KR20190056681A - 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자 - Google Patents

전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR20190056681A
KR20190056681A KR1020170153882A KR20170153882A KR20190056681A KR 20190056681 A KR20190056681 A KR 20190056681A KR 1020170153882 A KR1020170153882 A KR 1020170153882A KR 20170153882 A KR20170153882 A KR 20170153882A KR 20190056681 A KR20190056681 A KR 20190056681A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ink
composition
electrode
present
fatty acid
Prior art date
Application number
KR1020170153882A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102082751B1 (ko
Inventor
최근호
이상영
이창규
Original Assignee
주식회사 유뱃
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 유뱃 filed Critical 주식회사 유뱃
Priority to KR1020170153882A priority Critical patent/KR102082751B1/ko
Publication of KR20190056681A publication Critical patent/KR20190056681A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102082751B1 publication Critical patent/KR102082751B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B43—WRITING OR DRAWING IMPLEMENTS; BUREAU ACCESSORIES
    • B43K—IMPLEMENTS FOR WRITING OR DRAWING
    • B43K8/00—Pens with writing-points other than nibs or balls
    • B43K8/003—Pen barrels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B43—WRITING OR DRAWING IMPLEMENTS; BUREAU ACCESSORIES
    • B43K—IMPLEMENTS FOR WRITING OR DRAWING
    • B43K8/00—Pens with writing-points other than nibs or balls
    • B43K8/02—Pens with writing-points other than nibs or balls with writing-points comprising fibres, felt, or similar porous or capillary material
    • B43K8/03—Ink reservoirs; Ink cartridges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00—Inks
    • C09D11/16—Writing inks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565—Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/06—Electrodes for primary cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0085—Immobilising or gelification of electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Inks, Pencil-Leads, Or Crayons (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

금속입자 및 지방산 트리글리세라이드를 포함하는 전극 잉크용 조성물, 이를 포함하는 잉크 펜 및 전기 화학 소자에 관한 것이다.

Description

전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자{COMPOSITION FOR ELECTRODE INK AND INK PEN COMPRISING THE SAME, ELECTROCHEMICAL DEVICE}
본 발명은 전극 잉크용 조성물, 이를 포함하는 잉크 펜 및 전기 화학 소자에 관한 것이다. 구체적으로는 전극을 글자처럼 쓸 수 있거나, 그림처럼 그릴 수 있는 전극 잉크용 조성물, 이를 포함하는 잉크 펜 및 전기 화학 소자에 관한 것이다.
휴대용 전자기기의 소형화, 고집적화와 전기자동차의 개발 요구가 급격히 증대됨에 따라 높은 에너지 밀도를 나타내는 이차전지가 요구되고 있다.
현재 상용화된 리튬 이온 전지는 기술적 문제에 의해 제한된 에너지 밀도만이 이용되고 있어서 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 금속-공기 전지 개발이 주목받고 있다.
상기 리튬 이온 전지의 용량은, 양극 및 음극 소재의 이론용량에 의해 제한을 받지만, 양극에서 공기 중의 산소를 환원시켜 에너지원으로 사용하는 금속-공기 전지는 양극으로 공기를 사용하기 때문에 에너지 밀도가 크게 향상된다.
이러한 금속 공기 전지는 차세대 전지로서 주목 받고 있으며, 일차 전지 또는 리튬 이온 전지에 비해 높은 출력 및 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에, 전기 자동차를 개발하는 데 중요한 역할을 할 것으로 전망된다.
한편, 금속 공기 전지는 사용되는 금속의 종류에 따라 리튬 공기 전지 및 아연 공기 전지 등으로 크게 분류될 수 있다.
이와 관련하여, 리튬 금속은 물과 반응하여 폭발할 가능성이 있기 때문에, 리튬 공기 전지의 제조 시 수분을 통제해야 한다는 어려움이 있었다. 그에 반해, 아연 금속은 폭발성이 없어, 이를 이용한 아연 공기 전지의 제조공정은 상대적으로 안전하다. 이 뿐만 아니라, 상온의 일반 공기 중에서 제조되므로, 그 제조 비용 면에서도 이점이 있다.
그러나 이러한 장점에도 불구하고, 아연 공기 전지의 아연입자를 포함하는 음극을 형성하기 위하여 아연입자를 분산 시 물, 알코올 등의 극성 용매에 분산한 후 형성 시 분산이 용이하지 않고, 아연입자 자체가 대기 중의 수분 및 공기와 반응하여 표면에 산화아연 막을 형성하여 전기화학적 특성이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 음극에 존재해야 할 아연산염(zincate) 이온은 충방전이 반복되면서 수산화이온과 함께 분리막을 통과하여 양극으로 이동하는 문제가 발생한다. 이 때, 양극에서는 공기와 닿으면서 물의 증발이 일어나고, 아연산염(zincate) 이온은 양극 표면에 산화아연으로 석출되어 나오는데, 이는 양극 촉매를 막으면서 저항층으로 작용하게 되어 전지의 성능이 열화되고, 충방전 수명이 저하되는 문제점이 발생하였다.
이를 해결하기 위하여 여러 가지 연구가 진행되었지만 여전히 그 근본적인 한계를 극복하지는 못하였다.
