틸기가 치환된 3각 고리형의 에테르인 프로필렌옥사이드의 고리-개방 중합화(ring-opening polymerization)에 의해 합성될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 상업화된 것을 구매하여 사용할 수 있다.The above polypropylene oxide (PPO) is a polymer of propylene oxide and a synthetic polyether having a wide molecular weight, which is also called polypropylene glycol (PPG). Generally, it has similar properties to PEO, but it shows lower hydrophilicity than PEO. The PPO may be synthesized by ring-opening polymerization of propylene oxide, which is a tri-cyclic ether substituted with a methyl group, but is not limited thereto, and commercialized PPO can be purchased and used.

본 발명에서, "블록 공중합체(block copolymer)"는 둘 또는 그 이상의 단일 중합체(homopolymer) 서브유닛(블록)이 공유결합에 의해 연결된 공중합체로, 단일 중합체 블록의 결합은 연결 블록(junction block)으로서의 중간 비-반복 서브유닛(intermediate non-repeating subunit)을 필요로 할 수 있다. 2개 또는 3개의 구별된 블록을 포함하는 블록 공중합체를 각각 이원블록 공중합체(diblock copolymer) 및 삼원블록 공중합체(triblock copolymer)라고 한다.
In the present invention, a "block copolymer" is a copolymer in which two or more homopolymer subunits (blocks) are linked by covalent bonds, It may require an intermediate non-repeating subunit as the < RTI ID = 0.0 > The block copolymer comprising two or three distinct blocks is referred to as a diblock copolymer and a triblock copolymer, respectively.

본 발명에 따른 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자는 말단에 가지결합 가능한 작용기를 구비한 단위블록을 결합시켜 형성된 즉, 단위블록의 일 말단에 2개 이상의 단위블록이 결합하는 방식으로 형성된 것이다. 이때, 상기 단위블록은 PPO 블록 및 PEO 블록을 각각 하나 이상 포함하는 선형 블록 공중합체 자체일 수 있다. 또는 상기 선형 블록 공중합체가 상기 화학식 3으로 표시되는 1,2-디아미노에탄 유도체에 2 내지 4개 치환된 형태일 수 있다.
The polymer to which the PEO-PPO block copolymer according to the present invention is bound is formed by combining a unit block having a functional group capable of branching at its terminal, that is, formed in such a manner that two or more unit blocks are bonded to one end of the unit block will be. The unit block may be a linear block copolymer including at least one of a PPO block and a PEO block. Or the above linear block copolymer may be substituted with 2 to 4 substituents on the 1,2-diaminoethane derivative represented by the above formula (3).

바람직하게, 상기 PPO 블록 및 PEO 블록을 각각 하나 이상 포함하는 선형 블록 공중합체는 PEO-PPO, PEO-PPO-PEO 또는 PPO-PEO-PPO의 형태를 가질 수 있다. 상기 PEO 블록 및 PPO 블록을 포함하는 선형 블록 공중합체는 PEO와 PPO를 중합시켜 제조하거나, 플루로닉(Pluronic)이라는 상품명으로 판매되는 것을 구입하여 사용할 수 있다.Preferably, the linear block copolymer comprising at least one of the PPO block and the PEO block may have the form of PEO-PPO, PEO-PPO-PEO or PPO-PEO-PPO. The linear block copolymer comprising the PEO block and the PPO block may be prepared by polymerizing PEO and PPO or may be purchased from Pluronic under the trade name of Pluronic.

한편, 상기 선형 블록 공중합체가 1,2-디아미노에탄 유도체(1,2-diaminoethane derivatives)에 2개 이상 즉, 2 내지 4개 치환된 형태의 단위블록은 당업계에 공지된 방법으로 합성하거나, 테트로닉(Tetronic)이라는 상품명으로 판매되는 것을 구입하여 사용할 수 있다.On the other hand, the unit block in which the linear block copolymer is substituted with 2 or more, that is, 2 to 4, in the 1,2-diaminoethane derivatives may be synthesized by a method known in the art , And Tetronic may be purchased and used.

바람직하게, 상기 단위블록은 하기 화학식 4 또는 5의 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Preferably, the unit block may have the structure of the following formula (4) or (5), but is not limited thereto.

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 식에서,In this formula,

X1 내지 X4 중 2개 이상은 가지결합 가능한 작용기를 포함할 수 있다.
Two or more of X 1 to X 4 may contain a functional group capable of binding to each other.

바람직하게, 상기 단위블록은 PEO를 10 내지 90 중량%로 포함할 수 있다. PEO는 결정성 고분자이므로, PEO의 함량이 90 중량%를 초과하는 경우, 국부적으로 결정화로 인해 이온전도성을 감소시킬 수 있으며, 용융점이 60℃ 미만으로 낮아지므로 50℃ 이상에서는 고체 전해질로 활용이 불가능하다. 한편, PPO의 첨가는 증가된 탄소결합으로 인해 물리적 강도를 증가시킬 수 있고 PEO 사슬 간의 결정화 경향을 약화시킴으로써 결정화를 억제하는 효과를 나타낼 수 있다. 그러나, PPO의 상대적으로 높은 소수성으로 인해 담지되는 이온성 액체 등의 이온성 전해질이나 유기계 전해질과의 상용성이 낮아질 수 있다.
Preferably, the unit block may contain 10 to 90% by weight of PEO. Since the PEO is a crystalline polymer, when the content of PEO exceeds 90 wt%, the ionic conductivity can be reduced due to local crystallization, and the melting point is lowered to less than 60 DEG C, so that it can not be used as a solid electrolyte at 50 DEG C or more Do. On the other hand, the addition of PPO can increase the physical strength due to the increased carbon bonds and weaken the crystallization tendency between the PEO chains, thereby exhibiting an effect of inhibiting crystallization. However, due to the relatively high hydrophobicity of PPO, compatibility with ionic electrolytes such as ionic liquids and organic electrolytes may be lowered.

본 발명에서, "가지결합"은 하나의 분자가 이웃한 2개 이상의 분자와 결합하는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 단위블록은 그 말단을 통해 2개 이상의 다른 단위블록과 결합하여 본 발명에 따른 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자를 형성할 수 있다. 상기 가지결합을 통해 형성된 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자는 가지결합 정도에 따라 빗모양(comlike), 나무가지 모양 또는 그물형을 나타내거나, 이들이 조합되어 나타날 수 있다.
In the present invention, "branch bonding" means that one molecule binds to two or more neighboring molecules. That is, the unit block according to the present invention may combine with two or more different unit blocks through the terminal thereof to form a polymer having the PEO-PPO block copolymer according to the present invention bound thereto. The polymer to which the PEO-PPO block copolymer formed through branching bonds is bound may exhibit a comical shape, a tree branch shape or a net shape depending on the degree of branching, or may be a combination thereof.

