KR20180103453A - Negative Electrode for Non-aqueous Aluminum ion Battery and Method for Preparation of the Same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a negative electrode material for non-aqueous aluminum ion batteries, and a production method thereof. More specifically, the present invention relates to a method for producing a negative electrode material for non-aqueous aluminum ion batteries, and an aluminum negative electrode material for non-aqueous aluminum ion batteries produced thereby. To this end, the specific capacity of the non-aqueous aluminum ion battery can be remarkably increased, and the surface area can be increased without formation of oxide layers by treating a surface of the aluminum negative electrode material via an electrochemical method in order to greatly enhance charge/discharge stability.

Description

비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재 및 이의 제조방법{Negative Electrode for Non-aqueous Aluminum ion Battery and Method for Preparation of the Same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a negative electrode material for a non-aqueous aluminum ion battery and a method for manufacturing the negative electrode material.

본 발명은 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비수계 알루미늄 이온 배터리의 비용량을 획기적으로 증가시키고, 충방전 안정성을 크게 증가시킬 수 있는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode material for a nonaqueous aluminum ion battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a negative electrode material for a nonaqueous aluminum ion battery which can dramatically increase the specific capacity of a nonaqueous aluminum ion battery, A negative electrode material for a battery, and a manufacturing method thereof.

최근, 화석연료의 사용으로 인한 환경문제와 연료 고갈의 문제들로 인해, 리튬 이온 배터리 또는 그린 신재생 에너지와 같은 새로운 에너지 시스템 개발과 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. Recently, due to environmental problems and fuel depletion problems caused by the use of fossil fuels, the development and research of new energy systems such as lithium ion batteries or green renewable energy are continuing.

하지만, 리튬 이온 배터리에 양극재료로 사용되는 LiCoO2, Li2MnO4와 같은 원물질의 단가가 증가함에 따라, 이러한 고비용 재료의 문제점을 극복하고자 레독스 플로우 배터리, 나트륨 이온 배터리, 마그네슘 이온 배터리, 알루미늄 이온 배터리 등과 같은 금속 이온 배터리에 관한 연구가 진행되어 왔다. However, as the cost of raw materials such as LiCoO 2 and Li 2 MnO 4 used as an anode material for a lithium ion battery increases, it is necessary to use a redox flow battery, a sodium ion battery, a magnesium ion battery, Research has been conducted on metal ion batteries such as aluminum ion batteries.

이중 대체 에너지 시스템으로 각광받고 있는 알루미늄 이온 배터리는, 지구의 지각 구성 비율 중 세번째로 상당히 풍부한 알루미늄 부존량으로 인해 저비용의 배터리를 만들 수 있다는 점에서 이를 상업적으로 리튬 이온 배터리를 대체한다면 큰 경제적 파급력을 갖는 것으로 전망된다. Aluminum ion batteries, which are considered as a dual alternative energy system, can make low-cost batteries due to the third richness of aluminum in the Earth's crustal composition ratio, and it is a big economic impact if they replace commercial lithium-ion batteries It is expected.

알루미늄은 전기화학적 산화 반응 과정에서 알루미늄 원자 하나 당 3개의 전자를 내놓아 이론적 용량은 상당히 우수하다. 그러나 수용계 전해질 조건에서 환원 시 알루미늄의 표준환원전위 -1.667V (vs.RHE)가 수소의 표준환원전위 0V (vs.RHE)보다 낮기 때문에 수소 양성자가 환원되어 수소를 발생하는 반응(HER)이 우세하게 일어난다. 이러한 문제점으로 인해 그동안 알루미늄은 배터리 시스템에 있어서, 알루미늄 에어 배터리와 같이 1차 전지로써 밖에 구동이 되질 않았다. Aluminum offers three electrons per aluminum atom in the electrochemical oxidation process, and the theoretical capacity is quite good. However, since the standard reduction potential of aluminum is -1.667V (vs. RHE) lower than the standard reduction potential of hydrogen (vsRHE), the hydrogen proton is reduced to generate hydrogen (HER) It prevails. Due to such a problem, aluminum has only been driven by a primary battery, such as an aluminum air battery, in a battery system.

그러나 알루미늄 전극을 사용한 전지에서 전해질을 비수용성인 유기 전해질을 사용할 경우, 수소 발생이 억제되고 알루미늄의 환원반응이 가능하게 되므로, 알루미늄 소재를 사용한 2차 전지의 전극으로서 사용할 수 있다. 현재 여러 양극 재료를 적용한 알루미늄 이온 배터리 연구가 활발히 진행되고 있다.However, when an organic electrolyte which does not use an electrolyte is used in a battery using an aluminum electrode, hydrogen generation is suppressed and a reduction reaction of aluminum becomes possible, so that it can be used as an electrode of a secondary battery using an aluminum material. Aluminum ion batteries using various cathode materials have been actively studied.

특허문헌 1에서는 바나듐 산화물을 양극재료로 사용하여 알루미늄 이온 배터리를 제조하였는데, 사이클 수명이 적은 단점과 쿨롱 효율이 다소 낮은 성능을 보였다. 그 외에도 Mo6S8, LiFePO4, graphite 등 다양한 양극재 적용으로 비용량을 증가시키려는 시도들이 있어 왔다(비특허문헌 1 ~ 3). 이와 같이 양극재 물질 개발에 대한 연구가 지속적으로 이루어왔으나, 음극재 알루미늄에 대한 것은 아직 학계에 보고된 바 없다.In Patent Document 1, an aluminum ion battery was fabricated using vanadium oxide as a cathode material, which has a short cycle life and a low Coulomb efficiency. In addition, attempts have been made to increase the specific capacity by applying various cathode materials such as Mo 6 S 8 , LiFePO 4 , and graphite (Non-Patent Documents 1 to 3). Although research on the development of cathode material has been continuously carried out, there has not been reported in the academia about cathode material aluminum.

한국공개특허 제10-2014-0076589호 (2014.06.20)Korean Patent Publication No. 10-2014-0076589 (June 20, 2014)

L. Geng, G. Lv, X. Xing and J. Guo, Reversible electrochemical intercalation of aluminum in Mo6S8, Chem. Mater. 27 (2015) 4926-4929. L. Geng, G. Lv, X. Xing and J. Guo, Reversible electrochemical intercalation of aluminum in Mo6S8, Chem. Mater. 27 (2015) 4926-4929. X.G. Sun, Z. Bi, H. Liu, Y. Fang, C.A. Bridges, M.P. Paranthaman, S. Dai and G.M. Brown, A high performance hybrid battery based on aluminum anode and LiFePO4 cathode, Chem. Commun. 52 (2016) 1713-1716 X.G. Sun, Z. Bi, H. Liu, Y. Fang, C.A. Bridges, M.P. Paranthaman, S. Dai and G. M. Brown, A high performance hybrid battery based on aluminum anode and LiFePO4 cathode, Chem. Commun. 52 (2016) 1713-1716 M.C. Lin, M. Gong, B. Lu, Y. Wu, D.Y. Wang, M. Guan, M. Angell, C. Chen, J. Yang, B.J. Hwang and H. Dai, An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery, Nature 520 (2015) 325-328 M.C. Lin, M. Gong, B. Lu, Y. Wu, D.Y. Wang, M. Guan, M. Angell, C. Chen, J. Yang, B.J. Hwang and H. Dai, An ultrafast rechargeable aluminum-ion battery, Nature 520 (2015) 325-328