일본공개특허 제2008-123791호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 전극 형성 시 금속입자가 수분 및 공기와의 접촉에 의한 금속산화막 형성을 억제시킬 수 있는 전극 잉크용 조성물을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 금속입자의 침전 및 겔화 등이 발생하지 않고 높은 분산성으로 보관 안정성이 우수한 전극 잉크용 조성물을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 전기 화학 소자의 전극을 글자처럼 쓸 수 있거나, 그림처럼 그릴 수 있는 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 전기 화학 소자의 기계적 변형이 발생하지 않고, 고온, 고습 조건에서 화학적 내구성이 우수한 전기 화학 소자를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물은 금속입자 및 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 금속입자는 1족, 2족, 8족, 12족 및 13족 금속에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 금속입자는 아연, 마그네슘, 철, 리튬, 나트륨, 카드뮴 및 알루미늄에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물에 있어, 지방산 트리글리세라이드는 분자 내에 불포화기의 수가 4이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물에 있어, 불포화기는 이중결합일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물에 있어, 지방산 트리글리세라이드는 요오드값이 100이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물에 있어, 지방산 트리글리세라이드는 UV 경화성일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물에 있어, 지방산 트리글리세라이드의 점도는 0.01 내지 1,000cP일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물에 있어, 금속입자의 평균입경은 0.001 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물에 있어, 전극 잉크용 조성물의 함량은 금속입자 20 내지 80중량%와 지방산 트리글리세라이드 20 내지 80중량% 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상술한 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 잉크 펜은
내부에 빈 공간이 형성된 몸통부,
상기 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 저장부 및
도포 대상에 상기 전극 잉크용 조성물을 도포하기 위한 펜촉부
를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 잉크 펜에 있어, 상기 잉크 펜은 상기 잉크 저장부의 전극 잉크용 조성물을 상기 펜촉부를 향해 유도하는 잉크 유도부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자는 집전체 상에 각각 형성된 음극 및 양극을 포함하며,
상기 음극은 가교결합된 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드로 코팅된 아연입자를 포함하고,
상기 양극은 탄소계 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 집전체는 공기확산층 상에 형성될 수 있다.본 발명의 일 양태에 따른 전기 화학 소자에 있어, 음극은 금속입자 및 지방산 트리글리세라이드를 포함하는 전극 잉크용 조성물을 도포한 후 가교결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전기 화학 소자에 있어, 음극과 양극의 외면에 겔 전해질이 도포될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물은 형성된 전극 내의 금속이 수분 및 공기와의 접촉에 의하여 전기적 특성이 저하되는 금속산화막 형성을 억제시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물은 장시간 보관하더라도 금속입자의 침전 및 겔화 등이 발생하지 않아 보관 안정성이 우수하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물은 단시간 내에 UV 경화되어 안정적으로 전극이 형성되어 물리적 외력을 가하더라도 변형이 없다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜은 전기 화학 소자의 전극을 글자처럼 쓸 수 있거나, 그림처럼 그릴 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기 화학 소자는 유연성이 확보되어 기계적 변형이 발생하지 않고, 고온, 고습 조건에서 화학적 내구성이 우수하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물을 이용하여 제조된 전기화학소자의 실제모습 및 단면도이다. 도 1의 a는 실제 제조된 전기화학소자이고, 도 1의 b는 전기화학소자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물의 분산성 및 쓰기 특성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 비교실시예에 따른 전극 잉크용 조성물의 분산성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물로 제조된 전극의 분산성을 주사전자현미경으로 관찰한 사진과, 함량에 따른 점도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물의 형상을 도시화하고, 이의 특성을 관찰한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물로 제조된 전극의 전기적 특성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물로 제조된 전극의 굽힘에 따른 전기적 특성을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물로 제조된 전기화학 소자의 제조방법 순서를 도시화 한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜을 도시화 한 것이다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물, 이를 포함하는 잉크 펜 및 전기 화학 소자에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 참조일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현 될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서에서, “~상에”는 물질 등을 포함하는 필름, 코팅, 전극 또는 층이 대상 표면에 직접 연결되거나 대상 표면에, 예를 들어 하나 이상의 다른 코팅, 필름, 전극 또는 층을 통해 간접 연결됨을 의미한다.
본 발명은 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드와 금속입자를 포함하여 전극 형성을 위한 잉크 조성물을 제조하였다. 이는 전극 형성 시 전극을 글자처럼 쓸 수 있거나, 그림처럼 그릴 수 있는 전극 잉크용 조성물이 제공될 수 있을 뿐만 아니라 잉크 조성물의 분산성을 향상시켜 장시간동안 침전 및 겔화 등이 발생하지 않는 분산지속성을 확보하였다. 또한, 상기 전극 잉크용 조성물을 UV 조사하여 전극을 형성하면, C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드가 가교결합되면서 금속입자에 코팅되어 상기 전극 잉크용 조성물 내의 금속입자가 대기 중의 수분과 차단되어 전극의 화학적 내구성을 현저히 향상시킴을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극 잉크용 조성물, 이를 포함하는 잉크 펜 및 전기 화학 소자에 관한 것이다.
본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물은 금속입자 및 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 금속입자는 1족, 2족, 8족, 12족 및 13족 금속에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
바람직하게는 상기 금속입자는 아연, 마그네슘, 철, 리튬, 나트륨, 카드뮴 및 알루미늄 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 폭발 등의 위험성이 낮아 안정성이 우수하고, C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드와의 결합성이 우수한 아연입자일 수 있다.
종래에 금속-공기 전지의 전기화학적 특성을 향상시키기 위하여 활발히 연구가 진행되고 있으나, 금속은 전극 형성을 위하여 분산 시 사용되는 극성용매 내에서 겔화가 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 금속은 대기 중의 수분 및 공기와 반응하여 금속산화막을 형성하여 전기화학적 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물은 극성용매를 사용하지 않고, 극성용매에 대한 금속입자의 낮은 분산성을 개선하여, 전극 잉크로서 장시간동안 분산지속성이 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 전극 잉크용 조성물 내에 대기 중의 수분침투가 억제되어 잉크 조성물의 화학적 내구성이 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 금속입자는 수소보다 음의(negative) 환원전위를 가지므로, 통상의 전해질 수용액 내에서 다음과 같은 수소 발생반응을 일으킬 수 있다.
M + H2O → MOH + H2↑
상기 M은 금속입자일 수 있다.
구체적인 예를 들어, 상기 금속입자가 아연일 경우, 다음과 같은 반응을 일으킬 수 있다.
Zn + H2O → Zn(OH)2 + H2↑
상기 M은 금속입자일 수 있다.