본 발명에서, "가지결합 가능한 작용기"는 3개 이상의 반응성 작용기를 포함하여 하나의 작용기를 통해 단위블록에 연결되고 다른 2개 이상의 작용기를 통해 다른 단위블록에 결합할 수 있는 작용기를 지칭한다. 상기 가지결합 가능한 작용기는 단위블록의 각 말단에 직접 연결되거나; 에테르, 아미드, 우레탄, 에스테르로 구성된 군으로부터 선택되는 작용기 및 C1 -18 알킬을 포함하는 간격자(spacer)를 포함하는 링커를 통해 연결될 수 있다. 또한, 바람직하게, 상기 가지결합 가능한 작용기는 트리에톡시실란, 아크릴레이트 또는 에폭시일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
In the present invention, the term "branch bondable functional group" refers to a functional group that includes three or more reactive functional groups and is connected to the unit block through one functional group and to another unit block through two or more other functional groups. The branchable functional group is directly connected to each end of the unit block; Ether, an amide, may be connected via a linker comprising a spacing character (spacer) containing a functional group, and C 1 -18 alkyl selected from the group consisting of urethane, ester. Further, preferably, the branch-bondable functional group may be triethoxysilane, acrylate or epoxy, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 바인더의 제조를 위한 수지조성물은 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자 이외에 가교제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가교제를 추가로 포함함으로써 단위 고분자 당 가지결합수를 증가시킬 수 있다. 바람직하게, 상기 추가적인 가교제는 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자에 포함된 가지결합 가능한 작용기와 동일한 종류의 화학반응을 일으키는 물질일 수 있다. 예컨대, PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자의 가지결합 가능한 작용기가 트리에톡시기인 경우, 이와 반응할 수 있는 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane; TEOS)을 추가적인 가교제로써 첨가할 수 있다. 바람직하게, 추가로 포함되는 가교제는 에톡시실란계, 아크릴계 또는 에폭시계 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
The resin composition for the production of the binder according to the present invention may further comprise a crosslinking agent in addition to the polymer having the PEO-PPO block copolymer bound thereto. By further including the cross-linking agent, the number of branch bonds per unit polymer can be increased. Preferably, the additional cross-linking agent may be a material which causes a chemical reaction of the same kind as the branch-bondable functional group contained in the polymer to which the PEO-PPO block copolymer is bound. For example, when the functional group capable of branching of the polymer having the PEO-PPO block copolymer bound thereto is a triethoxy group, tetraethoxysilane (TEOS) capable of reacting therewith can be added as an additional crosslinking agent. Preferably, the crosslinking agent further included may be an ethoxysilane-based, acrylic-based or epoxy-based compound, but is not limited thereto.

바람직하게, 본 발명에 따른 바인더에 포함된 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자는 10,000 내지 1,000,000의 수평균 분자량(Mn; number-average molecular weight) 또는 10,000 내지 10,000,000의 중량평균 분자량(Mw; weightaverage molecular weight)을 가질 수 있다.
Preferably, the polymer having the PEO-PPO block copolymer included in the binder according to the present invention has a number-average molecular weight (Mw) of 10,000 to 1,000,000 or a weight average molecular weight (Mw) of 10,000 to 10,000,000. weightaverage molecular weight).

또한, 본 발명에 따른 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자를 포함하는 바인더는 코바인더로서 종래 바인더로 사용되는 물질인 불소계 고분자를 추가로 포함할 수 있다. 불소계 고분자는 총 바인더 질량에 대해 20 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.In addition, the binder including the polymer having the PEO-PPO block copolymer according to the present invention may further include a fluorine-based polymer as a conventional binder used as a nasal binder. The fluorine-based polymer is preferably added in an amount of not more than 20% by weight based on the total weight of the binder, but is not limited thereto.

바람직하게, 상기 불소계 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy; PFA), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌(ethylene chlorotrifluoroethylene; E-CTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ethylene tetrafluoroethylene; E-TFE), 폴리비닐리딘플루오라이드(poly(vinylidine fluoride); PVDF), 테트라플루오로에틸렌헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylenehexafluoropropylene; FEP) 및 클로로트리플루오로에틸렌(chlorotrifluoroethylene; CTFE), 헥사플루오로프로필렌(hexafluoropropylene; HFP)으로 구성된 군으로부터 선택되는 고분자의 단일중합체(homopolymer), 공중합체(copolymer) 또는 고분자 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Preferably, the fluoropolymer is selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxy (PFA), ethylene chlorotrifluoroethylene (E-CTFE), ethylene tetrafluoroethylene tetrafluoroethylene (E-TFE), polyvinylidine fluoride (PVDF), tetrafluoroethylenehexafluoropropylene (FEP) and chlorotrifluoroethylene (CTFE), hexafluoro But is not limited to, a homopolymer, a copolymer, or a mixture of polymers of a polymer selected from the group consisting of hexafluoropropylene (HFP).

본 발명의 제2양태는 상기 바인더; 및 전극 활물질을 포함하는 전극을 제공한다.A second aspect of the present invention is a binder comprising: the binder; And an electrode active material.

본 발명의 제3양태는 상기 제2양태에 따른 전극을 구비한 이차전지를 제공한다.A third aspect of the present invention provides a secondary battery having an electrode according to the second aspect.

본 발명의 제4양태는 상기 제2양태에 따른 전극을 구비한 초고용량 축전기를 제공한다.
A fourth aspect of the present invention provides an ultra-high capacity capacitor having an electrode according to the second aspect.

이차전지(secondary battery 또는 secondary cell)는 충전지(rechargeable battery), 축전지(storage battery)라고도 하는 전기 전지(electrical battery)의 한 형태로서, 하나 이상의 전기화학적 셀을 포함하며, 전기화학적 에너지 저장을 위한 에너지 축적기(energy accumulator)의 한 형태이다. 상기 전지에서 일어나는 전기화학적 반응이 전기적으로 가역적이므로 이차전지라고 한다. 상기 이차전지는 코인셀로부터 전원분배 네트워크를 안정화하기 위해 연결된 메가와트 시스템까지 매우 다양한 크기 및 형태를 갖는다. 납-산(lead-acid), 니켈카드뮴(NiCd), 니켈금속수소화물(NiMH), 리튬이온(Li-ion) 및 리튬이온고분자(Li-ion polymer)를 포함한 각기 다른 조합의 화합물이 널리 사용되고 있다. 이외에도 이차전지의 예로 레독스 플로우 전지가 있다. 상기 레독스 플로우 전지의 비제한적인 예는 양극 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 전바나듐계 레독스 전지; 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 바나듐계 레독스 전지; 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을, 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용하는 폴리설파이드 브로민 레독스 전지; 또는 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을, 음극 전해질로 아연(Zn) 레독스 커플을 사용하는 아연-브로민(Zn-Br) 레독스 전지를 포함할 수 있다.
A secondary battery or secondary cell is a form of an electrical battery, also referred to as a rechargeable battery, a storage battery, and includes at least one electrochemical cell, and includes energy for electrochemical energy storage It is a form of an energy accumulator. Since the electrochemical reaction occurring in the battery is electrically reversible, it is referred to as a secondary battery. The secondary cells have a wide variety of sizes and shapes ranging from coin cells to megawatt systems connected to stabilize the power distribution network. Different combinations of compounds are widely used, including lead-acid, NiCd, NiMH, Li-ion, and Li-ion polymer have. An example of a secondary battery is a redox flow battery. Non-limiting examples of the redox flow cell include a V (IV) / V (V) redox couple as a positive electrode electrolyte and a V (II) / V (III) redox couple as a negative electrode electrolyte. Dog cell; A vanadium-based redox battery using a halogen redox couple as a cathode electrolyte and a V (II) / V (III) redox couple as a cathode electrolyte; A polysulfide bromine redox cell using a halogen redox couple as a positive electrode electrolyte and a sulfide redox couple as a negative electrode electrolyte; Or a zinc-bromine (Zn-Br) redox battery using a zinc redox couple as a cathode electrolyte and a zinc redox couple as a cathode electrolyte.