본 발명의 주된 목적은 비수계 알루미늄 이온 배터리의 비용량을 획기적으로 증가시키고, 충방전 안정성을 크게 증가시키기 위해 알루미늄 음극재의 표면을 전기화학적 방법으로 처리하여 산화 피막 형성 없이 표면적을 증가시킨 비수계 알루미늄 이온 배터리의 알루미늄 음극재 제조방법 및 이로부터 제조된 비수계 알루미늄 이온 배터리의 알루미늄 음극재를 제공하는데 있다.The main object of the present invention is to provide a non-aqueous aluminum-based battery having an improved surface area without forming an oxide film by electrochemically treating the surface of an aluminum anode material in order to drastically increase the specific capacity of the non- Ion battery, and an aluminum anode material of a non-aqueous aluminum ion battery manufactured from the method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법에 있어서, (a) 알루미늄 박을 전처리하는 단계; (b) 상기 전처리된 알루미늄 박을 전해액에 침지시키고, 전류를 가하여 에칭하는 단계; 및 (c) 상기 에칭된 알루미늄 박을 세척하고 건조하는 단계를 포함하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention is a method for manufacturing an anode material for a non-aqueous aluminum ion battery, comprising the steps of: (a) pretreating an aluminum foil; (b) immersing the pretreated aluminum foil in an electrolytic solution, and applying an electric current to etch the aluminum foil; And (c) washing and drying the etched aluminum foil. The present invention also provides a method of manufacturing an anode material for a non-aqueous aluminum ion battery.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계는 알루미늄 박을 1 ~ 5 M의 전처리 용액에 30초 ~ 5분 동안 침지시켜 전처리하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the step (a) may be performed by immersing the aluminum foil in a pretreatment solution of 1 to 5 M for 30 seconds to 5 minutes.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 전처리 용액은 염산, 불산, 황산, 불화규소산 및 가성소다로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the pretreatment solution may be at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, hydrofluoric acid, sulfuric acid, silicic acid fluoride, and caustic soda.

본 발명의 바람직한 일 구현예로, 상기 (b)단계에서 에칭은 전처리된 알루미늄 박을 작동 전극으로 하여 전해액이 담긴 용기에 침지시키고, 교류전류를 인가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the etching in the step (b) is performed by immersing the pretreated aluminum foil as a working electrode in a container containing an electrolyte and applying an alternating current thereto have.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 교류전류 인가시 전류 밀도는 40 ~ 400 mA/cm2 이며, 주파수는 0.1 Hz ~ 20 Hz인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the current density when the alternating current is applied is 40 to 400 mA / cm 2 , and the frequency is 0.1 Hz to 20 Hz.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 전해액의 온도는 30 ~ 60 ℃이고, 에칭 시간은 50 ~ 500초인 것을 특징으로 할 수 있다. In one preferred embodiment of the present invention, the temperature of the electrolytic solution is 30 to 60 ° C and the etching time is 50 to 500 seconds.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 전해액은 크롬산(H2CrO4), 질산(HNO3), 염산(HCl) 및 황산(H2SO4)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. In one preferred embodiment of the present invention, the electrolytic solution is at least one selected from the group consisting of chromic acid (H 2 CrO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), hydrochloric acid (HCl) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) can do.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 전해액은 0.5 M ~ 5 M의 염산 및 0.005 M ~ 0.05 M의 황산 포함하며, 상기 염산 및 황산의 부피비가 1 : 0.01 ~ 3인 것을 특징으로 할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the electrolytic solution contains 0.5 M to 5 M hydrochloric acid and 0.005 M to 0.05 M sulfuric acid, and the ratio of hydrochloric acid and sulfuric acid is 1: 0.01 to 3.

본 발명의 바람직한 일 구현예로, 상기 (c) 단계에서 건조는 불활성 분위기에서 상온으로 건조시키는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, drying in the step (c) may be performed at room temperature in an inert atmosphere.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 알루미늄 박은 순도가 99.00 ~ 99.99 %이고, 두께가 0.01 ~ 0.1 mm인 것을 특징으로 할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the aluminum foil has a purity of 99.00 to 99.99% and a thickness of 0.01 to 0.1 mm.

본 발명의 다른 구현예는, 상기 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법에서 제조되고, 표면에 에치 피트(etch pit)가 형성된 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides an anode material for a nonaqueous-based aluminum ion battery, which is produced in the method for manufacturing an anode material for a nonaqueous-based aluminum ion battery and has an etch pit formed on the surface thereof.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 에치 피트는 홈의 평균 직경이 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the etch pit may be characterized in that the average diameter of the grooves is 0.1 탆 to 10 탆.

본 발명은 전기화학적 방법으로 표면적을 증가시킨 알루미늄 음극재를 비수계 알루미늄 이온 배터리에 적용시킴으로써, 표면의 세공구조 형성 및 전기화학적 활성화 면적의 증가로 인해 비수계 알루미늄 배터리의 비용량이 획기적으로 증가하며, 충방전 안정성 역시 크게 증가하는 효과를 가진다.By applying an aluminum anode material having an increased surface area by an electrochemical method to a non-aqueous aluminum ion battery, the cost of the non-aqueous aluminum battery is drastically increased due to the formation of the pore structure on the surface and the increase of the electrochemical activation area, The charge / discharge stability is also greatly increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 박의 에칭용 2전극 시스템의 개략도이다.
도 2는 실시예 1(a), 실시예 2(c) 및 실시예 3(d)의 알루미늄 음극재과 비교예 1(b), 비교예 2(e) 및 비교예 3(f)의 알루미늄 음극재의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 1의 비수계 알루미늄 배터리의 순화전압전류법(CV) 측정 결과 그래프이다.
도 4는 실시예 1의 비수계 알루미늄 배터리(a) 및 비교예 1의 비수계 알루미늄 배터리(b)의 충방전(비용량 대 전압) 측정 결과 그래프이다.
도 5는 실시예 1의 비수계 알루미늄 배터리(a) 및 비교예 1의 비수계 알루미늄 배터리(b)의 충방전(충방전 사이클 대 비용량) 측정 결과 그래프이다.
도 6은 실시예 1의 비수계 알루미늄 배터리의 충방전(시간 대 전압) 측정 결과 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a two-electrode system for etching an aluminum foil according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a graph showing the relationship between the aluminum anode material of Example 1 (a), Example 2 (c) and Example 3 (d), and the aluminum cathode material of Comparative Example 1 (b), Comparative Example 2 (e) It is a scanning electron microscope photograph of ashes.
Fig. 3 is a graph of the results of the purification voltage and current method (CV) measurement of the non-aqueous aluminum battery of Example 1. Fig.
4 is a graph showing a result of charging / discharging (non-capacity vs. voltage) measurement of the non-aqueous aluminum battery (a) of Example 1 and the non-aqueous aluminum battery (b) of Comparative Example 1. Fig.
5 is a graph showing a result of charging / discharging (charge / discharge cycle vs. non-capacity) measurement of the non-aqueous aluminum battery (a) of Example 1 and the non-aqueous aluminum battery (b) of Comparative Example 1;
6 is a graph showing a result of charge / discharge (time vs. voltage) measurement of the non-aqueous aluminum battery of Example 1. Fig.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 비수계 알루미늄 이온 배터리의 음극재 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 음극재의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, a method for manufacturing an anode material for a non-aqueous alkaline ion battery according to the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to the accompanying drawings, in order to facilitate the present invention by those skilled in the art. A preferred embodiment of the negative electrode material will be described in detail.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.In the drawings of the present invention, the sizes and dimensions of the structures are enlarged or reduced from the actual size in order to clarify the present invention, and the known structures are omitted so as to reveal the characteristic features, and the present invention is not limited to the drawings .