이러한 수소 발생 반응은 금속입자를 포함하는 전극의 자가 부식에 기인한 것으로서, 금속공기전지의 전기화학적 특성과 수명 특성을 저하시키는 주요 요인이다.
또한, 이러한 금속을 사용하는 금속-공기 전지는 방전이 진행되면서 음극을 구성하는 금속이 금속산화물로 전환되는데, 상기 금속산화물은 전기 전도도가 낮은 절연체이므로 금속의 비가역성이 증가되어 전지 수명, 충방전 용량 등의 전지 성능이 낮아지는 문제가 있었다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 현재까지 많은 연구가 진행되었으나, 현재까지 근본적으로 이를 근본적으로 극복할 수 있는 방안이 없는 실정이다.
따라서 이를 해결하기 위하여 금속입자에 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드를 포함하여 자가 방전 또는 자가 부식에 의한 상기 수소 발생 반응 및 금속산화물 전환을 억제함으로써 전극 잉크용 조성물의 전기화학적 특성과 수명 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 금속입자의 평균입경은 0.001 내지 100㎛일 수 있다. 바람직하게는 0.01 내지 20㎛일 수 있고, 더 바람직하게는 0.01 내지 10㎛일 수 있다. 상기와 같은 평균입경을 갖는 금속입자를 사용하면, UV 경화 후 전극 형성하여 전극의 저항치를 보다 감소시킬 수 있고, 전극 표면의 평활성을 확보할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 지방산 트리글리세라이드는 지방산의 탄소수가 C8 내지 C25인 지방산과 결합된 것으로, 바람직하게는 지방산의 탄소수가 C12 내지 C20일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 지방산은 α-리놀렌산, β-리놀렌산, 올레인산 및 리놀레산 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 지방산을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 지방산 트리글리세라이드는 분자 내에 불포화기의 수가 4이상일 수 있다. 바람직하게는 분자 내에 불포화기의 수가 5이상일 수 있다. 구체적으로는 상기 불포화기는 이중결합 또는 삼중결합일 수 있고, 바람직하게는 상기 불포화기는 이중결합일 수 있다.
상기와 같은 불포화기를 가진 지방산 트리글리세라이드는 금속입자와의 밀착력이 우수하고 이를 균일하게 분산시킬 수 있어 장시간이 지나더라도 전극 잉크용 조성물의 우수한 분산지속성을 가질 수 있어 바람직하다.
또한, 상기와 같은 불포화기를 가진 지방산 트리글리세라이드를 포함하는 전극 잉크용 조성물로 금속-공기전지의 음극을 형성한 후, UV를 조사하여 경화시킬 경우 트리글리세라이드 내의 불포화기에서 가교 결합 반응이 발생되면서 트리글리세라이드간의 고분자 네트워크를 형성할 수 있다.
이와 같이 고분자 네트워크가 형성된 트리글리세라이드는 전극 잉크용 조성물 내의 금속입자 표면에 코팅되면서 금속입자와 대기 중의 수분간의 반응을 차단시킴으로써 전극 잉크용 조성물의 화학적 내구성이 더욱 향상될 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 지방산 트리글리세라이드는 요오드값이 100이상일 수 있다. 바람직하게는 120이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 130이상일 수 있다. 상기 요오드값은 지방산 100g이 흡수하는 요오드의 그램수를 나타내는 것으로, 구체적으로는 이중 결합에 할로겐이 부가하는 반응을 이용하여 유지 또는 지방산에 할로겐을 작용시킨 경우 흡수되는 할로겐의 양을 요오드로 환산하여 시료 100g에 흡수되는 요오드의 양을 그램 단위로 표시한 값이다.
상기와 같은 요오드값을 가질 경우 단시간 내에 공기 중에서 산소를 흡수하여 중합 및 축합을 일으킴으로써 차차 점성이 증가하여 마침내 고화되어 금속입자 표면에 탄력성을 가지면서 코팅될 수 있어 바람직하다.
이와 같은 요오드값을 갖는 지방산 트리글리세라이드는 구체적인 예를 들어, 동유(텅오일), 린씨드오일(아마인유), 해바라기유, 달맞이꽃 종자유, 홍화유, 들기름, 옥수수유, 유채유 및 참기름 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 동유(텅오일), 린씨드오일(아마인유), 해바라기유, 달맞이꽃 종자유, 홍화유 및 들기름 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 지방산 트리글리세라이드는 UV 경화성일 수 있다.
UV 경화성은 자연광 또는 공지의 자외선 램프 조사시 경화되는 성질을 의미할 수 있다. 본 발명의 전극 잉크용 조성물은 지방산 트리글리세라이드을 포함함으로써 UV에 의하여 경화가 가능하고, 더욱 단시간 내에 가교결합을 유도하여 고화시킬 수 있다. 즉, UV 경화시켜 트리글리세라이드의 가교 결합 반응이 발생되면서 트리글리세라이드간의 고분자 네트워크를 형성할 수 있다.
이와 같이 고분자 네트워크가 형성된 트리글리세라이드는 전극 잉크용 조성물 내의 금속입자 표면에 코팅되면서 금속입자와 대기 중의 수분간의 반응을 차단시킴으로써 전극 잉크용 조성물의 화학적 내구성이 더욱 향상될 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 전극 잉크용 조성물은 2000 mW/㎠의 조건으로 1 내지 60분동안 UV를 조사하여 전극을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 30분, 더 바람직하게는 1 내지 15분동안 UV를 조사하여 전극을 형성할 수 있다.
그러나 상기 UV 조사시간은 UV 강도에 의존하기 때문에 UV 강도가 강할수록 조사시간은 짧게할 수 있으며, 반대로 UV 강도가 약할수록 조사시간은 길게할 수 있으므로, 상기 수치범위에 제한받지 않는다.