초고용량 축전기(수퍼 커패시터 또는 울트라커패시터; supercapacitor 또는 ultracapacitor)는 전기이중층 축전기(electric double-layer capacitor)라고도 하며 전기화학적 축전기를 일반적으로 지칭하는 용어일 수 있다. 높은 정전용량(capacitance) 값을 갖는 나노스케일 유전체 축전기(nanoscale dielectric capacitor)와 달리 기존의 고체 유전체를 포함하지 않는다. 전기화학적 축전기의 정전용량 값은 총 정전용량에 불가분적으로 기여하는 이중층 정전용량 및 의사정전용량(pseudocapacitance)의 2가지 저장 원리에 의해 결정된다. 초고용량 축전기는 이온투과성막(ion permeable membrane; separator)으로 분리된 2개의 전극과 상기 2개 전극을 전기적으로 연결하는 전해질로 구성된다. 전압을 적용하여 전극이 분극화되었을 때, 전해질 내의 이온들은 전극의 극성과 반대되는 극성의 전기이중층을 형성한다. 예컨대, 양으로 편극된 전극은 전극/전해질 계면에서 음전하 층 상에 흡착된 양이온의 전하-균형층과 함께 음이온의 층을 갖게 된다. 전극이 음으로 편극된 경우에는, 이와 반대의 현상이 발생한다.
An ultra-high capacity capacitor (supercapacitor or ultracapacitor), also referred to as an electric double-layer capacitor, may be a generic term for an electrochemical capacitor. Unlike nanoscale dielectric capacitors with high capacitance values, they do not contain conventional solid dielectrics. The electrostatic capacitance value of an electrochemical capacitor is determined by the two storage principles of double layer capacitance and pseudocapacitance, which inevitably contribute to the total capacitance. The ultra-high capacity capacitor is composed of two electrodes separated by an ion permeable membrane (separator) and an electrolyte electrically connecting the two electrodes. When the electrode is polarized by applying a voltage, the ions in the electrolyte form an electric double layer of polarity opposite to the polarity of the electrode. For example, a positively polarized electrode has a layer of anions with a charge-balance layer of cations adsorbed on the negative charge layer at the electrode / electrolyte interface. When the electrode is polarized negatively, the opposite phenomenon occurs.

전지 또는 축전기의 전극은 전도성 금속 집전체에 적용되고 전기적으로 연결된 전극 활물질을 포함하는 박막코팅의 형태일 수 있다. 이때 전극은 우수한 전도성은 물론 고온안정성, 장기간 화학적 안정성(inertness), 높은 부식저항성 및 단위 부피 및 질량 당 표면적을 갖는 것이 바람직하다. 추가적인 요건으로 환경친화성과 낮은 비용을 들 수 있다. 무엇보다도 우수한 성능을 나타내기 위해서는 넓은 전극 표면적을 제공할 수 있는 것이 중요하다. 따라서, 활성 탄소와 같이(activated carbon), 특별히 높은 비표면적을 갖는 다공성, 해면질(spongy)의 물질을 사용할 수 있다. 예컨대, 입경이 작은 분말을 전극 활물질로 이용하여 이를 집전체 상에 도포하여 다공성 전극의 형태로 제조함으로써 전극 표면적을 비약적으로 증대시킬 수 있다. 이때, 접촉저항을 포함하여 전자 전도성이 낮은 활물질의 경우 저항이 커지고 충방전시 전위분포가 생겨 분말 활물질의 이용률이 낮아질 수 있으므로, 이를 차단하기 위하여 탄소재료 등을 도전재로 첨가할 수 있다. 나아가 분말을 안정되게 도포하기 위하여 고분자를 바인더(결착제)로 사용할 수 있다.
The electrode of the battery or capacitor may be in the form of a thin film coating comprising an electrode active material applied to the conductive metal current collector and electrically connected thereto. At this time, it is preferable that the electrode has excellent conductivity, high temperature stability, long-term chemical stability, high corrosion resistance, and surface area per unit volume and mass. Additional requirements include environmental friendliness and low cost. Above all, it is important to be able to provide a wide electrode surface area to achieve good performance. Thus, activated carbon, especially porous, spongy materials with a high specific surface area can be used. For example, by using a powder having a small particle size as an electrode active material and coating it on a collector to form a porous electrode, the electrode surface area can be dramatically increased. At this time, in the case of an active material having a low electron conductivity including a contact resistance, a resistance increases and a potential distribution occurs at the time of charging and discharging, so that the utilization ratio of the powder active material may be lowered. Therefore, a carbon material or the like may be added as a conductive material. Further, the polymer can be used as a binder (binder) for stably applying the powder.

본 발명에서 "바인더(binder)"는 바인딩 즉, 결합력을 제공할 수 있는 물질, 예컨대 중합체, 공중합체, 및 이와 유사한 초고분자량 물질을 의미할 수 있다. 이러한 물질들은 느슨하게 집합된 미립자 물질, 즉 특정한 응용 장치에서 일부 유용한 기능을 수행하는 활성 충전제의 응집(cohesion)을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대, 전극 활물질에 첨가하여 전극 활물질 입자 간에 결합력을 제공함으로써 전극으로서의 성형을 용이하게 할 수 있다. 일반적으로 전극에 사용되는 바인더는 분말 형태의 전극 활물질 및/또는 도전재를 결착시켜 집전체 예컨대, 금속기판에 고정시키는 역할을 한다. 통상 사용되는 바인더는 절연체여서 그 함량이 증가하는 경우 전극의 전도도를 감소시킬 수 있다.
As used herein, the term "binder" may refer to bindings, that is, materials capable of providing a bonding force, such as polymers, copolymers, and similar ultra-high molecular weight materials. These materials can be used to improve the cohesion of loosely aggregated particulate materials, that is, active fillers that perform some useful function in a particular application. For example, it can be added to the electrode active material to provide a bonding force between the electrode active material particles, thereby facilitating the formation of the electrode. Generally, the binder used for the electrode serves to fix the powdery electrode active material and / or conductive material to the current collector, for example, a metal substrate. The binder usually used is an insulator, so that the conductivity of the electrode can be reduced when the content thereof is increased.