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid obscuring the subject matter of the present invention.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, since the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

본 발명은 일 관점에서, 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법에 있어서, (a) 알루미늄 박을 전처리하는 단계; (b) 상기 전처리된 알루미늄 박을 전해액에 침지시키고, 전류를 가하여 에칭하는 단계; 및 (c) 상기 에칭된 알루미늄 박을 세척하고 건조하는 단계를 포함하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention provides a method of manufacturing an anode material for a non-aqueous aluminum ion battery, comprising the steps of: (a) pretreating an aluminum foil; (b) immersing the pretreated aluminum foil in an electrolytic solution, and applying an electric current to etch the aluminum foil; And (c) washing and drying the etched aluminum foil. The present invention also relates to a method of manufacturing an anode material for a non-aqueous aluminum ion battery.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법은 알루미늄 이온 배터리용 음극재로 사용할 알루미늄 박의 표면을 산화 피막의 형성 없이 전기화학적 방법을 이용하여 균일한 분포의 에치 피트를 형성시켜 표면적을 증가시킴으로써, 비수계 알루미늄 이온 배터리의 비용량을 획기적으로 높일 수 있고, 충방전 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.More specifically, the method for manufacturing an anode material for a non-aqueous alkaline ion battery according to the present invention is characterized in that the surface of an aluminum foil to be used as an anode material for an aluminum ion battery is etched by using an electrochemical method without forming an oxide film, By increasing the surface area, it is possible to drastically increase the specific capacity of the non-aqueous aluminum ion battery and to greatly improve the charging / discharging stability.

본 발명에 따른 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법은 먼저, 알루미늄 박의 에치 피트가 형성될 수 있는 최적의 표면 상태를 만들기 위해 전처리 용액을 이용하여 전처리를 수행한다[(a) 단계].In the method of manufacturing an anode material for a non-aqueous alkaline ion battery according to the present invention, pretreatment is performed using a pretreatment solution (step (a)) to make an optimum surface state in which an etch pit of an aluminum foil can be formed.

상기 알루미늄 박의 전처리는 상온에서 1 ~ 5 M 농도의 산 또는 알칼리 성분의 전처리 용액에 알루미늄 박을 30초 ~ 5분 동안 침지시켜 전처리할 수 있다. 만일 전처리 용액의 농도나 전처리 시간이 상기 범위 미만일 경우에는 에치 피트가 형성될 수 있는 최적의 표면 상태를 만들 수 없고, 전처리 용액의 농도나 전처리 시간이 상기 범위를 초과할 경우에는 과도한 화학적 부식 작용으로 에칭 시 피트의 크기가 너무 커져 표면적이 오히려 감소하게 되는 문제점이 발생될 수 있다.The pretreatment of the aluminum foil can be performed by immersing the aluminum foil in a pretreatment solution of an acid or an alkali component at a concentration of 1 to 5 M at room temperature for 30 seconds to 5 minutes. If the concentration or the pretreatment time of the pretreatment solution is less than the above range, the optimum surface condition for forming the etch pit can not be obtained. If the concentration or the pretreatment time of the pretreatment solution exceeds the above range, excessive chemical erosion There is a problem that the size of the pit becomes too large during etching and the surface area is rather reduced.

상기 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재로 사용되는 알루미늄 박으로는 고순도 알루미늄 박으로, 순도가 99.00 ~ 99.99 %이고, 두께가 0.01 ~ 0.1 mm일 수 있다. 만일, 저순도이거나, 두께가 상기 범위를 벗어난 경우에는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재로 사용할 수 없거나, 또는 과도한 부식에 의한 전극이 단락되는 문제점이 발생될 수 있다. The aluminum foil used as the negative electrode material for the non-aqueous aluminum ion battery may be a high purity aluminum foil having a purity of 99.00 to 99.99% and a thickness of 0.01 to 0.1 mm. If the purity is low or the thickness is out of the above range, it may not be used as a negative electrode material for a non-aqueous aluminum ion battery, or the electrode may be short-circuited due to excessive corrosion.

상기 전처리에 사용되는 전처리 용액으로는 염산, 불산, 황산, 불화규소산, 가성소다 등일 수 있다. The pretreatment solution used for the pretreatment may be hydrochloric acid, hydrofluoric acid, sulfuric acid, silicic acid fluoride, caustic soda, or the like.

이와 같이 전처리된 알루미늄 박은 알루미늄 박 표면의 산화층(Al2O3)을 산으로 취약점(weak site)을 형성시켜 에칭시 에치 피트가 형성될 수 있도록 최적의 표면 상태를 만들 수 있다.The pretreated aluminum foil forms a weak site with the acid on the surface of the aluminum foil (Al 2 O 3 ) so that an optimal surface state can be obtained so that an etch pit can be formed during etching.

이후 전처리된 알루미늄 박은 전해액에 침지시키고, 전류를 가하여 전기화학적 방법으로 에칭한다[(b) 단계]. Thereafter, the pretreated aluminum foil is immersed in an electrolytic solution, and an electric current is applied to etch the aluminum foil by an electrochemical method (step (b)).

상기 전처리된 알루미늄 박의 에칭은 구체적으로 작동 전극으로 하여 전해액이 담긴 용기에 침지시키고, 전류를 인가하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 전류 인가는 에칭 피트 형성 측면에서 교류 전류를 인가할 수 있고, 교류전류 인가시 전류 밀도는 40 ~ 400 mA/cm2 일 수 있으며, 바람직하게는 100 ~ 350 mA/cm2일 수 있고, 더욱 바람직하게는 200 ~ 300 mA/cm2일 수 있다. 또한 교류전류 인가시 주파수는 0.1 Hz ~ 20 Hz일 수 있으며, 바람직하게는 5 Hz ~ 15 Hz일 수 있고, 더욱 바람직하게는 10 Hz일 수 있다.Etching of the pretreated aluminum foil can be performed by specifically immersing the pretreated aluminum foil as a working electrode in a container containing an electrolyte and applying an electric current. At this time, the current application can apply an alternating current in terms of etch pit formation, and the current density when an alternating current is applied is 40 to 400 mA / cm 2 Preferably 100 to 350 mA / cm < 2 >, and more preferably 200 to 300 mA / cm < 2 >. Also, the frequency at the time of application of the alternating current may be 0.1 Hz to 20 Hz, preferably 5 Hz to 15 Hz, and more preferably 10 Hz.

만일, 상기 교류전류 인가시 전류 밀도가 각각 40 ~ 400 mA/cm2 범위를 벗어난 경우, 표면이 과도하게 용출되거나 피트의 밀도가 작게 되어 알루미늄 박의 표면적 확대가 어려울 수 있고, 주파수가 0.1 Hz ~ 20 Hz를 벗어난 경우에는 파형이 직류와 거의 같아져서 교류 에칭이 이루어지지 않거나, 고주파수의 파형으로 인하여 비 표면적이 증가하다가 감소하는 현상이 발생될 수 있다.If the current density is out of the range of 40 to 400 mA / cm 2 upon application of the alternating current, the surface may be excessively eluted or the density of the pits may be reduced, which may make it difficult to enlarge the surface area of the aluminum foil. When the frequency is out of 20 Hz, the waveform becomes almost the same as the direct current, and the AC etching may not be performed, or the specific surface area may be increased due to the high frequency waveform, and then the phenomenon may be reduced.

또한, 알루미늄 박을 에칭하는 시간은 50 ~ 500초, 바람직하게는 100 ~ 300 초로, 에칭 시간이 50초 미만일 경우에는 에치 피트가 형성되지 않으며, 500초를 초과할 경우에는 전처리된 알루미늄 박에 홀(hole)을 야기하여 기계적 강도를 감소시킬 수 있다.Etch pits are not formed when the etching time is less than 50 seconds. When the etching time is more than 500 seconds, the aluminum foil is etched with the holes holes may be generated to reduce the mechanical strength.