상기와 같이, 단시간동안 UV를 조사하더라도 전극의 화학적 내구성이 우수하여 전극 형성 후 물리적 외력을 가하거나, 수분에 노출시키더라도 전극의 손상 또는 변형이 발생되지 않아 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 지방산 트리글리세라이드의 점도는 0.01 내지 1000 cP일 수 있고, 바람직하게는 0.1 내지 500 cP일 수 있고, 더 바람직하게는 0.1 내지 50cP일 수 있다. 상기와 같은 점도를 가질 경우 금속입자의 균일한 분산을 유도할 수 있고, 금속입자의 전체 표면에 코팅될 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 전극 잉크용 조성물의 함량은 금속입자 20 내지 80중량%와 지방산 트리글리세라이드 20 내지 80중량%포함할 수 있다. 바람직하게는 금속입자 35 내지 65중량%와 지방산 트리글리세라이드 35 내지 65중량% 포함할 수 있다. 더 바람직하게는 금속입자 45 내지 65중량%와 지방산 트리글리세라이드 35 내지 55중량% 포함할 수 있다.
상기와 같은 범위로 전극 잉크용 조성물이 제공될 경우 금속입자에 지방산 트리글리세라이드의 코팅이 원활하고, 전극 잉크용 조성물이 잉크 펜 내에서 새어 나오거나, 잉크 펜의 입구가 막히는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 전극 잉크용 조성물의 점도는 0.1 내지 100,000cP일 수 있고, 바람직하게는 1.0 내지 10,000cP일 수 있고, 더 바람직하게는 1.0 내지 1,000cP일 수 있다. 상기와 같은 범위의 점도를 갖는 전극 잉크용 조성물을 제공할 경우 원하는 형상 및 크기로 손쉽게 전극을 쓰거나, 그릴 수 있어 바람직하다. 또한, 일 양태에 따라 상기 전극 잉크용 조성물은 높은 점도의 페이스트 형태의 잉크용 조성물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 전극 잉크용 조성물은 금속입자와 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드를 혼합하여 분산시켜 전극 잉크용 조성물을 제조할 수 있다. 상기 혼합방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 볼 밀, 샌드 밀, 비즈 밀, 안료 분산기, 초음파 분산기, 호모게나이저, 씽키믹서, 호모믹서, 플래네터리 믹서 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 방법을 혼합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 전극 잉크용 조성물은 탄화수소계 용매를 더 포함할 수 있다. 비한정적으로 구체적인 예를 들어, p-멘탄(p-menthane), p-시멘(p-cymene), α-피넨(α-pinene), β-피넨(β-pinene), 테레빈유(turpentine oil) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기와 같은 탄화수소계 용매를 더 포함할 경우 상기 전극 잉크용 조성물의 점도를 감소시킴으로써 금속입자의 함량을 증대시켜 전기화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 탄화수소계 용매는 상기 전극 잉크용 조성물 총 중량에 대하여 0.01 내지 5중량부 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 전극 잉크용 조성물은 금속입자 및 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드를 포함함으로써 우수한 분산성을 가질 뿐만 아니라 분산 상태를 한달 이상 장시간동안 지속될 수 있다. 또한, 본 발명의 전극 잉크용 조성물은 보관동안 또는 사용 후 수분의 침투를 억제하여 전극 잉크용 조성물 또는 전극의 화학적 내구성을 향상시킬 수 있다. 따라서 대기 중에서 안정적으로 우수한 전기화학적 특성을 유지할 수 있는 전기화학소자에 적용될 수 있다.
본 발명은 일 양태에 따라 상술한 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜을 제공할 수 있다. 상기 잉크 펜은 볼 타입 또는 튜브 타입의 펜일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜은 집전체 상에 다양한 형태 및 크기로 글자처럼 쓰거나 그림처럼 그려서 전극을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 잉크 펜은 내부에 빈 공간이 형성된 몸통부,상기 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 저장부 및 도포 대상에 상기 전극 잉크용 조성물을 도포하기 위한 펜촉부를 포함할 수 있다.
구체적으로는 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 양태에 따른 상기 잉크 펜은 내부에 빈 공간이 형성되어 있고, 단면이 원형 또는 다각형인 몸통부(100) 내에 잉크 저장부(200)가 형성되어 있고, 상기 잉크 저장부는 본 발명의 일 양태에 따른 전극 잉크용 조성물이 충전될 수 있다. 상기 전극 잉크용 조성물을 도포 대상에 도포하기 위하여 상기 잉크 저장부(200)는 펜촉부(300)와 연결되어 있고, 상기 펜촉부(300)를 통하여 상기 전극 잉크용 조성물이 분출되어 나올 수 있다.
상기 잉크 펜과 같이 상기 전극 잉크용 조성물을 충전하여 제공할 경우 전극 잉크용 조성물과 공기간의 접촉을 방지하는 밀봉상태를 유지하여 더욱 오랫동안 보관이 가능하고, 산화 등에 따른 물성저하를 방지할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 잉크 펜은 상기 잉크 저장부(200)의 전극 잉크용 조성물을 상기 펜촉부(300)를 향해 유도하는 잉크 유도부(400)를 포함할 수 있다. 상기 잉크 유도부는 도포 대상으로 상기 전극 잉크용 조성물의 분출을 용이하게 할 수 있다.
본 발명은 상술한 전극 잉크용 조성물을 이용하여 형성된 음극을 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.
본 발명을 구체적으로 설명하면,
본 발명에 따른 전기 화학 소자는 집전체 상에 각각 형성된 음극 및 양극을 포함하며,
상기 음극은 가교결합된 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드로 코팅된 금속입자를 포함하고,
상기 양극은 탄소계 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 음극은 금속입자 및 지방산 트리글리세라이드를 포함하는 전극 잉크용 조성물을 도포한 후 가교결합된 것일 수 있다.