바람직하게, 전극 활물질 100 중량부를 기준으로 상기 바인더를 2.5 내지 8.8 중량부 포함하여 전극을 제조할 수 있다. 바인더의 함량이 2.5 중량부 미만인 경우, 전극으로 제조시 결합력이 낮아져 시트나 필름형태로 제조하기 어려울 수 있다. 한편 8.8 중량부를 초과하는 경우, 전극 자체의 전기전도도 값을 감소시켜 이로부터 제조된 전지의 성능을 현저하게 저하시킬 수 있다.
Preferably, 2.5 to 8.8 parts by weight of the binder may be added based on 100 parts by weight of the electrode active material. When the content of the binder is less than 2.5 parts by weight, the bonding force during the production of the electrode may be low and it may be difficult to produce the sheet or film. On the other hand, if it exceeds 8.8 parts by weight, the electrical conductivity value of the electrode itself may be decreased and the performance of the battery produced therefrom may be significantly lowered.

"전극 활물질(active electrode material)"은 전극의 기능을 제공 또는 향상시키는 물질을 의미한다. 예를 들면, 이중층 커패시터 전극에서 전극 활물질은 높은 다공도를 가지는 입자를 포함한다."Active electrode material" means a material that provides or enhances the function of an electrode. For example, in a double layer capacitor electrode, the electrode active material includes particles having a high porosity.

상기 전극 활물질의 비제한적인 예로는 활성탄소(activated carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT), 기상성장탄소섬유(vapor grown carbon fiber; VGCF), 탄소에어로겔(carbon aerogel), 탄화수소 또는 불소계 탄화수소 고분자를 탄화하여 제조한 탄소나노섬유(carbonanofiber; CNF), 그라핀, 그라파이트, 금속, 금속산화물, 합금 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
Examples of the electrode active material include, but not limited to, activated carbon, carbon nanotube (CNT), vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon aerogel, hydrocarbon or fluorinated hydrocarbon Carbon nanofiber (CNF), graphene, graphite, metal, metal oxide, alloy, or a mixture thereof, which is prepared by carbonizing a polymer.

본 발명의 전극은 도전재를 추가로 포함할 수 있다.The electrode of the present invention may further include a conductive material.

상기 도전재의 비제한적인 예는 카본 블랙, 탄소 분말, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn), 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용할 수도 있다.Non-limiting examples of the conductive material include carbon black, carbon powder, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano-horn, carbon nano ring), and they may be used in combination.

바람직하게, 상기 전극 활물질 또는 도전재는 분말 상태일 수 있다.
Preferably, the electrode active material or the conductive material may be in a powder state.

바람직하게, 본 발명의 전극은 균일하게 혼합한 가교되지 않은 바인더 전구체 및 전극 활물질을 포함하는 전극 조성물을 산성용액으로 처리하여 바인더 전구체를 가교결합시켜 제조되거나 바인더 전구체를 산성용액으로 처리하여 제조된 가교결합된 바인더 및 전극 활물질을 포함하는 전극 조성물로부터 제조되는 것일 수 있다.Preferably, the electrode of the present invention is produced by cross-linking a binder precursor by treating an electrode composition containing an uncrosslinked binder precursor and an electrode active material, which are uniformly mixed, with an acidic solution, or crosslinking prepared by treating a binder precursor with an acidic solution A binder, and an electrode active material.

바람직하게, 상기 산성용액은 물, 에탄올 및 염산의 혼합 용액일 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 산성용액은 물, 에탄올 및 염산을 1 : 3 내지 3.5 : 0.1 내지 0.15의 부피비로 혼합한 용액일 수 있으나, 가지결합 가능한 작용기를 통한 결합을 유도할 수 있는 용액이면, 이에 제한되지 않는다.
Preferably, the acidic solution may be a mixed solution of water, ethanol and hydrochloric acid. More preferably, the acidic solution may be a solution prepared by mixing water, ethanol and hydrochloric acid in a volume ratio of 1: 3 to 3.5: 0.1 to 0.15, but if it is a solution capable of inducing binding through a functional group capable of branch bonding, It does not.

본 발명에 따른 전극에 사용되는 바인더는, 각 말단에 가지결합 가능한 작용기를 구비하고, 폴리프로필렌옥사이드 블록 및 폴리에틸렌옥사이드 블록을 각각 하나 이상 포함하는 선형 또는 가지형 단위블록이 상기 각 말단의 작용기를 통해 가지결합하여 형성된 고분자를 포함하며, 상기 고분자는 전해질과 유사한 조성을 가지므로 전극과 전해질 간의 계면 특성이 우수할 뿐만 아니라 전도성을 가지므로 이를 포함하는 전극은 바인더 첨가에 의한 성능 저하는 최소화되고 전해질과의 계면에서 발생할 수 있는 저항은 감소된 우수한 성능을 제공할 수 있으므로 이차전지 및 초고용량 축전기 등에 유용하게 사용될 수 있다.The binder used in the electrode according to the present invention is a binder having a functional group capable of branching at each end and having a linear or branching unit block containing at least one polypropylene oxide block and a polyethylene oxide block, Since the polymer has a composition similar to that of the electrolyte, the polymer has an excellent interfacial property between the electrode and the electrolyte, and has conductivity. Accordingly, the performance of the electrode including the polymer is minimized by the addition of the binder, The resistance that can be generated at the interface can be effectively used for a secondary battery and an ultra-high capacity capacitor because it can provide a reduced excellent performance.

바람직하게, 상기 전극은 이온전도성 고분자를 함유하는 막과 접합시켜 막-전극 접합체의 형태로 또는 전극에 직접 전해질 용액을 함침시킨 전극-전해질 결합체의 형태로 사용할 수 있다.
Preferably, the electrode may be used in the form of a membrane-electrode assembly by bonding it to a membrane containing an ion conductive polymer, or in the form of an electrode-electrolyte combination impregnated with an electrolyte solution directly on the electrode.

본 발명에 따른 바인더는 망상구조를 형성하여 전극 활물질의 막화에 유리할 뿐만 아니라 화학구조적으로 전해질과 상용성이 우수한 특성을 가지므로 바인더의 첨가로 인한 전극 성능의 저하가 최소화되고 전해질과 같은 조성을 가지므로 전해질과의 계면 특성이 우수하여 계면에서 발생할 수 있는 저항을 감소시킬 수 있으므로, 종래 바인더로 사용되는 PTFE의 단점을 개선할 수 있는 물질로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
Since the binder according to the present invention has a network structure and is advantageous in terms of the electrode active material and chemical structure and compatibility with the electrolyte, the deterioration of the electrode performance due to the addition of the binder is minimized and the composition is the same as that of the electrolyte It is possible to reduce the resistance that may occur at the interface due to the excellent interfacial property with the electrolyte and thus it can be usefully used as a material capable of improving the disadvantages of the PTFE used as the conventional binder.