한편, 상기 알루미늄 박의 에칭에 사용되는 전해액은 크롬산(H2CrO4), 질산(HNO3), 염산(HCl) 및 황산(H2SO4)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 염산 및 황산을 포함할 수 있다. 이때, 전해질 농도는 0.001 M ~ 10 M로, 상기 범위를 벗어날 경우에는 에칭 피트 형성이 제대로 이루어지지 않거나, 또는 형성된 에칭 피트의 크기가 너무 켜질 수 있는 문제점이 발생될 수 있다.The electrolytic solution used for etching the aluminum foil includes at least one selected from the group consisting of chromic acid (H 2 CrO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), hydrochloric acid (HCl) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) And may preferably include hydrochloric acid and sulfuric acid. At this time, the electrolyte concentration is 0.001 M to 10 M. If it is out of the above range, the etching pit may not be formed properly, or the size of the formed etching pit may be too large.

특히, 0.5 M ~ 5 M의 염산이 포함된 전해액은 교류 전류 인가에 따른 에칭 과정에서 염소 이온의 활성으로 알루미늄 박의 밀도가 높은 에치 피트를 형성할 수 있고, 상기 염산 전해액에 0.005 M ~ 0.05 M의 황산을 소량 첨가시킴으로써, 염산이 함유된 전해액 내에서 과도한 염소 이온의 활성으로 인해 알루미늄 박의 홀(hole) 생성을 억제시키고, 에치 피트의 형성에 깊고 고른 피트의 형성을 유도할 수 있다.Particularly, the electrolytic solution containing 0.5 M to 5 M of hydrochloric acid can form an etch pit having a high density of aluminum foil by the action of chlorine ions during the etching process according to the application of the alternating current, and the electrolytic solution of 0.005 M to 0.05 M By adding a small amount of sulfuric acid in the electrolytic solution containing hydrochloric acid, it is possible to suppress the formation of holes in the aluminum foil due to the excessive chlorine ion activity in the electrolytic solution containing hydrochloric acid and to induce the formation of deep and uniform pits in the formation of etch pits.

만일, 상기 농도 범위를 벗어난 염산과 황산을 사용할 경우에는 고른 에치 피트의 형성을 얻는데 어려움이 있다. 이때, 상기 전해액에 사용되는 염산 및 황산의 부피비는 1 : 0.01 내지 3일 수 있고, 바람직하게는 1 : 0.5 내지 2로, 염산에 대하여 황산의 함량이 0.01 부피비 미만일 경우에는 황산의 영향을 나타내지 못하고, 염산에 대하여 황산의 함량이 3 부피비를 초과할 경우에는 염소 이온의 활성도를 저해하여 에칭 효율 저하를 일으킬 수 있다.If hydrochloric acid and sulfuric acid are used which are out of the above concentration range, it is difficult to obtain uniform etch pit formation. At this time, the volume ratio of hydrochloric acid and sulfuric acid used in the electrolytic solution may be 1: 0.01 to 3, preferably 1: 0.5 to 2, and when the content of sulfuric acid is less than 0.01 volume ratio with respect to hydrochloric acid, If the content of sulfuric acid is more than 3 vol% with respect to hydrochloric acid, the activity of chlorine ion is inhibited and the etching efficiency may be lowered.

또한, 상기 전해액의 온도는 알루미늄 박에 작용하는 화학적 에칭 과정에서 전해질 이온의 활성도를 가장 크게 작용하여 알루미늄 박에 고른 에칭 피트를 형성할 수 있도록 30 ~ 60 ℃일 수 있고, 바람직하게는 35 ~ 50 ℃일 수 있다. 만일, 전해액의 온도가 30 ℃ 미만일 경우, 피트의 크기가 커지고 밀도가 작아질 수 있으며, 전해액의 온도가 60 ℃보다 큰 경우에는 반대의 현상이 일어나기 때문에 전해액의 온도를 제어해주지 않을 경우에는 에치 피트의 크기 및 형상이 불균일하게 된다.The temperature of the electrolytic solution may be 30 to 60 ° C, preferably 35 to 50 ° C, so as to form an etched pit on the aluminum foil most actively on the activity of the electrolyte ion during the chemical etching process acting on the aluminum foil. Lt; 0 > C. If the temperature of the electrolytic solution is less than 30 ° C, the pit size may become larger and the density may be smaller. If the temperature of the electrolytic solution is higher than 60 ° C, the opposite phenomenon occurs. If the temperature of the electrolytic solution is not controlled, So that the size and shape of the substrate are uneven.

이하에서는 도 1의 알루미늄 박의 에칭용 2 전극 시스템을 통해 본 발명의 에칭 과정을 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2전극 시스템(100)의 계략도로, 상기 2전극 시스템(100)의 작동 전극(1)에 에칭을 시키고자 하는 알루미늄 박을 사용하고, 상대 전극(2)에 일반적인 백금을 사용한다. 상기 2전극 시스템은 원통형의 용기(10)에 전해액(12)를 채우고, 여기에 작동 전극과 상대 전극을 충분히 전해액에 침지시킨다. 상기 전해액의 온도를 일정 온도로 유지하기 위해 전해액이 담긴 용기(10)는 핫 플레이트 위에 두어 가열하며, 온도계(3)를 사용하여 상기 전해액의 온도를 측정하고, 전해액의 온도는 온도 조절기(6)와 마그네틱 바(4)를 사용하여 전체적으로 균일하게 조절한다. Hereinafter, the etching process of the present invention will be described with reference to the two-electrode system for etching the aluminum foil of FIG. 1 schematically illustrates a two-electrode system 100 according to an embodiment of the present invention. The aluminum foil is used to etch the working electrode 1 of the two-electrode system 100 and the counter electrode 2 Platinum < / RTI > In the two-electrode system, the cylindrical vessel 10 is filled with the electrolytic solution 12, and the working electrode and the counter electrode are sufficiently immersed in the electrolytic solution. In order to maintain the temperature of the electrolyte solution at a constant temperature, the container 10 containing the electrolyte solution is heated on a hot plate, and the temperature of the electrolyte solution is measured using a thermometer 3. The temperature of the electrolyte solution is controlled by a temperature controller 6, And the magnetic bar (4).

상기 전해액의 온도가 적절한 온도로 유지되면, 전원 공급장치(미도시)를 통해 교류전류를 공급하여 작동 전극으로 사용된 알루미늄 박 표면이 에칭된다.When the temperature of the electrolytic solution is maintained at an appropriate temperature, an aluminum foil surface used as the working electrode is etched by supplying an alternating current through a power supply (not shown).

이후, 에칭된 알루미늄 박은 표면에 잔존하는 알루미늄 입자를 제거하기 위해 세척한 다음, 건조시킨다[(c) 단계].Thereafter, the etched aluminum foil is washed to remove aluminum particles remaining on the surface and then dried (step (c)).

이때, 세척은 에칭된 알루미늄 박의 표면에 잔존하는 알루미늄 입자가 완전히 제거될 수 있도록 충분한 세척이 필요하며 세척 과정에서 증류수의 온도가 30 ~ 60 ℃의 전해액 온도와 같아야 세척 과정에서 알루미늄 입자가 남지 않는다.At this time, it is necessary to sufficiently clean the aluminum foil so that the aluminum particles remaining on the surface of the etched aluminum foil can be completely removed. In the washing process, the temperature of the distilled water should be the same as the electrolytic solution temperature of 30 to 60 ° C. .

상기 세척 이후 건조는 불활성 기체 존재하에서 상온(20 ~ 27 ℃)으로 충분히 건조시킬 수 있다. The drying after the washing may be sufficiently dried at room temperature (20 to 27 ° C) in the presence of an inert gas.