본 발명은 상술한 전극 잉크용 조성물을 이용하여 형성된 음극을 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전기 화학 소자는 도 1에 도시된 바와 같이 집전체 상에 형성된 음극과 양극을 포함하는 것일 수 있다. 상기 음극은 상술한 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜으로 도포된 후, UV 경화하여 전극 잉크용 조성물이 고분자 네트워크를 형성할 수 있다. 구체적으로 상기 전극 잉크용 조성물은 UV 경화를 통하여 가교결합된 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드로 코팅된 금속입자를 형성하여 이를 포함하는 음극으로 제공될 수 있다. 상기 양극은 탄소계 소재를 포함할 수 있고, 구체적인 예를 들어, 상기 탄소계 소재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙(Ketjen black), 탄소나노튜브, 탄소섬유 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따른 상기 양극은 탄소계 소재에 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 티타늄(Ti) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물은 금속을 더 포함할 수 있다.
각각 구성요소를 더욱 구체적으로 설명하면,
본 발명의 일 양태에 따른 상기 집전체는 당해 분야에서 사용되는 전도성이 우수한 기판이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 상기 집전체는 구체적인 예를 들어, 전도성 금속, 전도성 금속산화물 등에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것으로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 상기 집전체는 유연성을 가질 수 있으며, 쉽게 굽혀질 수 있어 플렉서블한 전기 화학 소자를 제공할 수 있다. 더욱 구체적인 예를 들어, 집전체는 알루미늄, 스테인레스 스틸, 구리, 니켈, 철, 리튬, 코발트, 티타늄, 니켈 발포체, 구리 발포체 및 이들의 복합체 등으로 이루어진 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 음극은 상기 집전체 상에 상술한 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜을 통하여 글자처럼 쓰거나, 그림처럼 그려서 형성할 수 있다. 이와 같이 잉크 펜으로 음극을 형성함으로써 다양한 크기 및 형태로 음극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 음극은 상기 전극 잉크용 조성물을 UV 경화함으로써 가교결합된 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드로 코팅된 금속입자를 포함하여 화학적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 상기 음극을 포함할 경우 물리적 외력을 가하거나, 수분에 노출시키더라도 전극의 손상 또는 변형이 발생되지 않아 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 양극은 탄소계 소재를 포함할 수 있고, 구체적인 예를 들어, 상기 탄소계 소재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙(Ketjen black), 탄소나노튜브, 탄소섬유 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따른 상기 양극은 탄소계 소재에 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 티타늄(Ti) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 금속을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 집접체는 공기와의 접촉을 더욱 향상시키기 위하여 공기확산층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 공기확산층은 공기 중의 산소를 흡수하여 양극으로 제공하는 것으로 산소를 원활하게 확산시킬 수 있는 다공성 구조를 가질 수 있다. 바람직하게는 셀룰로오스 유도체인 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 섬유 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 다공성 기판을 사용할 경우 전극 잉크용 조성물의 흡수가 빠르고, 산소를 원활하게 양극으로 확산시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 전기 화학 소자의 상기 음극과 양극의 외면에 겔 전해질이 도포될 수 있다. 상기 겔 전해질은 상기 음극 및 양극에 최적화된 전기화학 특성을 가지는 전해질로 구성될 수 있다. 상기 겔 전해질은 겔 고분자와 염기성 수용액을 포함하여 제조된 것일 수 있다.
구체적인 예를 들어, 상기 겔 고분자는 물 또는 수용액 상에서 겔 형상을 나타낼 수 있는 것으로, 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스(hydroxypropylmethyl cellulose), 젤라틴(gelatin), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리부틸비닐 알코올(polybutylvinyl alcohol), 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 및 폴리아크릴아미드(polyacrylic amide) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 염기성 수용액은 전기화학소자의 전극간의 이온전도성 매체로 제공되는 것으로, 특별히 제한되는 것은 아니나, 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 수산화칼륨 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 염기성 물질을 정제수 또는 증류수 등의 물에 용해시켜 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 같이 제조되는 경우는 추가의 액체 전해질 및 분리막을 필요로 하지 않으며, 겔 전해질을 사용함으로써 고체전해질을 사용하는 것에 비하여 전지의 충방전 효율 및 수명 특성이 더욱 우수한 전기화학 소자를 제공할 수 있다.
상기 겔 전해질 또한 본 발명의 전극 잉크용 조성물과 같이 펜에 포함하여 사용될 수 있다. 이와 같이 사용되면, 다양한 형상의 음극 및 양극의 외면에 도포가 용이하여 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 겔 전해질의 점도는 1 내지 1,000 cP일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 200 cP일 수 있고, 더 바람직하게는 1 내지 100 cP일 수 있다. 상기와 같은 점도를 가질 경우 펜에 포함하여 사용될 수 있고, 펜 밖으로 새어 나오거나, 펜 입구가 막히는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 겔 전해질의 함량은 고분자 1 내지 20중량%와 물 80 내지 99중량% 포함할 수 있다. 바람작하게는 고분자 1 내지 10중량%와 물 90 내지 99중량%포함할 수 있다. 더 바람직하게는 고분자 1 내지 5중량%와 물 95 내지 99중량%포함할 수 있다. 상기 적절한 기계적 강도를 유지하면서 유연성을 확보할 수 있다. 이에 따라, 플렉서블 전지에 적용하였을 때 다양한 외력에 의한 형태 변형에도 안정적인 전지 성능을 구현할 수 있고 전지의 형태 변형으로부터 유발될 수 있는 전지 발화, 폭발 등의 위험을 억제시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 전기 화학 소자는 하기와 같은 방법으로 제조될 수 있다.
먼저, 집전체 상에 음극과 양극을 형성할 수 있다. 상기 음극은 본 발명의 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜을 사용하여 도포한 후, UV 조사하여 경화시켜 제조할 수 있다. 상기 양극은 탄소계 소재를 도포하여 형성할 수 있다.