도 1은 본 발명에 따른 가지결합된 PEO-PPO 블록 공중합체로부터 제1고분자를 합성하는 방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바인더를 사용하여 제조한 그라핀 전극의 SEM 이미지를 나타낸 도이다. 대조군으로는 테프론(PTFE)을 바인더로 사용하여 제조한 전극을 사용하였다.
도 3은 본 발명에 따른 바인더를 사용하여 제조한 전극을 구비한 초고용량 축전기의, 임피던스를 사용하여 순환전류법(cyclic voltammetry; CV)로 측정한, 전기화학적 특성을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 바인더를 사용하여 제조한 전극을 구비한 코인셀의 정전용량(capacitance)을 나타낸 도이다.
도 5는 동일한 양의 PTFE와 본 발명에 따른 바인더를 사용하여 제조한 전극의 전기화학적 축전기 성능 측정 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 가지결합된 PEO-PPO 블록 공중합체 및 코바인더로서 PTFE를 추가로 포함하는 바인더를 사용하여 제조한 전극을 구비한 초고용량 축전기의, 임피던스를 사용하여 순환전류법(cyclic voltammetry; CV)로 측정한, 전기화학적 특성을 나타낸 도이다. 비교예로서 PTFE만을 바인더로 사용하여 제조한 전극을 구비한 초고용량 축전기를 사용하였다.
1 is a schematic view illustrating a method of synthesizing a first polymer from a bound PEO-PPO block copolymer according to the present invention.
FIG. 2 is a SEM image of a graphene electrode manufactured using a binder according to the present invention. As a control group, an electrode prepared by using Teflon (PTFE) as a binder was used.
FIG. 3 is a graph showing electrochemical characteristics of an ultra-high capacity capacitor having an electrode manufactured using the binder according to the present invention, as measured by cyclic voltammetry (CV) using an impedance.
4 is a graph showing a capacitance of a coin cell including an electrode manufactured using the binder according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of electrochemical cell performance measurement of an electrode manufactured using the same amount of PTFE and the binder according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the results of cyclic voltammetry (CV) analysis using an impedance of an ultra-high-capacity capacitor having an electrode manufactured using a binder containing a PTFE as a co-binder and a branched PEO-PPO block copolymer. , Which shows electrochemical characteristics. As a comparative example, an ultra-high capacity capacitor having an electrode prepared by using only PTFE as a binder was used.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시에에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1: 말단이  1: 트리에톡시실란(triethoxysilane)으로With triethoxysilane 캡핑된Capped 사중기능성( Quad functionality tetrafunctionaltetrafunctional ) 블록 공중합체(단위블록)의 제조) Preparation of block copolymer (unit block)

3구 둥근 바닥 플라스크에 교반기를 장착하고, 오일배스를 준비한 후, 사중기능성 PEO-PPO 블록 공중합체(Tetronic 90R4 및 701, Sigma-Aldrich) 1 몰과 (3-이소시아나토프로필)트리에톡시실란((3-isocyanotopropyl)triethoxysilane, Sigma-Aldrich) 4 몰을 촉매인 2-에틸-헥사노에이트(2-ethyl-hexanoate, Sigma-Aldrich)와 함께 질소 분위기 하에 첨가하고 70℃에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응이 종결된 후 클로로포름을 사용하여 세척하면서 미반응 단량체를 제거하고, 석유 에테르(petrolium ether; SAMCHUN P0222)로 침전시킨 후 여과하였다. 수득물을 감압오븐에서 충분히 건조하여 말단이 트리에톡시실란으로 캡핑된 사중기능성 PEO-PPO 블록 공중합체(TPL-TPEs)를 수득하였다.
A three-necked round bottom flask was equipped with a stirrer and an oil bath was prepared and then 1 mole of a quadruplicated functional PEO-PPO block copolymer (Tetronic 90R4 and 701, Sigma-Aldrich) and (3-isocyanatopropyl) triethoxysilane (2-ethyl-hexanoate, Sigma-Aldrich) was added under nitrogen atmosphere and the reaction was carried out at 70 ° C for 1 hour . After completion of the reaction, unreacted monomers were removed by washing with chloroform, precipitated with petroleum ether (SAMCHUN P0222), and filtered. The resultant was sufficiently dried in a vacuum oven to obtain a quadrifunctional PEO-PPO block copolymer (TPL-TPEs) whose terminals were capped with triethoxysilane.

실시예Example 2:  2: 사중기능성Quadruple functionality 블록 공중합체들이  Block copolymers 가교되어Bridged 형성된  Formed 가교된Bridged 사중기능Quadruple function 성 블록 공중합체(Block copolymer ( cTPLcTPL -- TPEsTPEs )의 제조)

30 ㎖ 바이알에 상기 실시예 1에 따라 제조한 말단이 트리에톡시실란으로 캡핑된 사중기능성 PEO-PPO 블록 공중합체(TPL-TPEs)를 넣고 무수 테트라히드로퓨란(anhydrous tetrahydrofuranl, Sigma-Aldrich 401757) 4 ㎖을 첨가하여 용해시킨 후 여과하고, 졸-겔(sol-gel) 반응을 위해 산성용액을 첨가하였다. 상기 졸-겔 반응을 위한 산성용액으로는 물, 에탄올 및 염산을 1:3.2:0.13의 부피비로 혼합하여 제조한 용액을 사용하였다. 상기 졸-겔 반응을 통해, 가교된 사중기능성 PEO-PPO 블록 공중합체(cTPL-TPEs)를 수득하였다.
(TPL-TPEs) prepared in Example 1 and capped with triethoxysilane were placed in a 30 ml vial, and anhydrous tetrahydrofuran (Sigma-Aldrich 401757) 4 Ml was added to dissolve and then filtered, and an acidic solution was added for a sol-gel reaction. A solution prepared by mixing water, ethanol and hydrochloric acid in a volume ratio of 1: 3.2: 0.13 was used as the acid solution for the sol-gel reaction. Through this sol-gel reaction, cross-linked quadruplicated functional PEO-PPO block copolymers (cTPL-TPEs) were obtained.

실시예Example 3: 바인더로서  3: as a binder 가교된Bridged 사중기능성Quadruple functionality 블록 공중합체( Block copolymer ( cTPLcTPL -- TPEsTPEs )를 함유하는 전극의 제조) ≪ / RTI >

슬러리 제조방법에 따라 가지결합된 사중기능성 PEO-PPO 블록 공중합체(cTPL-TPEs)를 바인더로 함유하는 전극을 제조하였다. 구체적으로, 전극 활물질인 그라핀(graphene) 800 mg, 도전재인 카본블랙(carbon black) 150 mg 그리고 상기 실시예 2로부터 수득한 가지결합된 사중기능성 PEO-PPO 블록 공중합체(cTPL-TPEs) 50 mg을 슬러리로 주조하여 집전체(current collector)에 코팅하였다. 건조 후, 제작된 전극을 적당한 크기로 잘라 파우치(Pouch) 또는 코인셀(coin cell) 타입의 이차전지 또는 초고용량 축전기의 전극으로 사용하였다.
According to the slurry preparation method, an electrode containing a quadrivalent functional PEO-PPO block copolymer (cTPL-TPEs) bound in a binder was prepared. Specifically, 800 mg of graphene as an electrode active material, 150 mg of carbon black as a conductive material, and 50 mg of the combined quadrupole functionalized PEO-PPO block copolymer (cTPL-TPEs) obtained from Example 2 Was cast into a slurry and coated on a current collector. After drying, the prepared electrode was cut to an appropriate size and used as an electrode of a pouch or a coin cell type secondary battery or an ultra-high capacity capacitor.