일반적인 비수계 알루미늄 이온 배터리는 전하의 이동과 함께 전해질(혹은 전극 표면)에서 전기화학적 반응을 수반하며 이러한 반응으로 충방전이 발생이 되므로, 비수계 알루미늄 이온 배터리에 사용되는 음극재 표면에 산화 피막(Al2O3)이 형성된 경우에는 전기전도성이 저하되기 때문에 배터리의 충방전에 악영향을 미친다. 특히 고온에서 세척된 알루미늄 박을 건조시킬 경우에는 알루미늄 표면에 치밀한 Al2O3 산화 피막이 빠르게 형성될 수 있기 때문에 본 발명에서는 알루미늄 박 표면에 산화 피막이 형성되지 않도록 불활성 기체 존재하에 상온으로 건조시킨다. 상기 불활성 기체로는 화학적으로 불활성이면 제한 없이 사용 가능하고, 일 예로, 아르곤, 질소, 헬륨 등일 수 있다.In general, non-aqueous aluminum ion batteries are accompanied by electrochemical reactions at the electrolyte (or electrode surface) along with charge transfer. Charging and discharging occur due to such reactions. Therefore, the surface of the anode material used in non- Al 2 O 3 ) is formed, the electric conductivity is deteriorated and the charge and discharge of the battery are adversely affected. In particular, to dry the aluminum foil washed at a high temperature, the dense Al 2 O 3 on the aluminum surface The oxide film can be formed rapidly. Therefore, in the present invention, the aluminum foil is dried at room temperature in the presence of an inert gas so that an oxide film is not formed on the surface of the aluminum foil. The inert gas can be used without limitation as long as it is chemically inert. For example, the inert gas may be argon, nitrogen, helium, or the like.

이와 같이 방법으로 제조된 알루미늄 음극재는 비수계 알루미늄 이온 배터리에 적용시킴으로써, 표면의 세공구조 형성 및 전기화학적 활성화 면적의 증가로 인해 비수계 알루미늄 배터리의 비용량이 획기적으로 증가하며, 충방전 안정성 역시 크게 증가하는 효과를 가진다.By applying the aluminum anode material manufactured in this way to a non-aqueous aluminum ion battery, the cost of the non-aqueous aluminum battery is drastically increased due to the formation of the pore structure on the surface and the increase of the electrochemical activation area, and the charge- .

본 발명은 다른 관점에서 전술된 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법에서 제조되고, 표면에 에치 피트(etch pit))가 형성된 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재에 관한 것이다.The present invention relates to an anode material for a nonaqueous-based aluminum ion battery, which is produced in the above-described method for producing an anode material for a nonaqueous-based aluminum ion battery and etch pits on its surface.

본 발명에 따른 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재는 알루미늄 음극재의 표면을 전기화학적 방법으로 처리하여 산화 피막 형성 없이 홈의 평균 직경이 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 에치 피트를 균일하게 형성시킴으로써, 일반 알루미늄 음극재를 알루미늄 이온 배터리에 적용한 경우보다 22 % 이상의 높은 비용량 및 높은 충방전 안정성을 가진다.The negative electrode material for a nonaqueous-based aluminum ion battery according to the present invention can be obtained by treating the surface of an aluminum negative electrode material electrochemically to uniformly form etch pits having an average diameter of the grooves of 0.1 mu m to 10 mu m without forming an oxide film, Has a high specific capacity of 22% or more and a high charge / discharge stability than an aluminum ion battery.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of specific examples. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<< 실시예Example 1> 1>

1-1: 알루미늄 1-1: Aluminum 음극재의Anode material 제조 Produce

순도 99% 이상의 고순도 알루미늄 박을 상온의 염산 1M 용액에서 3분 동안 전처리한 다음, 1차 증류를 거친 후에 이온교환수지 여과를 거친 증류수를 사용하여 충분히 세척하였다. 상기 세척된 고순도 알루미늄 박을 도 1에 나타낸 2전극 시스템의 작동 전극에 장착하고, 상대 전극으로서는 백금(Pt)을 사용하였다. 전해액으로는 2.2 M 농도의 염산과 0.01 M 농도의 황산을 각각 250 ml, 250 ml를 혼합하여 2 전극 시스템의 용기에 채우고, 핫플레이트 위에 위치시켜 40 ℃로 일정하게 유지되도록 하였다. 이후 온도가 일정하게 된 다음, 전원 공급장치(AUTOLAB(PGSTAT128N))를 통해 300 mA/cm2의 일정 전류밀도로 300 초 동안 10 Hz 주파속도로 교류(AC) 에칭을 실시하였다. 에칭된 알루미늄 박을 상온에서 증류수를 사용하여 충분히 세척한 후, 아르곤 가스가 충진된 글러브 박스 안에서 상온으로 건조시켜 알루미늄 음극재를 제조하였다.A high purity aluminum foil with a purity of 99% or more was pretreated in a 1M hydrochloric acid solution for 3 minutes, and then subjected to primary distillation and then sufficiently washed with distilled water filtered through an ion exchange resin. The washed high purity aluminum foil was attached to the working electrode of the two-electrode system shown in Fig. 1, and platinum (Pt) was used as a counter electrode. The electrolytic solution was prepared by mixing 250 ml and 250 ml of 2.2 M hydrochloric acid and 0.01 M sulfuric acid in a two-electrode system, placing it on a hot plate and keeping it constant at 40 ° C. Thereafter, the temperature was kept constant and then alternating (AC) etching was performed at a frequency of 10 Hz at a constant current density of 300 mA / cm &lt; 2 &gt; through a power supply device (AUTOLAB (PGSTAT128N)) for 300 seconds. The etched aluminum foil was thoroughly washed at room temperature with distilled water, and dried at room temperature in a glove box filled with argon gas to prepare an aluminum anode material.

1-2: 1-2: 양극재의Anode 제조 Produce

양극 활성재인 고순도 그래파이트(99 %, Sigma Aldrich)와 바인더로 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF, Polyvinylidene fluoride), 전기 전도도 향상을 위한 카본 블랙(Carbon black)을 질량비 8:1:1로 혼합한 다음, 에탄올(C2H5OH(anhydrous), Sigma Aldrich) 50 ml를 상기 혼합물에 붓고 잘 섞이도록 교반을 수행한 후에 2차로 3시간 이상 소니케이션을 실시하여 물질들이 상기 NMP에 골고루 분산되게 하였다. 상기 분산물을 90 ℃의 오븐에서 충분히 오랜 시간 동안 건조시켜, 어두운 회색 빛의 건조된 그래파이트를 수득하였다. 1-Methyl-2-pyrrolidone(NMP)를 상기 건조된 그래파이트 5 g에 조금씩 주입하면서 잘 저어줘 슬러리 형태의 페이스트를 수득하였다. 이때, NMP 용매는 약간의 흐름 정도를 느낄 때까지 주입하였다. A high purity graphite (99%, Sigma Aldrich) as a positive electrode active material, a polyvinylidene fluoride (PVDF) and a carbon black for improving electric conductivity were mixed in a mass ratio of 8: 1: 1 with a binder, 50 ml of ethanol (C 2 H 5 OH (anhydrous, Sigma Aldrich)) was poured into the mixture, stirred well to mix, and subjected to sonication for 2 hours or more for a second time to uniformly disperse the materials in the NMP. The dispersion was dried in an oven at 90 캜 for a sufficiently long time to obtain a dark gray light dried graphite. 1-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to 5 g of the dried graphite in small portions to obtain a slurry-type paste. At this time, the NMP solvent was injected until a slight flow was felt.

GDL(Gas Diffustion Layer)을 평평한 유리 기판상에 올려놓은 후, 준비된 그래파이트 슬러리 1 g를 GDL 위에 골고루 도포한 다음, 균일한 두께를 얻기 위하여 어플리케이터(Baker Type Applicator, Wellcos Corporation)를 사용하여 0.254 mm의 두께로 도포하였다. 이때 두께는 만들어진 슬러리 반죽의 점성에 따라 지배적인 영향을 받으므로, 바람직하게는 3.248 mg/cm2로 하여 14 pi 셀 면적 기준, 5 mg/ 1.53938 cm2의 무게가 올려지도록 하였다. 그래파이트 활물질이 올려진 GDL을 진공 오븐에 120 ℃로 8시간 동안 건조시켰다. 완전히 건조된 그래파이트 활물질을 14 pi 펀칭 툴로 원형으로 뚫어 양극재로 제조하였다.After placing a GDL (Gas Diffusion Layer) on a flat glass substrate, 1 g of the prepared graphite slurry was spread evenly on the GDL. Then, using an applicator (Baker Type Applicator, Wellcos Corporation) to obtain a uniform thickness, 0.254 mm Lt; / RTI &gt; At this time, since the thickness is dominantly influenced by the viscosity of the slurry dough, the weight is preferably set to 3.248 mg / cm 2 and 5 mg / 1.53938 cm 2 based on the 14 pi cell area. The GDL with the graphite active material was dried in a vacuum oven at 120 DEG C for 8 hours. The completely dried graphite active material was circularly punched with a 14 pi punching tool to prepare a cathode material.

1-3: 1-3: 비수계Non-aqueous system 액체 전해질의 제조 Preparation of Liquid Electrolyte

비수용성 액체 전해질은 물분자를 포함하지 않는 고순도의 반투명한 고체상의 1-에틸-3메틸이미드아졸리움 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl (97%, TCI))과 백색의 파우더 형태의 알루미늄 클로라이드(AlCl3 (99.99%, Sigma Aldrich))를 1:1.3의 몰 비율로 혼합하여 제조하였다. 이때, 공기 중의 산소 및 수분과의 접촉에 의한 시료의 산화 변질을 막기 위하여 O2 농도 1.0 ppm이하로 유지되며, 비활성 기체인 아르곤 기체로 가득 차 있는 상온의 글러브 박스 안에서 실시하였다. 상기 두 시료가 접하는 순간 공정(共晶, eutectic)반응에 의하여 밝고 투명한 연노란 빛의 이온성 액체를 얻어지는데, 이를 후 공정에서 비수용성 액체 전해질로 사용하였다.The water-insoluble liquid electrolyte is a high-purity, translucent solid 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (EMIM] Cl (97%, TCI) Aluminum chloride in the form of white powder (AlCl 3 (99.99%, Sigma Aldrich)) was prepared by mixing in a molar ratio of 1: 1.3. At this time, in order to prevent oxidation and deterioration of the sample due to contact with oxygen and moisture in the air, the O 2 concentration was maintained at 1.0 ppm or less, and the reaction was carried out in a room temperature glove box filled with argon gas as an inert gas. By the eutectic reaction at the moment of contact of the two samples, a bright and transparent light-yellowish ionic liquid is obtained, which is used as a non-aqueous liquid electrolyte in the post-process.

1-4: 비수용성 전해질 알루미늄 배터리 제조1-4: Manufacture of non-aqueous electrolytic aluminum battery

본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄 음극재의 성능을 측정하기 위하여 다음과 같이 배터리를 구성하였다. In order to measure the performance of the aluminum anode material manufactured by the manufacturing method according to the present invention, a battery was constructed as follows.

음극재료로써 실시예 1-1 제조된 알루미늄 음극재를 사용하였고, 양극재료로는 실시예 1-2에서 제조된 그래파이트를 사용하였으며, 전해질로써는 실시예 1-3에서 제조된 1-에틸-3메틸이미드아졸리움 클로라이드와 알루미늄 클로라이드를 몰비율 1:1.3으로 섞은 액체, 분리막으로써는 GF/D를 사용하였다. 각 전해질에 의한 집전 전극의 변질을 막기 위하여, 양극과 음극 부분에는 니켈 집전체를 사용하여, 전해질이 집전 전극(SUS316)과의 직접적인 접촉을 차단할 수 있었다. 상기 니켈 집전체는 분리막보다는 크기를 작게 하여 음극, 양극의 직접 쇼트를 방지하고, 집전 전극(SUS316)보다는 크기를 크게 하여 완전히 덮을 수 있게 하였다. 자체 제작한 Swagelok Cell을 적용하여 전지를 구성할 때에는 전해질의 공기 중 수분이나 산소 접촉에 의한 변질을 막기 위하여 O2 농도 1.0 ppm 이하로 유지시키고, 비활성기체인 아르곤 기체로 가득 차 있는 글러브 박스 안에서 진행하였다.The anode material prepared in Example 1-1 was used as the cathode material, and the graphite prepared in Example 1-2 was used as the cathode material. As the electrolyte, 1-ethyl-3-methyl Imidazolium chloride and aluminum chloride were mixed in a molar ratio of 1: 1.3, and GF / D was used as a separation membrane. In order to prevent the deterioration of the current collecting electrode by each electrolyte, a nickel current collector was used for the positive electrode and the negative electrode portion so that the electrolyte could prevent direct contact with the current collecting electrode (SUS316). The nickel current collectors were made smaller in size than the separator to prevent direct shots of the negative electrode and the positive electrode, and the nickel current collector was made larger than the current collecting electrode (SUS316) to be completely covered. When constructing a battery by using a self-fabricated Swagelok Cell, keep the O 2 concentration below 1.0 ppm to prevent degradation of the electrolyte in the air due to moisture or oxygen contact, and proceed in a glove box filled with an inert gas such as argon gas Respectively.

<< 실시예Example 2> 2>

실시예 1-1과 동일한 방법으로 알루미늄 음극재를 제조하되, 에칭시간을 100초로 변경하여 음극재를 제조한 다음, 실시예 1의 비수계 알루미늄 이온 배터리에 장착하여 제조하였다.An aluminum anode material was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that the etching time was changed to 100 seconds to prepare an anode material and then mounted on the nonaqueous aluminum ion battery of Example 1.

<< 실시예Example 3> 3>

실시예 1-1과 동일한 방법으로 알루미늄 음극재를 제조하되, 전류밀도를 200 mA/cm2로 변경하여 음극재를 제조한 다음, 실시예 1의 비수계 알루미늄 이온 배터리에 장착하여 제조하였다.An aluminum anode material was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that the current density was changed to 200 mA / cm &lt; 2 &gt; to prepare an anode material, which was then mounted on the nonaqueous aluminum ion battery of Example 1.

<< 비교예Comparative Example 1> 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 비수계 알루미늄 이온 배터리를 제조하되, 고순도의 알루미늄 박(99.99 %, Sigma Aldrich)을 아세톤과 에탄올에 각각 30분 동안 소니케이션을 수행하여 겉표면에 불순물을 제거하고, 수득된 알루미늄 박을 비수계 알루미늄 이온 배터리에 장착하여 제조하였다.A non-aqueous aluminum ion battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a high purity aluminum foil (99.99%, Sigma Aldrich) was subjected to sonication for 30 minutes in acetone and ethanol respectively to remove impurities on the surface, Aluminum foil was attached to a non-aqueous aluminum ion battery.

<< 비교예Comparative Example 2> 2>

실시예 1-1과 동일한 방법으로 알루미늄 음극재를 제조하되, 에칭시간을 20초로 변경하여 음극재를 제조한 다음, 실시예 1의 비수계 알루미늄 이온 배터리에 장착하여 제조하였다.An aluminum anode material was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that the etching time was changed to 20 seconds to prepare an anode material and then mounted on the nonaqueous aluminum ion battery of Example 1.