또 다른 일 양태로, 공기확산층 상에 집전체를 형성하고, 상기 집전체 상에 음극과 양극을 형성할 수 있다. 상기 음극은 본 발명의 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜을 사용하여 도포한 후, UV 조사하여 경화시켜 제조할 수 있다. 상기 양극은 탄소계 소재를 도포하여 형성할 수 있다.
이 후 일 양태에 따른 본 발명의 상기와 같이 음극과 양극이 형성된 전기 화학 소자 중 음극과 양극의 외면에 전해질을 도포할 수 있다.
구체적으로는 도 8에 도시된 바와 같이 종이 상에 전도성 펜(circuit scribe)를 사용하여 집전체 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 상기 집전체 상 일측면에 상술한 전극 잉크용 조성물을 잉크 펜에 주입하여 잉크 펜을 제조한 후, 이를 이용하여, 전극 잉크용 조성물을 도포한 후 UV 조사(Hg UV-램프, Lichtzen)하여 상기 전극 잉크용 조성물을 경화시켜 음극을 형성할 수 있다. 다음 집전체의 타측면에 연필(8B, Staedtler)을 사용하여 양극을 형성하여 전기화학소자를 제조할 수 있다. 상기 전극 잉크용 조성물을 일회용 피펫을 사용하여 펜(Gelly Roll, Sakura, Inc.)에 주입하여 잉크 펜을 제조할 수 있다. 이 후 상기와 같이 음극과 양극이 형성된 전기 화학 소자 중 음극과 양극의 외면에 전해질을 도포할 수 있다.
본 발명의 전기 화학 소자의 일 양태에서, 상기 전기화학 소자는 전기화학반응이 가능한 일차전지 또는 이차전지인 것일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 전기화학 소자는 금속-공기 전지, 바람직하게는 아연-공기 전지일 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 전극 잉크용 조성물, 이를 포함하는 잉크 펜 및 전기 화학 소자에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[실시예 1]
평균입경 50㎚인 아연입자(알드리치) 60중량%와 아마인유(Linseed oli,알드리치)40중량%로 배합하여, 씽키 믹서(Thinky USA, Inc.)를 이용하여 200rpm으로 30분동안 분산시켜 25℃에서 Thermo Electron GmbH사의 Haake MARS3 점도계를 이용하여 1 s-1의 전단속도 하에서 측정된 점도 10 cP인 전극 잉크용 조성물을 제조하였다. 상기 전극 잉크용 조성물을 일회용 피펫을 사용하여 펜(Gelly Roll, Sakura, Inc.)에 주입하여 잉크 펜을 제조하였다. 도 8에 도시된 바와 같이 종이 상에 전도성 펜(circuit scribe)를 사용하여 집전체 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 상기 집전체 상 일측면에 전극 잉크용 조성물을 도포한 후 각각 3, 5, 10 및 20분동안 UV 조사(Hg UV-램프, Lichtzen)하여 경화시켜 음극을 형성하였다.
다음 집전체의 타측면에 연필(8B, Staedtler)를 사용하여 양극을 형성하여 전기화학소자를 제조하였다.
상기와 같이 음극과 양극이 형성된 전기 화학 소자 중 음극과 양극의 외면에 하기와 같이 제조된 겔 전해질을 도포하여 아연-공기 전지를 제조하였다. 상기 겔 전해질은 폴리아크릴산(중량평균분자량 1,250,000g/mol) 2.5중량%와 증류수 97.5중량%를 사용하여 80℃에서 12시간동안 200rpm으로 교반하여 제조하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서 아연입자 30중량%와 아마인유 70중량%를 배합하여 0.2cP인 전극 잉크용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 1에서 아연입자 40중량%와 아마인유 60중량%를 배합하여 0.5cP인 전극 잉크용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 1에서 아연입자 50중량%와 아마인유 50중량%를 배합하여 3cP인 전극 잉크용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 5]
상기 실시예 1에서 아연입자 70중량%와 아마인유 30중량%를 배합하여 100cP인 전극 잉크용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 6]
상기 실시예 1에서 아마인유를 대신하여 해바라기유에 배합하여 9cP인 전극 잉크용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 7]
상기 실시예 1에서 아마인유를 대신하여 유채유에 배합하여 11cP인 전극 잉크용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 아마인유를 대신하여 증류수에 배합한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1에서 아마인유를 대신하여 디메틸 설폭사이드에 배합한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1에서 아마인유를 대신하여 이소프로필알코올에 배합한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실험예 1]
전극 잉크용 조성물의 분산성 확인.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1은 분산 후 상온에서 30일동안 보관 후에도 아연입자가 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 2 내지 7을 분산 후에도 실시예 1과 동일하게 균일한 분산성을 나타내었다. 특히, 실시예 1 내지 6의 경우 더욱 우수한 분산성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 도 3에 도시된 바와 같이 비교예 1 내지 3은 아연입자를 분산 시 겔화, 층분리 또는 침전이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 전극 잉크용 조성물은 분산성이 우수하고, 장시간 보관하더라도 겔화, 층분리 또는 침전 등이 발생하지 않고 분산성이 지속되는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 2]
전극 잉크용 조성물의 쓰기 특성.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1, 2 및 5로 제조된 전극 잉크용 조성물을 종이 상에 도포하여 전극을 형성 시 문제점이 없는 지 관찰하였다. 이 때, 상기 전극 잉크용 조성물을 일회용 피펫을 사용하여 펜(Gelly Roll, Sakura, Inc.)에 주입하여 잉크 펜을 제조하였다. 구체적으로 실시예 2의 경우 균일한 분산성을 보여 전극 형성 시 어려움이 없었으나, 잉크 펜으로 적용하였을 때, 펜 밖으로 전극 잉크용 조성물이 새어나와 전극을 쓰거나, 그리는 데 어려움이 있었다. 또한, 실시예 5의 경우 균일한 분산성을 보여 전극 형성 시 어려움이 없었으나, 잉크 펜으로 적용하였을 때, 전극 잉크용 조성물이 입구가 막혀 잘 나오지 않거나 나오더라도 종이에 도포 시 일정하게 전극이 그려지지 않는 어려움이 있었다.