실시예Example 4: 바인더로서  4: as a binder 가교된Bridged 사중기능성Quadruple functionality 블록 공중합체( Block copolymer ( cTPLcTPL -- TPEsTPEs )를 함유하는 전극을 구비한 초고용량 축전기의 제조) ≪ / RTI > < RTI ID = 0.0 >

코인셀 제조방법에 따라 상기 실시예 3에 따라 제조한 전극을 구비한 초고용량 축전기를 제조하였다. 구체적으로, 천공기(punching tool)를 이용하여 그라핀 전극을 14 파이로 절단하였다. 상기 그라핀을 활물질로 이용하여 실시예 3 또는 4로부터 제조한 전극에 위에 고분자 분리막을 얹고 그 위에 다시 실시예 3 또는 4로부터 제조한 전극을 올려 감압오븐에서 충분히 건조시켜 코인셀을 제조하였다.
An ultra-high capacity capacitor having electrodes prepared according to Example 3 was prepared according to the coin cell manufacturing method. Specifically, the graphene electrode was cut into 14 pies using a punching tool. The polymer membrane was placed on the electrode prepared in Example 3 or 4 using the above-mentioned graphene as an active material, and the electrode prepared in Example 3 or 4 was further placed thereon and sufficiently dried in a vacuum oven to prepare a coin cell.

실시예Example 5:  5: 가교된Bridged 사중기능성Quadruple functionality 블록 공중합체( Block copolymer ( cTPLcTPL -- TPEsTPEs ) 및 ) And 코바인더로서As a nose binder PTFE를 함유하는 전극 및 상기 전극을 구비한 초고용량 축전기의 제조 Manufacture of an electrode containing PTFE and an ultra-high capacity capacitor having the electrode

상기 실시예 3 및 4에 기재된 방법에 따라 전극 및 상기 전극을 구비한 초고용량 축전기를 제조하되, 상기 실시예 2에 따라 제조된 본 발명에 따른 가교된 사중기능성 블록 공중합체(cTPL-TPEs) 바인더 및 코바인더로서 종래 사용되는 바인더인 PTFE를 각각 17.8 중량% 및 2.5 중량%로 혼합하여 사용하여 제조하였다. 이때, 도전재는 8.9 중량%로 사용하였다.
(CTPL-TPEs) binder according to the present invention prepared in accordance with the above-described Example 2, except that an electrode and an electrode were prepared according to the methods described in Examples 3 and 4 above, And PTFE, which is a binder conventionally used as a nose binder, in an amount of 17.8 wt% and 2.5 wt%, respectively. At this time, the conductive material was used in an amount of 8.9 wt%.

비교예Comparative Example 1: 바인더로서  1: as a binder PTFEPTFE 를 함유하는 전극 및 상기 전극을 구비한 And an electrode containing the electrode 초고용Second employment 량 축전기의 제조Manufacture of Capacitor Capacitors

상기 실시예 3 및 4에 기재된 방법에 따라 전극 및 상기 전극을 구비한 초고용량 축전기를 제조하되, 바인더로서 본 발명에 따른 가교된 사중기능성 블록 공중합체(cTPL-TPEs) 대신에 일반적으로 사용되는 바인더인 PTFE를 사용하여 제조하였다.
(CTPL-TPEs) according to the present invention as a binder, and a binder, which is generally used in place of the crosslinked quadrupole functional block copolymer (cTPL-TPEs) according to the present invention, Gt; PTFE < / RTI >

실험예Experimental Example 1: 전극에서 바인더로 사용한  1: Used as a binder in the electrode 가교된Bridged 사중기능성Quadruple functionality 블록 공중합체( Block copolymer ( cTPLcTPL -- TPEsTPEs )의 분산도 확인) Confirm dispersion of

상기 실시예 2 또는 비교예 1에 따라 제조한 전극의 단면 SEM 이미지를 획득하고, 이로부터 바인더로 사용된 가교된 사중기능성 블록 공중합체(cTPL-TPE) 또는 PTFE의 전극 내에서의 분산 정도를 확인하였다. 도 2에 나타난 바와 같이, PTFE를 바인더로 사용하여 전극을 제조한 경우와 cTPL-TPE를 바인더로 사용하여 전극을 제조한 경우 모두 그라핀 전극에 고르게 분산되어 있는 것을 확인하였다.
Sectional SEM image of the electrode prepared according to Example 2 or Comparative Example 1 was obtained, and the degree of dispersion of the crosslinked quadrupole functional block copolymer (cTPL-TPE) or PTFE used as the binder in the electrode was confirmed Respectively. As shown in FIG. 2, it was confirmed that both the electrode prepared using PTFE as a binder and the electrode prepared using cTPL-TPE as a binder were uniformly dispersed in the graphene electrode.

실험예Experimental Example 2: 바인더로서  2: as a binder 가교된Bridged 사중기능성Quadruple functionality PEOPEO -- PPOPPO 블록 공중합체를 포함하는 전극 및  An electrode comprising a block copolymer and 유기계Organic 전해질 막과 상기 전극을 구비한 초고용량 축전기의 전기화학적 특성 분석 Electrochemical Characterization of an Electrolyte Membrane and a Super Capacitor with the Electrode

상기 실시예 4 또는 5에 따라 제조한 전극 및 코인 셀 형태의 초고용량 축전기의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 임피던스를 사용하여 순환전류법(cyclic voltammetry; CV), 정전류법(galvanostat) 및 전지 저항을 측정하였다. 상기 순환전류법은 0V로부터 3.2V까지 수행하였으며, 정전류법은 전류밀도에 따라 3.2V로 충전하고 0V까지 방전시켜 수행하였다. 대조군으로 상용화된 바인더인 PTFE를 이용하여 제조한 셀을 이용하여 동일한 조건으로 측정하여 비교하였다. 그 결과를 각각 도 3 내지 5에 나타내었다.In order to confirm the electrochemical characteristics of the super high capacitance capacitor of the electrode and coin cell type fabricated according to Example 4 or 5, cyclic voltammetry (CV), galvanostat and battery resistance were measured using an impedance Respectively. The cyclic current method was performed from 0V to 3.2V, and the constant current method was performed by charging to 3.2V according to the current density and discharging to 0V. The cells were fabricated using PTFE, a binder that was commercialized as a control. The results are shown in Figs. 3 to 5, respectively.