<< 비교예Comparative Example 3> 3>

실시예 1-1과 동일한 방법으로 알루미늄 음극재를 제조하되, 전류밀도를 700 mA/cm2로 변경하여 음극재를 제조한 다음, 실시예 1의 비수계 알루미늄 이온 배터리에 장착하여 제조하였다.An aluminum anode material was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that the current density was changed to 700 mA / cm &lt; 2 &gt; to prepare an anode material, which was then mounted on the nonaqueous aluminum ion battery of Example 1.

[[ 실험예Experimental Example 1:  One: 음극재의Anode material 표면상태 측정] Surface condition measurement]

실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에 따른 음극재의 표면상태를 관찰하기 위해 주사전자 현미경(SEM-4300SE)으로 5천배 배율로 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.In order to observe the surface state of the negative electrode material according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, a scanning electron microscope (SEM-4300SE) was used at a magnification of 5,000 times, and the results are shown in FIG.

실시예 1 내지 3에서 제조된 음극재의 경우, 비교예 1의 음극재와 비교하여 평균 직경이 1 ㎛인 홈(에치 피트)이 균일하게 형성된 반면, 비교예 1의 음극재는 에치 피트 형성 없이 매끈한 표면 형상으로 나타났다.In the case of the negative electrode material prepared in Examples 1 to 3, grooves (etch pits) having an average diameter of 1 占 퐉 were uniformly formed as compared with the negative electrode material of Comparative Example 1, while the negative electrode material of Comparative Example 1 had a smooth surface .

이는 실시예 1 내지 3(도 2a,c 및 d)의 음극재에 형성된 에치 피트로 인하여 비교예 1(도 2b)의 음극재에 비해 실시예 1 내지 3의 음극재가 넓은 표면적을 갖음을 확인할 수 있었다.It can be seen that the cathode materials of Examples 1 to 3 have a large surface area compared to the cathode material of Comparative Example 1 (Fig. 2B) due to the etch pits formed in the anode material of Examples 1 to 3 (Figs. 2A, there was.

또한, 비교예 2(도 2e)의 음극재 경우에는 에치 피트 형성에 충분하지 못한 에칭시간으로 인해 에치 피트의 형성에 따른 표면적 확대가 크지 않았으며, 비교예 3(도 2f)의 음극재 경우에는 높은 전류밀도로 인해 표면이 과도하게 용출되어 피트의 밀도가 작고, 깊게 파인 형태로 나타났다.In the case of the negative electrode material of Comparative Example 2 (FIG. 2E), the surface area enlargement due to the formation of etch pits was not large due to the etching time insufficient for the formation of etch pits. In the case of the negative electrode material of Comparative Example 3 Due to the high current density, the surface was excessively eluted and the density of the pits was small and appeared to be in a deep pit shape.

[[ 실험예Experimental Example 2:  2: 알루미늄 이온 배터리의Of aluminum ion battery 순환전압전류 측정] Cyclic Voltage Current Measurement]

실시예 1에 따른 알루미늄 이온 배터리의 전기화학적 가역 안정성을 평가하기 위해 1mV/s 스캔 속도로 0.0 ~ 2.5 V의 전압 범위에서 순환전압전류를 측정하였고, 순환전압전류 측정을 실시할 때 갈바닉 부식에 의한 포텐셜 감소가 있으므로, 셀 조립 후 개방 회로 전압 안정화 시간 6시간 또는 바람직하게는 개방 회로 전압이 소수점 둘째 자리까지 2 기간 이상 변화가 없을 때까지 방치해 둔 이후에 순환전압 전류법을 진행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. In order to evaluate the electrochemical reversible stability of the aluminum ion battery according to Example 1, the cyclic voltammetry was measured at a voltage of 0.0 to 2.5 V at a scan rate of 1 mV / s, and the voltage was measured by galvanic corrosion Since there is a potential reduction, after the cell assembly, the open circuit voltage stabilization time is set to 6 hours, or preferably, the open circuit voltage is left unchanged for at least two decades before the decimal point. Is shown in Fig.

도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 알루미늄 이온 배터리의 환원 반응 0.5 V, 1.7 V, 2.2 V에서 환원 피크가 1.0 V, 1.2 V, 2.0 V에서 산화 피크가 관찰되었다. 실시예 1에 따른 알루미늄 이온 배터리의 전기화학적 가역 안정성은 사이클이 진행됨에 따라 주 피크의 최고 높이(0.5 V, 1.0 V, 1.2 V)가 다소 증가함을 보이면서 커패시터 면적의 증가를 보였다. 이는 사이클이 진행함에 따라 전기화학적 활성화 면적이 커짐을 확인할 수 있었다. 또한, 사이클이 진행됨에 따라 주 피크의 위치가 동일함을 보였다. 이로부터 실시예 1의 방법으로 제조된 알루미늄 이온 배터리는 충방전이 진행되어도 가역적이며 안정적으로 산화, 환원반응을 수행하고 있음을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 3, oxidation peaks were observed at reduction potentials of 1.0 V, 1.2 V, and 2.0 V at the reduction reaction of 0.5 V, 1.7 V, and 2.2 V of the aluminum ion battery according to Example 1. The electrochemical reversible stability of the aluminum ion battery according to Example 1 showed an increase in the capacitor area as the cycle peaked the maximum height of the main peak (0.5 V, 1.0 V, 1.2 V). It was confirmed that the area of electrochemical activation increased as the cycle progressed. Also, as the cycle progressed, the positions of the main peaks were found to be the same. From this, it can be confirmed that the aluminum ion battery manufactured by the method of Example 1 performs the oxidation and reduction reaction reversibly and stably even when charging and discharging proceed.

[[ 실험예Experimental Example 3:  3: 알루미늄 이온 배터리의Of aluminum ion battery 충방전Charging and discharging 측정] Measure]

실시예 1에 따른 알루미늄 이온 배터리의 충방전 특성을 평가하기 위해 충방전 인가 전류밀도 5 mA/cm2에서 0.3 ~ 2.5 V의 배터리 전압에서 정전류 충방전 실험을 실시하였고, 충방전 측정을 실시할 때 갈바닉 부식에 의한 포텐셜 감소가 있으므로, 셀 조립 후 개방 회로 전압 안정화 시간 6 시간 또는 바람직하게는 개방 회로 전압이 소수점 둘째 자리까지 2 기간 이상 변화가 없을 때까지 방치해 둔 이후에 알루미늄 이온 배터리의 충방전 측정을 진행하였으며, 그 결과를 도 4 내지 6에 나타내었다. In order to evaluate the charging and discharging characteristics of the aluminum ion battery according to Example 1, a constant current charging and discharging test was carried out at a battery voltage of 0.3 to 2.5 V at a current density of 5 mA / cm 2 at a charging and discharging current, Since there is a potential reduction due to galvanic corrosion, after the cell is assembled, the open circuit voltage stabilization time is set to 6 hours, or preferably, the open circuit voltage is left unchanged for two or more periods to the second decimal place, The measurement was carried out, and the results are shown in Figs.

도 4a는 실시예 1의 알루미늄 이온 배터리의 비용량대 전압 그래프이고, 도 4b는 비교예 1의 알루미늄 이온 배터리의 비용량대 전압 그래프로, 1, 10, 20, 40, 70, 100, 130 사이클까지의 충방전 결과 값을 각각 나타내었다. FIG. 4A is a graph of the non-capacity vs. voltage of the aluminum ion battery of Example 1, FIG. 4B is a graph of the capacity vs. voltage of the aluminum ion battery of Comparative Example 1, And the results of charging and discharging were shown.

도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 알루미늄 이온 배터리 경우 최대 비용량은 104 mAh/g이었으며, 비교예 1의 알루미늄 이온 배터리 경우에는 85 mAh/g의 비용량을 나타났다.As shown in FIG. 4, the maximum specific capacity of the aluminum ion battery of Example 1 was 104 mAh / g, and that of the aluminum ion battery of Comparative Example 1 was 85 mAh / g.

또한, 도 5는 실시예 1(a) 및 비교예 1(b)의 알루미늄 이온 배터리 방전 용량을 비교 측정한 결과 그래프로, 비교예 1의 알루미늄 이온 배터리의 경우(b)에는 150 사이클에서 방전용량이 일정하지 않은 불안정한 값을 보였으며, 200 사이클 이후에는 충전과정 중 충전 전압(2.5V)이 올라가지 않게 됨에 따라 전지로서의 성능을 수행하지 못하는 것을 확인할 수 있는 반면, 실시예 1의 알루미늄 이온 배터리(a)의 경우에는 큰 방전 용량 감소 없이 400 사이클 이상의 안정적인 구동을 확인할 수 있었다.5 is a graph showing the results of comparative measurement of the discharge capacities of the aluminum ion batteries of Example 1 (a) and Comparative Example 1 (b). In the case of the aluminum ion battery of Comparative Example 1, And the charging voltage (2.5 V) does not rise during the charging process after 200 cycles. As a result, it can be confirmed that the performance as a battery can not be performed. On the other hand, the aluminum ion battery a ), Stable operation of 400 cycles or more was confirmed without reducing the large discharge capacity.

이는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 경우, 상대적으로 Al2O3 산화 피막(산화층)이 적게 존재하는 에치 피트에서 전기화학적 반응이 우선적으로 일어나며 알루미늄 이온 배터리의 충방전 동안 증착과 용해가 이 영역에서 안정하게 반복적으로 일어나는 반면에, 일반적인 알루미늄 음극재의 경우 Al2O3 산화 피막이 치밀하게 형성되어 있으며, 충방전이 진행됨에 따라 증착과 용해가 특정 지점이 아닌 상대적으로 Al2O3 산화 피막이 얇은 층에서 우선적으로 전기화학적 반응에 참여하게 됨에 따라 충전전압이 올라가지 않고 최대 비용량이 작은 것으로 판단된다.In the case of the negative electrode material for a nonaqueous-based aluminum ion battery manufactured by the manufacturing method according to the present invention, the electrochemical reaction occurs preferentially in the etch pit where relatively few Al 2 O 3 oxide films (oxide layers) exist, While deposition and dissolution occur stably and repeatedly in this region during discharge, in the case of common aluminum cathodes, Al 2 O 3 And relatively dense film is formed in the oxide, is deposited and dissolved, depending on the charging and discharging proceeds, regardless of the specific point as Al 2 O 3 As the oxide film is preferentially involved in the electrochemical reaction in the thin layer, the charge voltage does not rise and the maximum cost amount is considered to be small.

도 6은 실시예 1의 알루미늄 이온 배터리의 시간에 따른 전압변화를 나타내는 그래프로, 충방전이 4회 반복되어도 유사한 그래프 형태가 반복되는 것으로 나타남에 따라 실시예 1의 알루미늄 이온 배터리의 충방전이 가역적이며 재현적으로 일정하게 나타남을 확인할 수 있었다.FIG. 6 is a graph showing the voltage change with time of the aluminum ion battery of Example 1. As a similar graph form is repeated even when charge and discharge are repeated four times, the charge / discharge of the aluminum ion battery of Example 1 is reversible And it can be confirmed that it is reproducibly constant.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

1: 작동 전극 2: 상대 전극
3: 온도계 4: 마그네틱 바
6: 온도 조절기 8: 오실로스코우프
9: 컴퓨터 10: 용기
11: 용기 뚜껑 12: 전해액
100 : 2전극 시스템
1: working electrode 2: counter electrode
3: Thermometer 4: Magnetic bar
6: Temperature controller 8: Oscilloscope
9: computer 10: container
11: container lid 12: electrolyte
100: two electrode system

Claims (12)

비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법에 있어서,
(a) 알루미늄 박을 전처리하는 단계;
(b) 상기 전처리된 알루미늄 박을 전해액에 침지시키고, 전류를 가하여 에칭하는 단계; 및
(c) 상기 에칭된 알루미늄 박을 세척하고 건조하는 단계를 포함하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
A method for manufacturing a negative electrode material for a non-aqueous aluminum ion battery,
(a) pretreating aluminum foil;
(b) immersing the pretreated aluminum foil in an electrolytic solution, and applying an electric current to etch the aluminum foil; And
(c) washing and drying the etched aluminum foil.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는 알루미늄 박을 1 ~ 5 M의 전처리 용액에 30초 ~ 5분 동안 침지시켜 전처리하는 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (a) is carried out by immersing the aluminum foil in a pretreatment solution of 1 to 5 M for 30 seconds to 5 minutes to pre-treat the aluminum foil.
제2항에 있어서,
상기 전처리 용액은 염산, 불산, 황산, 불화규소산 및 가성소다로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the pretreatment solution is at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, hydrofluoric acid, sulfuric acid, silicofluoric acid, and caustic soda.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서 에칭은 전처리된 알루미늄 박을 작동 전극으로 하여 전해액이 담긴 용기에 침지시키고, 교류전류를 인가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the etching in the step (b) is performed by immersing the pretreated aluminum foil as a working electrode in a container containing an electrolyte, and applying an alternating current.
제4항에 있어서,
상기 교류전류 인가시 전류 밀도는 40 ~ 400 mA/cm2 이며, 주파수는 0.1 Hz ~ 20 Hz인 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The current density upon application of the alternating current is 40 to 400 mA / cm &lt; 2 &gt; , And the frequency is 0.1 Hz to 20 Hz.
제1항에 있어서,
상기 전해액의 온도는 30 ~ 60 ℃이고, 에칭 시간은 50 ~ 500초인 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature of the electrolytic solution is 30 to 60 ° C and the etching time is 50 to 500 seconds.
제1항에 있어서,
상기 전해액은 크롬산(H2CrO4), 질산(HNO3), 염산(HCl) 및 황산(H2SO4)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolytic solution is at least one selected from the group consisting of chromic acid (H 2 CrO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), hydrochloric acid (HCl) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) Gt;
제1항에 있어서,
상기 전해액은 0.5 M ~ 5 M의 염산 및 0.005 M ~ 0.05 M의 황산 포함하며, 상기 염산 및 황산의 부피비가 1 : 0.01 ~ 3인 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolytic solution contains 0.5 M to 5 M of hydrochloric acid and 0.005 to 0.05 M of sulfuric acid, and the volume ratio of hydrochloric acid and sulfuric acid is 1: 0.01 to 3. The method for manufacturing an anode material for a non-
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 건조는 불활성 분위기에서 상온으로 건조시키는 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the drying in step (c) is performed at room temperature in an inert atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 박은 순도가 99.00 ~ 99.99 %이고, 두께가 0.01 ~ 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the aluminum foil has a purity of 99.00 to 99.99% and a thickness of 0.01 to 0.1 mm.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재의 제조방법에서 제조되고, 표면에 에치 피트(etch pit))가 형성된 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재.
A negative electrode material for a nonaqueous-based aluminum ion battery, which is produced by the method for producing an anode material for a non-aqueous alkaline ion battery according to any one of claims 1 to 9 and has an etch pit formed on its surface.
제11항에 있어서,
상기 에치 피트는 홈의 평균 직경이 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 비수계 알루미늄 이온 배터리용 음극재.
12. The method of claim 11,
Wherein the etch pits have an average diameter of the grooves of 0.1 占 퐉 to 10 占 퐉.
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CN111384360A (en) * 2018-12-27 2020-07-07 财团法人工业技术研究院 Metal ion battery

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