[실험예 3]
전극 잉크용 조성물로 제조된 전극의 화학적 안정성 확인.
상기 전극 잉크용 조성물을 일회용 피펫을 사용하여 펜(Gelly Roll, Sakura, Inc.)에 주입하여 잉크 펜을 제조하였다. 이를 이용하여 종이 상에 전극 잉크용 조성물을 도포한 후 각각 3, 5, 10 및 20분동안 UV 조사(Hg UV-램프, Lichtzen)하여 경화시켜 전극을 형성하였다. 도 5의 B에 나타난바와 같이 10분 이후에는 UV조사를 더하더라도 변화가 없음을 확인하였다. 이는 UV조사 10분이내의 단시간에 조사되더라도 완전히 경화되어 전극의 안정성을 갖고 구조를 유지하는 것으로 확인할 수 있었다.
구체적으로 상기 실시예 1의 전극 잉크용 조성물로 제조된 전극은 도 5의 D에 도시된 바와 같이 UV 조사 후에는 지우개로 지우는 등 물리적 외력을 가하더라도 박리 등의 변형이 없는 반면, UV 조사 전에는 물리적 외력에 변형이 생기는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 2 내지 7의 전극 잉크용 조성물로 제조된 전극 또한 물리적 외력에 변형이 발생되지 않았으며, 실시예 7의 경우 UV경화에 다른 실시예에 대비 시간이 추가로 더 필요하였다.
또한, 도 5의 E에 도시된 바와 같이 상기 실시예 1로 제조된 전극은 물에 침수시켜도 물이 침투되지 않는 발수성을 갖는 것을 통하여 고습도의 조건에서도 우수한 전극 특성을 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 2 내지 7로 제조된 전극 또한 습도의 조건에서도 우수한 전극 특성을 유지할 수 있는 것을 확인하였다.
또한, 도 5의 F에 도시된 바와 같이 95% RH, 80℃의 고온고습 조건에서 상기 실시예 1로 제조된 전극의 형태 변화를 10시간동안 관찰하였을 때, UV 조사 후는 표면에 별다른 변화가 없는 반면, UV 조사 전은 다량의 산화아연이 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 2 내지 7의 전극 잉크용 조성물로 제조된 전극 또한 산화아연이 발생되지 않았다.
이러한 결과는 본 발명의 전극 잉크용 조성물은 UV 경화를 통하여 가교결합된 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드로 코팅된 아연입자를 포함하여 기계적 변형이 없고, 화학적 안정성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 가교결합된 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드는 아연입자의 바인더 역할을 동시에 해주는 것을 보여준다.
[실험예 4]
전극 잉크용 조성물로 제조된 전극을 음극으로 포함하는 전기 화학 소자의 전기적 특성 확인.
상기 전기화학소자를 한달 동안 대기 중에 노출시켜 전극의 특성 보존성을 확인하였다. 도 6에 도시된 바와 같이 전기화학소자가 제조된 직후의 전지 충방전 특성을 측정하였을 때와 대기 중에 한달동안 노출된 전기화학소자 전극의 충방전 특성의 저하가 발생되지 않음을 확인하였다.
또한, 본 발명의 상기 전기 화학 소자는 기계적 유연성을 확인하기 위하여 굽힘반경을 2.0, 4.0 및 6.0㎜로 굽힌 후 전지 충방전 용량을 측정하였을 때, 도 7에 도시된 바와 같이 전기 화학 소자는 굽힘의 외력을 가하더라도 전기화학적 특성에 변화없이 우수한 전지 충방전 용량을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 전극 잉크용 조성물은 글자처럼 쓰거나, 그림처럼 그릴 수 있어 더욱 얇게 도포될 수 있고, 유연한 공기확산층 및 집접체 상에 유연하게 형성됨에 따라 우수한 유연성을 확보할 수 있다.
따라서 본 발명의 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜으로 다양한 형상의 전극을 형성할 수 있고, 이를 포함하는 전기 화학 소자는 화학적 안정성이 우수하고, 충방전 정전용량이 우수한 전기화학적 특성을 갖는 아연-공기 전지로 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 전극 잉크용 조성물, 이를 포함하는 잉크 펜 및 전기 화학 소자가 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100:몸통부 200:잉크 저장부 300:펜촉부 400:잉크 유도부

Claims (17)

  1. 금속입자 및
    지방산 트리글리세라이드를 포함하는 전극 잉크용 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속입자는 1족, 2족, 8족, 12족 및 13족 금속에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 전극 잉크용 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속입자는 아연, 마그네슘, 철, 리튬, 나트륨, 카드뮴 및 알루미늄에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 전극 잉크용 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지방산 트리글리세라이드는 분자 내에 불포화기의 수가 4이상인 전극 잉크용 조성물.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 불포화기는 이중결합인 전극 잉크용 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 지방산 트리글리세라이드는 요오드값이 100이상인 전극 잉크용 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 지방산 트리글리세라이드는 UV 경화성인 전극 잉크용 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 지방산 트리글리세라이드의 점도는 0.01 내지 1,000cP인 전극 잉크용 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 금속입자의 평균입경은 0.001 내지 100㎛인 전극 잉크용 조성물.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 잉크용 조성물의 함량은 금속입자 20 내지 80중량%와 지방산 트리글리세라이드 20 내지 80중량% 포함하는 전극 잉크용 조성물.
  11. 제 1항 내지 제 10항에서 선택되는 어느 한 항의 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 펜.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 잉크 펜은
    내부에 빈 공간이 형성된 몸통부,
    상기 전극 잉크용 조성물을 포함하는 잉크 저장부 및
    도포 대상에 상기 전극 잉크용 조성물을 도포하기 위한 펜촉부
    를 포함하는 잉크 펜.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 잉크 펜은 상기 잉크 저장부의 전극 잉크용 조성물을 상기 펜촉부를 향해 유도하는 잉크 유도부를 포함하는 잉크 펜.