도 3에 나타난 바와 같이, 순환전압전류 곡선에서 PTFE를 바인더로 사용하여 제조한 전극과 비교하여 cTPL-TPE를 사용하여 제조한 전극을 구비한 축전기의 전류세기가 현저히 증가한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 충·방전을 수행하였을 때, 전지의 비정전용량값이 본 발명에 따른 바인더를 사용하여 제조한 전극에서 현저히 향상되었다. 이는 cTPL-TPE가 유기계 전해질과의 우수한 상용성을 바탕으로 전극 내부의 저항을 효과적으로 감소시켰음을 나타내는 것이다. 또한, 도 4에 나타난 충·방전 곡선에서는 cTPL-TEP를 바인더로 사용하여 제조한 전극을 구비한 축전기가 약 2배가량 높은 비정전용량 값을 나타냄을 확인하였다.As shown in FIG. 3, it was confirmed that the electric current intensity of a capacitor including an electrode manufactured using cTPL-TPE was significantly increased as compared with an electrode manufactured by using PTFE as a binder in a cyclic voltage-current curve. That is, when charging / discharging was performed, the value of the non-discharging capacity of the battery was remarkably improved in the electrode manufactured using the binder according to the present invention. This indicates that cTPL-TPE effectively reduced the internal resistance of the electrode based on its excellent compatibility with the organic electrolyte. In addition, it was confirmed that the capacitor having the electrode manufactured using the cTPL-TEP as a binder exhibited a non-discharge capacity value about twice as high as that of the charge / discharge curve shown in FIG.

도 5는 전극 제조시 PTFE와 cTPL-TEP를 바인더로 포함하여 제조한 전극 내부에서의 저항을 확인한 결과를 나타낸 것으로, 동일한 양의 PTFE 및 cTPL-TEP를 사용하여 제조한 전극의 전기화학적 용량(electrochemical capacitor)을 확인한 결과 cTPL-TPE를 함유한 전극에서 보다 우수한 확산 저항(diffusion resistivity) 및 ESR을 나타냄을 확인하였다. 이는 전극 중의 바인더인 cTPL-TEP와 유기계 전해질과의 상용성이 우수하여 전극 내부의 저항을 낮추는 효과를 나타냄을 의미하는 것이다.
FIG. 5 shows the results of confirming the resistance in the electrode prepared by including PTFE and cTPL-TEP as a binder in the preparation of the electrode. The electrochemical capacity (electrochemical) of the electrode prepared using the same amount of PTFE and cTPL- capacitor, it was confirmed that the electrode containing cTPL-TPE shows better diffusion resistivity and ESR. This means that the cTPL-TEP, which is a binder in the electrode, is excellent in compatibility with the organic electrolyte, thereby lowering the resistance inside the electrode.

실험예Experimental Example 3:  3: 가교된Bridged 사중기능성Quadruple functionality 블록 공중합체( Block copolymer ( cTPLcTPL -- TPEsTPEs ) 및 ) And 코바인더로서As a nose binder PTFE를 함유하는 전극 및  Electrodes containing PTFE and / 유기계Organic 전해질 막과 상기 전극을 구비한 초고용량 축전기의 전기화학적 특성 분석 Electrochemical Characterization of an Electrolyte Membrane and a Super Capacitor with the Electrode

상기 실시예 5 및 비교예 1에 따라 제조한 cTPL-TPE 및 코바인더로서 PTFE를 모두 포함하는 바인더를 이용하여 제조한 전극과 PTFE만을 바인더로 이용하여 제조한 전극를 구비한 축전기의 순환전압전류를 측정하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, 코바인더로서 PTFE를 더 함유하는 즉, cTPL-TPE와 PTFE를 모두 포함하여 제조한 전극을 구비한 축전기의 전류세기가 PTFE만을 이용하여 제조한 전극을 구비한 축전기에 비해 높았으며, 실제로 비정전용량 값은 PTFE만을 사용한 경우 25.4 F/g, 본 발명에 따른 바인더에 PTFE를 코바인더로 더 포함하는 바인더(cTPL-TPE+PTFE)의 경우 36.5 F/g로, 바인더로서 비불소계 고분자인 cTPL-TPE를 18 중량% 함유하였음에도 40% 정도 증가되어 현저히 더 높은 수치를 나타냄을 확인하였다.The cyclic voltammetry of an electrode manufactured using a binder containing both cTPL-TPE and PTFE as a co-binder prepared according to Example 5 and Comparative Example 1 and an electrode manufactured using only PTFE as a binder was measured And the results are shown in Fig. As shown in FIG. 6, the electric current intensity of the capacitor including the electrode further comprising PTFE as the nasal binder, that is, including both the cTPL-TPE and the PTFE, compared to the capacitor having the electrode manufactured using only PTFE (CTPL-TPE + PTFE) which further contains PTFE as a novolak binder in the binder according to the present invention is 36.5 F / g, and the ratio of the non-reactive capacity to the ratio It was confirmed that even though the content of cTPL-TPE, which is a fluoropolymer, was 18% by weight, it was increased by about 40%, indicating a significantly higher value.

Claims (19)

하기 화학식 1로 표시되는 폴리프로필렌옥사이드(poly(propylene oxide); PPO) 블록 및 하기 화학식 2로 표시되는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide); PEO) 블록을 각각 하나 이상 포함하는 단위블록이 가지결합하여 형성된 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자를 함유하는 바인더로서,
상기 PEO-PPO 블록 공중합체가 가지결합된 고분자는 각 말단에 가지결합 가능한 작용기를 구비한 단위블록을 결합시켜 형성되고,
상기 단위블록은 PPO 블록 및 PEO 블록을 각각 하나 이상 포함하는 선형 블록 공중합체이거나, 상기 선형 블록 공중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는 1,2-디아미노에탄 유도체(1,2-diaminoethane derivatives)에 2개 이상 치환된 것인 바인더:
[화학식 1]
Figure pat00006

[화학식 2]
Figure pat00007

[화학식 3]
Figure pat00008

상기 식에서 m 및 n은 각각 독립적으로 1 이상의 정수이며,
상기 단위블록은 300 내지 100,000 Da의 분자량을 가짐.
(PPO) block represented by the following formula (1) and a polyethylene oxide (PEO) block represented by the following formula (2) Wherein the PEO-PPO block copolymer formed is a binder containing a branched polymer,
The polymer in which the PEO-PPO block copolymer is bound is formed by bonding a unit block having functional groups capable of branching at each end thereof,
The unit block may be a linear block copolymer containing at least one of a PPO block and a PEO block, or the linear block copolymer may be a 1,2-diaminoethane derivative represented by the following general formula (3) Wherein the binder is two or more substituted:
[Chemical Formula 1]
Figure pat00006

(2)
Figure pat00007

(3)
Figure pat00008

In the above formula, m and n are each independently an integer of 1 or more,
The unit block has a molecular weight of 300 to 100,000 Da.
제1항에 있어서,
상기 선형 블록 공중합체는 PEO-PPO, PEO-PPO-PEO 또는 PPO-PEO-PPO의 형태인 것인 바인더.
The method according to claim 1,
Wherein the linear block copolymer is in the form of PEO-PPO, PEO-PPO-PEO or PPO-PEO-PPO.
제1항에 있어서,
상기 단위블록은 하기 화학식 4 또는 5의 구조를 갖는 것인 바인더:
[화학식 4]
Figure pat00009

[화학식 5]
Figure pat00010

상기 식에서,
X1 내지 X4 중 2개 이상은 가지결합 가능한 작용기를 포함함.
The method according to claim 1,
Wherein the unit block has a structure of Formula 4 or 5:
[Chemical Formula 4]
Figure pat00009

[Chemical Formula 5]
Figure pat00010

In this formula,
Two or more of X 1 to X 4 include a functional group capable of binding to each other.
제1항에 있어서,
상기 단위블록은 PEO를 10 내지 90 중량%로 포함하는 것인 바인더.
The method according to claim 1,
Wherein the unit block comprises 10 to 90% by weight of PEO.
제1항에 있어서,
상기 가지결합 가능한 작용기는 단위블록의 말단에 직접 연결되거나; 에테르, 아미드, 우레탄, 에스테르로 구성된 군으로부터 선택되는 작용기 및 C1 -18 알킬을 포함하는 간격자(spacer)를 포함하는 링커를 통해 연결된 것인 바인더.
The method according to claim 1,
The bridgeable functional group is directly connected to the end of the unit block; The binder ether, an amide, that are linked through a linker comprising a polyurethane, character spacing (spacer) containing a functional group, and C 1 -18 alkyl selected from the group consisting of ester.
제1항에 있어서,
상기 가지결합 가능한 작용기는 트리에톡시실란, 아크릴레이트 및 에폭시로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 바인더.
The method according to claim 1,
Wherein the branch-linkable functional groups are selected from the group consisting of triethoxysilane, acrylate, and epoxy.
제1항에 있어서,
제1고분자는 10,000 내지 1,000,000의 수평균 분자량(Mn; number-average molecular weight) 또는 10,000 내지 10,000,000의 중량평균 분자량(Mw; weightaverage molecular weight)을 갖는 것인 바인더.
The method according to claim 1,
Wherein the first polymer has a number average molecular weight (Mn) of 10,000 to 1,000,000 or a weight average molecular weight (Mw) of 10,000 to 10,000,000.
제1항에 있어서,
코바인더로서 총 바인더 질량에 대해 20 중량% 이하로 불소계 고분자를 추가로 포함하는 것인 바인더.
The method according to claim 1,
Wherein the binder further comprises a fluoropolymer in an amount of not more than 20% by weight based on the total binder weight.
제8항에 있어서,
상기 불소계 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy; PFA), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌(ethylene chlorotrifluoroethylene; E-CTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ethylene tetrafluoroethylene; E-TFE), 폴리비닐리딘플루오라이드(poly(vinylidine fluoride); PVDF), 테트라플루오로에틸렌헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylenehexafluoropropylene; FEP) 및 클로로트리플루오로에틸렌(chlorotrifluoroethylene; CTFE), 헥사플루오로프로필렌(hexafluoropropylene; HFP)으로 구성된 군으로부터 선택되는 고분자의 단일중합체(homopolymer), 공중합체(copolymer) 또는 고분자 혼합물인 것인 바인더.
9. The method of claim 8,
The fluorinated polymer may be at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxy (PFA), ethylene chlorotrifluoroethylene (E-CTFE), ethylene tetrafluoroethylene (TFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene hexafluoropropylene (FEP), chlorotrifluoroethylene (CTFE), hexafluoropropylene ; HFP). ≪ / RTI > The binder is a homopolymer, copolymer or polymer blend of polymers.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 바인더; 및 전극 활물질을 포함하는 전극.
10. A binder according to any one of claims 1 to 9, And an electrode active material.
제10항에 있어서,
전극활물질 100중량부를 기준으로 바인더를 2.5 내지 8.8 중량부 포함하는 것인 전극.
11. The method of claim 10,
Wherein the binder contains 2.5 to 8.8 parts by weight of a binder based on 100 parts by weight of the electrode active material.
제10항에 있어서,
상기 전극 활물질은 활성탄소(activated carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT), 기상성장탄소섬유(vapor grown carbon fiber; VGCF), 탄소에어로겔(carbon aerogel), 탄화수소 또는 불소계 탄화수소 고분자를 탄화하여 제조한 탄소나노섬유(carbonanofiber; CNF), 그라핀, 그라파이트, 금속, 금속산화물, 합금 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 전극.
11. The method of claim 10,
The electrode active material is prepared by carbonizing activated carbon, carbon nanotube (CNT), vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon aerogels, hydrocarbons or fluorinated hydrocarbons Wherein the electrode is selected from the group consisting of carbon nanofibers (CNF), graphene, graphite, metals, metal oxides, alloys, and mixtures thereof.
제10항에 있어서,
도전재를 추가로 포함하는 것인 전극.
11. The method of claim 10,
And further comprising a conductive material.
제13항에 있어서,
상기 도전재는 카본 블랙, 탄소 분말, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn), 카본 나노 링(carbon nano ring) 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 전극.
14. The method of claim 13,
The conductive material may be carbon black, carbon powder, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano-horn, carbon nano ring, ≪ / RTI > and mixtures thereof.
제10항에 있어서,
상기 전극은 균일하게 혼합한 가교되지 않은 바인더 전구체 및 전극 활물질을 포함하는 전극 조성물을 산성용액으로 처리하여 바인더 전구체를 가교결합시켜 제조되거나 바인더 전구체를 산성용액으로 처리하여 제조된 가교결합된 바인더 및 전극 활물질을 포함하는 전극 조성물로부터 제조되는 것인 전극.
11. The method of claim 10,
The electrode may be prepared by crosslinking a binder precursor by treating an electrode composition containing an uncrosslinked binder precursor and an electrode active material with an acidic solution uniformly mixed or a crosslinked binder prepared by treating the binder precursor with an acidic solution and an electrode Wherein the electrode composition is prepared from an electrode composition comprising an active material.
제15항에 있어서,
상기 산성용액은 물, 에탄올 및 염산의 혼합 용액인 것인 전극.
16. The method of claim 15,
Wherein the acid solution is a mixed solution of water, ethanol and hydrochloric acid.
제10항 또는 제16항에 있어서,
상기 전극 활물질 또는 도전재는 분말 상태인 것인 전극.
17. The method according to claim 10 or 16,
Wherein the electrode active material or the conductive material is in a powder state.
제10항에 기재된 전극을 구비한 이차전지.
A secondary battery comprising the electrode according to claim 10.
제10항에 기재된 전극을 구비한 초고용량 축전기.An ultra-high capacity capacitor having the electrode according to claim 10.
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