  14. 집전체 상에 각각 형성된 음극 및 양극을 포함하며,
    음극은 가교결합된 C8 내지 C25 지방산 트리글리세라이드로 코팅된 금속입자를 포함하고,
    양극은 탄소계 소재를 포함하는 전기 화학 소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 집전체는 공기확산층 상에 형성된 것인 전기 화학 소자.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 음극은 금속입자 및 지방산 트리글리세라이드를 포함하는 전극 잉크용 조성물을 도포한 후 가교결합된 것인 전기 화학 소자.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 음극과 양극의 외면에 겔 전해질이 도포되는 전기 화학 소자.
KR1020170153882A 2017-11-17 2017-11-17 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자 KR102082751B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170153882A KR102082751B1 (ko) 2017-11-17 2017-11-17 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170153882A KR102082751B1 (ko) 2017-11-17 2017-11-17 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190056681A true KR20190056681A (ko) 2019-05-27
KR102082751B1 KR102082751B1 (ko) 2020-03-02

Family

ID=66679324

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170153882A KR102082751B1 (ko) 2017-11-17 2017-11-17 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102082751B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4296071A1 (en) * 2022-06-22 2023-12-27 BIC Violex Single Member S.A. Writing instrument

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008123791A (ja) 2006-11-10 2008-05-29 Toshiba Battery Co Ltd ゲル状亜鉛負極の製造方法及び亜鉛アルカリ電池
JP2016033866A (ja) * 2014-07-31 2016-03-10 日本碍子株式会社 亜鉛空気二次電池
KR20160133832A (ko) * 2015-05-13 2016-11-23 주식회사 엘지화학 리튬-황 전지용 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬-황 전지용 전극
KR20170024669A (ko) * 2015-08-26 2017-03-08 주식회사 엘지화학 전극 합제 양면 분사 방식의 전극 시트 제조장치
US20170098823A1 (en) * 2015-10-05 2017-04-06 Sila Nanotechnologies Inc. Protection of battery electrodes against side reactions
JP6205981B2 (ja) * 2013-08-23 2017-10-04 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 リチウム二次電池の電極形成用組成物、電極及びリチウム二次電池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008123791A (ja) 2006-11-10 2008-05-29 Toshiba Battery Co Ltd ゲル状亜鉛負極の製造方法及び亜鉛アルカリ電池
JP6205981B2 (ja) * 2013-08-23 2017-10-04 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 リチウム二次電池の電極形成用組成物、電極及びリチウム二次電池
JP2016033866A (ja) * 2014-07-31 2016-03-10 日本碍子株式会社 亜鉛空気二次電池
KR20160133832A (ko) * 2015-05-13 2016-11-23 주식회사 엘지화학 리튬-황 전지용 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬-황 전지용 전극
KR20170024669A (ko) * 2015-08-26 2017-03-08 주식회사 엘지화학 전극 합제 양면 분사 방식의 전극 시트 제조장치
US20170098823A1 (en) * 2015-10-05 2017-04-06 Sila Nanotechnologies Inc. Protection of battery electrodes against side reactions

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Zedong Li et. al., Recent Advances in Pen-Based Writing Electronics and their Emerging Applications, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 165-180 (2016.01.11.)* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4296071A1 (en) * 2022-06-22 2023-12-27 BIC Violex Single Member S.A. Writing instrument

Also Published As

Publication number Publication date
KR102082751B1 (ko) 2020-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1201420C (zh) 锂－硫电池用的正极活性材料组合物及用该材料构成的锂－硫电池
US10283759B2 (en) Silicon-based anode and method for manufacturing the same
US9698423B2 (en) Rechargeable zinc ion battery based on carbon cathode
JP6354393B2 (ja) 燃料電池用水性触媒ペースト組成物、及び燃料電池
MX2010009700A (es) Bateria de litio-azufre y catodo para la misma.
KR20160150118A (ko) 복합 활물질, 고체 전지 및 복합 활물질의 제조 방법
KR20130142224A (ko) 고체 고분자 전해질, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬전지
WO2017170898A1 (ja) リチウム二次電池電極用組成物
CN114430084A (zh) 一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用
JP2014063676A (ja) 二次電池正極用水系バインダー液、およびこれを用いてなる二次電池正極用水系ペースト、二次電池正極、二次電池
JP6182995B2 (ja) 触媒電極用の集電体コート用組成物、コート層付き集電体、触媒電極、燃料電池及び空気電池
JP6656697B2 (ja) 発電池用の負極、胃酸電池、金属イオン二次電池、システム、及び、電池の使用方法
KR102082751B1 (ko) 전극 잉크용 조성물 및 이를 포함하는 잉크 펜, 전기 화학 소자
CN106797031B (zh) 锂二次电池电极用组合物
US20140199578A1 (en) Flexible alkaline battery
JP6654844B2 (ja) リチウム二次電池電極用組成物
JP3290229B2 (ja) 電 池
JP6464734B2 (ja) 燃料電池用水性触媒ペースト組成物、及び燃料電池
KR101693930B1 (ko) 전기화학 소자용 전극의 제조방법, 전기화학 소자용 전극 슬러리, 및 전기화학 소자용 전극
JP5987775B2 (ja) 燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池
JP2020198275A (ja) 全固体電池用集電体および全固体電池
JP7265062B2 (ja) 正極活物質塗料、正極、および二次電池
CN111584824B (zh) 一种制造具有保护层的电极的方法
KR20180056369A (ko) 다공성막, 이를 포함하는 세퍼레이터, 이를 포함하는 전기화학 소자, 및 다공성막 제조방법
JP2019067567A (ja) 正極活物質塗料、正極、および二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
N231 Notification of change of applicant
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant