KR20190099678A - Carbon materials as the cathode for Zn-air secondary battery - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a carbon material for a positive electrode of a zinc-air secondary battery. The technical point of the crystalline graphite is to have a main peak appearing at 2θ = 26.40 to 26.50° in the X-ray diffraction pattern (XRD), and have a full width at half maximum of 0.2 to 0.4° in the main peak. As a result, the present invention can obtain a carbon material for a positive electrode of a zinc-air secondary battery having high crystallinity, constant particle size and shape, less corrosion, and excellent durability.

Description

아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재 {Carbon materials as the cathode for Zn-air secondary battery}Carbon materials as the cathode for Zn-air secondary battery}

본 발명은 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입자의 결정성이 높고 입자의 사이즈 및 형상이 일정하여 부식 정도가 적으며 내구성이 우수한 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon material for the positive electrode of a zinc air secondary battery, and more particularly, the carbon for the positive electrode of a zinc air secondary battery having a high degree of crystallinity, constant particle size and shape, less corrosion, and excellent durability. It is about material.

아연공기 전지는 갈수록 대두되는 화석 연료 고갈 및 친환경, 고효율 대체 에너지의 요구가 높아짐에 따라 주목받기 시작한 분야이다. 특히 사용하는 소재의 대부분이 환경 친화적이면서 저렴하며, 많은 발전 가능성이 남아 있다는 점에서 앞으로 초고용량의 전지를 설계하는 것이 가능하다. 이러한 아연공기 전지는 공기 중의 산소를 양극으로 사용하여 아연을 산화시킴으로써 화학적 에너지를 직접적으로 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 최근에는 이러한 아연공기 전지를 대상으로 하여 재충전이 가능한 아연공기 이차전지(zinc-air secondary battery)를 개발하고자 하는 노력이 이어지고 있다.Zinc-air batteries are attracting attention as fossil fuel exhaustion and demand for eco-friendly, high-efficiency alternative energy increase. In particular, since most of the materials used are environmentally friendly and inexpensive, and there is a lot of potential for development, it is possible to design ultra-high capacity batteries in the future. Such zinc air batteries can convert chemical energy directly into electrical energy by oxidizing zinc using oxygen in the air as a positive electrode. Recently, efforts to develop a rechargeable zinc air secondary battery (zinc-air secondary battery) for these zinc air battery has been continued.

아연공기 이차전지는 양극, 분리막, 전해액 및 음극을 포함하여 구성된다. 여기서 이차전지의 양극은 공기극이라고도 표현하며, 촉매층과 가스확산층의 이중층 구조로 이루어진다. 촉매층은 산소의 환원, 생성반응을 활성화시켜주는 양극 촉매를 담지하는 역할을 하며, 가스확산층은 외부의 공기 중에 포함된 산소가 양극촉매까지 전달될 수 있도록 기체의 유로를 제공한다.The zinc air secondary battery includes a positive electrode, a separator, an electrolyte, and a negative electrode. Here, the positive electrode of the secondary battery is also referred to as an air electrode, and has a double layer structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer. The catalyst layer serves to support the anode catalyst that activates the reduction and production of oxygen, and the gas diffusion layer provides a flow path of gas so that oxygen contained in the outside air can be delivered to the anode catalyst.

아연공기 이차전지는 대기 중의 산소를 양극활물질로 사용하기 때문에 가벼운 탄소소재의 공기극 사용과 더불어 배터리의 무게를 감소시켜 다른 이차전지에 비해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 양극에서 이루어지는 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)과 산소생성반응(oxygen evolution reaction, OER)이 음극의 산화속도에 비해서 매우 더딘 반응이기 때문에 아연공기 이차전지의 반응은 양극의 산소환원반응의 속도에 의존한다. 따라서 이러한 산소환원반응 및 산소생성반응이 일어나는 양극 촉매의 성능 증가에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 양극에 포함된 탄소소재에 대한 연구는 현재까지 높은 수준에 이르지 못하고 있다.Since zinc air secondary batteries use oxygen in the atmosphere as a cathode active material, there is a merit that high energy density can be realized in comparison with other secondary batteries by reducing the weight of the battery as well as using a cathode of light carbon material. However, since the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) at the anode are very slow compared to the oxidation rate of the cathode, the reaction of the zinc air secondary battery is a reaction of the oxygen reduction reaction of the cathode. Depends on speed Therefore, the research on the increase of the performance of the cathode catalyst in which the oxygen reduction reaction and oxygen generation reaction occurs, but the research on the carbon material contained in the anode has not reached a high level to date.

대한민국특허청 공개특허 제10-2011-0054954호Korean Patent Office Publication No. 10-2011-0054954 대한민국특허청 공개특허 제10-2014-0065546호Korean Patent Office Publication No. 10-2014-0065546

따라서 본 발명의 목적은, 입자의 결정성이 높고 입자의 사이즈 및 형상이 일정하여 부식 정도가 적으며 내구성이 우수한 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a carbon material for the positive electrode of a zinc-air secondary battery having high crystallinity, constant particle size and shape, less corrosion, and excellent durability.

상기한 목적은, X선 회절 패턴(XRD)에서 주 피크(main peak)가 2θ = 26.40 내지 26.50°에서 나타나며, 상기 주 피크에서 반가폭(full width at half maximum)이 0.2 내지 0.4°인 결정질 그래파이트(graphite)인 것을 특징으로 하는 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재에 의해서 달성된다.The above object is that the crystalline graphite having a main peak at 2θ = 26.40 to 26.50 ° in the X-ray diffraction pattern XRD and a full width at half maximum of 0.2 to 0.4 ° at the main peak. It is achieved by the carbon material for the positive electrode of the zinc-air secondary battery, characterized in that (graphite).

여기서, 상기 결정질 그래파이트는 상기 주 피크의 피크 강도(peak intensity)가 300,000 내지 500,000이며, 상기 결정질 그래파이트는 700℃의 열처리에서 10wt% 이하로 승화(sublimation)되는 것이 바람직하다.The crystalline graphite may have a peak intensity of 300,000 to 500,000 of the main peak, and the crystalline graphite may be sublimated to 10 wt% or less at 700 ° C. of heat treatment.

또한, 상기 결정질 그래파이트는 평균 입자 사이즈가 5 내지 50㎛이며, 전체 입자 사이즈는 평균 입자 사이즈에 대해 ±20㎛ 범위 내에 해당하며, 상기 결정질 그래파이트는 층상 또는 구상으로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the crystalline graphite has an average particle size of 5 to 50㎛, the total particle size is within the range of ± 20㎛ relative to the average particle size, the crystalline graphite is preferably made of a layered or spherical.

본 발명에 따르면, 입자의 결정성이 높고 입자의 사이즈 및 형상이 일정하여 부식 정도가 적으며 내구성이 우수한 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재를 얻을 수 있다.According to the present invention, it is possible to obtain a carbon material for the positive electrode of a zinc-air secondary battery having high crystallinity, constant particle size and shape, less corrosion, and excellent durability.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소소재의 X선 회절 패턴(X-ray diffraction patterns, XRD)이며,
도 2는 탄소소재의 열중량 분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 3은 탄소소재의 주사전자 현미경(FE-SEM) 사진이고,
도 4는 탄소소재 및 촉매의 입자 사이즈 분포를 나타낸 그래프이고,
도 5는 탄소소재를 통해 제조된 공기 양극의 충방전 성능을 확인한 그래프(LSV curves @2mV/s)이고,
도 6은 탄소소재를 포함한 공기 양극의 순환 전압-전류 그래프(cyclic voltammograms)이고,
도 7은 탄소소재를 포함한 공기 양극과 과량의 아연 음극으로 구성한 아연공기 이차전지의 충방전에 따른 full cell test 그래프이고,
도 8은 full cell test 후 전해액 사진 및 전해액 내 탄소 함유량 정량 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is X-ray diffraction patterns (XRD) of the carbon material according to an embodiment of the present invention,
Figure 2 is a graph showing the thermogravimetric analysis of the carbon material,
3 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the carbon material,
Figure 4 is a graph showing the particle size distribution of the carbon material and the catalyst,
5 is a graph (LSV curves @ 2mV / s) confirming the charge and discharge performance of the air cathode produced through a carbon material,
6 is a cyclic voltammograms of the air anode including the carbon material,
7 is a full cell test graph according to charge and discharge of a zinc air secondary battery composed of an air cathode including a carbon material and an excess of zinc anode,
8 is a graph showing the electrolytic solution photograph and the carbon content quantitative analysis result after the full cell test.

이하 본 발명의 실시예에 따른 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재를 도면을 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, the carbon material for the positive electrode of the zinc-air secondary battery according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

탄소소재로 이루어진 공기 양극의 부식은 아연공기 이차전지의 전해액이 갈색으로 변하는 것으로 확인할 수 있다. 전해액의 색은 반복된 충방전 사이클 동안 양극의 탄소가 카보네이트 이온(carbonate ion)으로 부식되어 전해액 중으로 녹아나오면서 변하게 된다. 이러한 탄소소재의 부식 반응은 다음 화학식 1로 표현할 수 있다.Corrosion of the air cathode made of carbon material can be confirmed that the electrolyte of the zinc-air secondary battery turns brown. The color of the electrolyte changes as the carbon of the anode decays into carbonate ions and melts into the electrolyte during repeated charge and discharge cycles. Corrosion reaction of such a carbon material can be represented by the following formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

C + 6OH- → CO3 2- + 3H2O + 4e- C + 6OH - → CO 3 2- + 3H 2 O + 4e -

탄소소재의 부식은 표면의 발수성과 다공성을 변화시켜 산소 확산 저항을 증가시킬 뿐 아니라 전기적 저항을 증가시키게 되며, 결과적으로 양극의 열화와 전해액 중에 녹아 나온 카보네이트 이온은 아연공기 이차전지의 성능에 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 이와 같은 탄소소재의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 아연공기 이차전지의 성능을 증가시킬 수 있는 양극용 탄소소재를 발명하였다.Corrosion of carbon materials not only increases the oxygen diffusion resistance by changing the surface water repellency and porosity, but also increases the electrical resistance. As a result, deterioration of the anode and carbonate ions dissolved in the electrolyte negatively affect the performance of the zinc air secondary battery. Get mad. Therefore, in order to solve the problem of the carbon material, the present invention invented a carbon material for the positive electrode that can increase the performance of the zinc-air secondary battery.

본 발명에 따른 탄소소재는, X선 회절 패턴(XRD)에서 주 피크(main peak)가 2θ = 26.40 내지 26.50°에서 나타나며, 주 피크에서 반가폭(full width at half maximum)이 0.2 내지 0.4°인 결정질 그래파이트(graphite)이다. 또한 결정질 그래파이트는 주 피크의 피크 강도(peak intensity)가 300,000 내지 500,000인 것이 바람직하다.The carbon material according to the present invention has a main peak at 2θ = 26.40 to 26.50 ° in the X-ray diffraction pattern (XRD), and has a full width at half maximum of 0.2 to 0.4 °. It is crystalline graphite. In addition, the crystalline graphite preferably has a peak intensity of 300,000 to 500,000 of the main peak.

이와 같이 주 피크에서 반가폭이 0.2 내지 0.4°이고, 피크 강도가 300,000 내지 500,000인 경우 그래파이트의 결정성이 높은 것을 의미한다. 결정질 그래파이트가 아닌 결정성이 낮은 그래파이트의 경우 반가폭이 5° 이상이며, 피크 강도가 30,000이하로 본 발명의 범위에서 벗어난 수치의 피크를 보이게 된다. 결정성이 낮은 그래파이트의 경우 부식 정도가 크며 이에 의해 내구성이 우수하지 못하기 때문에 아연공기 이차전지의 성능을 저하시키게 된다. 하지만 본 발명의 결정질 그래파이트의 경우 결정성이 높기 때문에 부식 정도가 작으며 내구성이 우수하여 아연공기 이차전지의 성능이 우수하고 수명을 연장시킬 수 있다.As such, when the half width at the main peak is 0.2 to 0.4 ° and the peak intensity is 300,000 to 500,000, it means that the crystallinity of graphite is high. In the case of graphite having low crystallinity rather than crystalline graphite, the half width is 5 ° or more, and the peak intensity is 30,000 or less, thereby showing peaks outside the scope of the present invention. In the case of graphite having low crystallinity, the degree of corrosion is high and thereby the durability is not excellent, thereby degrading the performance of the zinc air secondary battery. However, in the case of the crystalline graphite of the present invention, since the crystallinity is high, the corrosion degree is small and the durability is excellent, so that the performance of the zinc-air secondary battery may be excellent and the life may be extended.

특히 결정질 그래파이트는 700℃의 열처리에서 10wt% 이하로 승화(sublimation)되는 데, 이는 비정질 그래파이트의 경우 700℃의 열처리에서 20wt% 이상이 승화되기 때문에 이 또한 아연공기 이차전지에 적합하지 않은 탄소소재에 해당한다. Particularly, crystalline graphite is sublimated to 10 wt% or less at 700 ° C. heat treatment. This is because amorphous graphite is sublimated to 20 wt% or more at 700 ° C. heat treatment, which is not suitable for zinc air secondary batteries. Corresponding.

또한 결정질 그래파이트는 평균 입자 사이즈가 5 내지 50㎛이며, 전체 입자 사이즈는 평균 입자 사이즈에 대해 ±20㎛ 범위 내에 해당하는 것이 바람직하다. 즉 결정질 그래파이트는 입자 사이즈가 균일한 것이 바람직한데, 입자 사이즈가 균일할수록 내구성이 우수하여 제품에 적용하기 용이하다. 따라서 결정질 그래파이트의 평균 입자 사이즈는 본 발명에 있어서 매우 중요한 점 중 하나이다. 이와 같은 결정질 그래파이트는 층상 또는 구상으로 이루어질 수 있다.In addition, the crystalline graphite has an average particle size of 5 to 50 μm, and the total particle size preferably falls within a range of ± 20 μm relative to the average particle size. That is, the crystalline graphite is preferably a uniform particle size, the more uniform the particle size is excellent durability and easy to apply to the product. Therefore, the average particle size of crystalline graphite is one of the very important points in the present invention. Such crystalline graphite may consist of layers or spheres.

이와 같은 본 발명의 탄소소재를 종래의 아연공기 이차전지에 적용되는 탄소소재와 특성을 비교하였다. 아연공기 이차전지의 양극 성능과 내구성에 영향을 미치는 탄소소재의 특성을 규명하기 위해 서로 다른 비표면적, 입자 사이즈, 입자 형상, 결정성을 가지는 탄소소재들로 공기 양극을 제조하여 테스트 하였다.The carbon material of the present invention was compared with the carbon material applied to a conventional zinc air secondary battery. In order to investigate the characteristics of carbon materials affecting anode performance and durability of zinc air secondary batteries, air cathodes were manufactured and tested with carbon materials having different specific surface area, particle size, particle shape, and crystallinity.

테스트에 사용된 탄소소재의 특성은 표 1을 통해 확인할 수 있다. 여기서 Gr1 및 Gr2는 본 발명에 따른 결정질 그래파이트이고, Gr3는 결정성이 낮은 그래파이트이며 CB는 아연공기 이차전지에 사용되는 카본블랙(carbon black)을 나타낸 것이다.The properties of the carbon materials used in the test can be seen in Table 1. Gr1 and Gr2 are crystalline graphite according to the present invention, Gr3 is graphite having low crystallinity, and CB is carbon black used in a zinc air secondary battery.

탄소소재 종류Carbon material type 피크 위치(°)Peak position (°) 피크 강도Peak intensity 반가폭(°)Half width (°) graphite1(Gr1)graphite1 (Gr1) 26.4926.49 374,093374,093 0.30.3 graphite2(Gr2)graphite2 (Gr2) 26.4626.46 459,421459,421 0.230.23 graphite3(Gr3)graphite3 (Gr3) 25.8825.88 14,71514,715 5.75.7 carbon black(CB)carbon black (CB) 24.6224.62 5,7345,734 6.26.2

도 1은 탄소소재 종류에 따른 X선 회절 패턴(X-ray diffraction patterns, XRD)을 나타낸 것으로, (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, (d) CB 피크를 의미한다. 이와 같은 XRD를 통해 탄소소재의 결정성은 Gr1 및 Gr2는 고결정성의 입자들로 이루어진 데 비해 Gr3 및 CB는 결정성이 낮은 비정질이 주류를 이루는 것을 알 수 있다. 즉 Gr1 및 Gr2는 결정질 그래파이트에 해당하며, Gr3 및 CB는 결정성이 낮은 그래파이트 및 비정질 카본블랙에 해당한다. 이때 Gr1보다 Gr2가 좀 더 결정성이 우수한 것을 알 수 있다.Figure 1 shows the X-ray diffraction patterns (XRD) according to the carbon material type, and means (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, (d) CB peaks. Through XRD, the crystallinity of the carbon material can be seen that Gr1 and Gr2 are composed of highly crystalline particles, whereas Gr3 and CB are amorphous with low crystallinity. That is, Gr1 and Gr2 correspond to crystalline graphite, and Gr3 and CB correspond to graphite and amorphous carbon black having low crystallinity. At this time, it can be seen that Gr2 has more excellent crystallinity than Gr1.

도 2는 탄소소재 종류에 따른 열중량 분석 결과를 나타낸 그래프로, 탄소소재에 열처리를 한 후 중량을 확인하여 승화된 정도를 확인할 수 있다. 그래프를 통해 알 수 있듯이 결정성이 낮은 그래파이트 및 비정질 카본블랙은 낮은 온도에서 승화가 되며, 이에 비해 결정질 그래파이트는 높은 온도에서도 승화되는 정도가 적은 것을 알 수 있다. 이는 도 1의 XRD를 통해 확인한 결정성과 동일한 경향을 보이는 것을 확인 가능하다.Figure 2 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis according to the type of carbon material, it is possible to confirm the degree of sublimation by checking the weight after heat treatment to the carbon material. As can be seen from the graph, low crystalline graphite and amorphous carbon black sublimate at a low temperature, whereas crystalline graphite has a low degree of sublimation even at a high temperature. This can be seen that shows the same tendency with the crystallinity confirmed through XRD of FIG.

도 3은 탄소소재들의 주사전자 현미경(FE-SEM) 사진을 나타낸 것으로, (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, (d) CB에 해당한다. Gr1의 경우 8 내지 10㎛ 사이즈의 층상 구조(lamellar structure)를 나타내며, Gr2는 15㎛ 사이즈 정도의 균일한 구상 구조를 나타낸다. 또한, Gr3은 구상으로 이루어지지만 큰 사이즈와 작은 사이즈의 입자가 서로 공존하며, CB는 500nm 이하의 매우 작은 입자로 이루어지는 것을 알 수 있다. Gr1 및 Gr2의 경우 균일한 사이즈를 가짐에 비해 Gr3 및 CB는 입자 사이즈가 균일하지 못하여 오랫동안 충방전시 열화가 빨리 진행되어 수명이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 Gr1 및 Gr2와 같이 입자 사이즈가 균일하면서 적당한 사이즈를 가지는 것이 중요하다.Figure 3 shows a scanning electron microscope (FE-SEM) of the carbon material, and corresponds to (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, (d) CB. In the case of Gr1, a lamellar structure of 8 to 10 mu m size is shown, and Gr2 shows a uniform spherical structure of about 15 mu m size. In addition, although Gr3 is spherical, it can be seen that particles of large size and small size coexist with each other, and CB is made of very small particles of 500 nm or less. Gr1 and Gr2 have a uniform size, whereas Gr3 and CB have a problem in that the particle size is not uniform and the deterioration progresses quickly during charge and discharge for a long time, thereby decreasing the lifespan. Therefore, it is important to have an appropriate size with a uniform particle size, such as Gr1 and Gr2.

도 4는 탄소소재 및 촉매의 입자 사이즈 분포를 나타낸 그래프이다. Gr1 및 Gr2의 경우 각각 평균 입자 사이즈가 5㎛, 15㎛로 분포가 일정한 것에 비해, Gr3 및 CB는 이정점(bimodal) 분포를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉 결정질 그래파이트는 하나의 분포를 나타내는 것에 비해, 결정성이 낮은 그래파이트 및 비정질 카본블랙은 평균 입자 사이즈가 두 개의 분포로 나타내는 것을 의미한다.4 is a graph showing particle size distribution of a carbon material and a catalyst. In the case of Gr1 and Gr2, it can be seen that Gr3 and CB exhibit bimodal distributions, whereas the average particle sizes are constant at 5 µm and 15 µm, respectively. That is, crystalline graphite shows one distribution, whereas graphite and amorphous carbon black having low crystallinity mean that the average particle size is represented by two distributions.

도 5는 탄소소재를 통해 제조된 공기 양극의 충방전 성능을 확인한 그래프(LSV curves @2mV/s)이며, (a)는 방전그래프이고 (b)는 충전그래프에 해당한다. 방전그래프를 통해 -0.2V의 전압에서 Gr1 양극은 전류밀도가 20.78mAㆍcm-2, Gr2 양극은 8.17mAㆍcm-2, Gr3 양극은 0.21mAㆍcm-2, CB 양극은 13.01mAㆍcm-2인 것을 확인할 수 있다. 또한 충전그래프를 통해 0.65V의 전압에서 Gr1 양극은 154.11mAㆍcm-2, Gr2 양극은 65.50mAㆍcm-2, Gr3 양극은 4.93mAㆍcm-2, CB 양극은 119.51mAㆍcm-2인 것을 확인할 수 있다.Figure 5 is a graph (LSV curves @ 2mV / s) to confirm the charge and discharge performance of the air cathode produced through a carbon material, (a) is a discharge graph and (b) corresponds to a charge graph. Through the discharge graph, the Gr1 anode has a current density of 20.78mAcm -2 , the Gr2 anode has a 8.17mAcm -2 , the Gr3 anode has 0.21mAcm -2 , and the CB anode has a 13.01mAcm You can see that it is -2 . The charge graph shows that the Gr1 anode is 154.11 mAcm -2 , the Gr2 anode is 65.50 mAcm -2 , the Gr3 anode is 4.93 mAcm -2 , and the CB anode is 119.51 mAcm -2 . You can see that.

도 6은 탄소소재를 포함한 공기 양극의 순환 전압-전류 그래프(cyclic voltammograms)로, (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, (d) CB에 해당한다. 이때 양 말단 전압에서 전류밀도 변화가 적을수록 내구성이 우수한 것을 의미한다. Gr1의 경우 양 말단이 1회 사이클과 40회 사이클이 차이가 적어 내구성이 우수한 것을 알 수 있으며, Gr2의 경우 사이클이 진행될수록 전류밀도가 커지는 것을 확인 가능한데 이는 비표면적이 작아 활성화 시간이 길기 때문이다. Gr3의 경우 전기화학적 반응이 거의 일어나지 않으며, CB의 경우 1회 사이클과 40회 사이클의 변화가 큰 것으로 보아 내구성이 우수하지 않다는 것을 알 수 있다.6 is a cyclic voltammograms of the air anode including the carbon material, which corresponds to (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, and (d) CB. In this case, the smaller the current density change at both terminal voltages, the more excellent the durability. In the case of Gr1, it can be seen that durability is excellent due to the small difference between one cycle and 40 cycles at both ends, and in the case of Gr2, the current density increases as the cycle progresses, because the specific surface area is small and the activation time is long. . In the case of Gr3, the electrochemical reaction hardly occurs, and in the case of CB, the change of one cycle and 40 cycles is large, indicating that the durability is not excellent.

도 7은 탄소소재를 포함한 공기 양극과 과량의 아연 음극으로 구성한 아연공기 이차전지의 충방전에 따른 full cell test 그래프를 나타낸 것으로, 충방전간 전압 차이가 작고, 사이클이 진행될수록 충방전 종지전압 간격이 일정하게 유지되는 것이 안정적으로 충방전이 이루어지는 것을 의미하며 전압 차이가 벌어지는 정도가 작을수록 내구성이 우수하다는 것을 의미한다. 이때 그래프는 (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, (d) CB에 해당한다. Gr1의 경우 충방전 전압 차이가 작고 일정하여 안정적인 전압을 보이고 있으며, 이는 아연공기 이차전지 성능이 우수한 것에 해당한다. Gr2 및 Gr3는 Gr1보다 충방전 전압 차이가 크며, CB의 경우 초기의 충방전 전압 차이는 작지만 사이클이 진행될수록 차이가 급격하게 벌어지는 것을 알 수 있는데 이는 내구성이 좋지 못하다는 것을 의미한다.7 shows a full cell test graph according to charge and discharge of a zinc air secondary battery composed of an air cathode including a carbon material and an excess of zinc anode. The voltage difference between charge and discharge is small, and the charge and discharge end voltage intervals are increased as the cycle progresses. Maintaining the constant means stable charging and discharging, and the smaller the voltage difference is, the better the durability is. At this time, the graph corresponds to (a) Gr1, (b) Gr2, (c) Gr3, and (d) CB. Gr1 shows a stable voltage due to a small and constant difference in charge and discharge voltage, which corresponds to excellent zinc air secondary battery performance. Gr2 and Gr3 have a larger charge / discharge voltage difference than Gr1, and in the case of CB, the initial charge / discharge voltage difference is small, but the difference rapidly increases as the cycle progresses, which means that durability is not good.

도 8은 도 7에 따른 full cell test 후 (a) 전해액 사진과 (b) 전해액 내 탄소 함유량 정량 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 8(a)와 같이 전해액 갈변 정도는 CB > Gr3 > Gr1, Gr2로 결정성이 낮은 그래파이트 및 비정질 카본블랙이 탄소 부식 정도가 커서 전해액 내에 많은 양이 용해된 것을 확인할 수 있다. 또한 도 8(b)를 통해 전해액 중 탄소 함유량은 Gr3 > CB > Gr1, Gr2로 이 또한 결정성이 낮은 그래파이트 및 비정질 카본블랙의 부식 정도가 큰 것을 알 수 있다. 전해액 중 탄소 함유량은 양극 열화 정도에 영향이 있으며, 이러한 결과를 통해 Gr1 및 Gr2는 탄소소재 입자가 균일하고 결정성이 높으며 이를 통해 Gr1 및 Gr2를 포함한 공기 양극은 내구성이 우수하다는 것을 알 수 있다.FIG. 8 shows the results of quantitative analysis of carbon content in the (a) electrolyte photograph and (b) electrolyte after the full cell test according to FIG. 7. As shown in FIG. 8 (a), the browning degree of the electrolyte is CB> Gr3> Gr1, Gr2, and the graphite and the amorphous carbon black having low crystallinity have a high degree of carbon corrosion and thus, a large amount of the electrolyte is dissolved in the electrolyte. In addition, it can be seen from FIG. 8B that the carbon content of the electrolyte is Gr 3> CB> Gr 1, Gr 2, and the corrosion degree of graphite and amorphous carbon black with low crystallinity is also large. The carbon content of the electrolyte affects the degree of deterioration of the anode, and these results indicate that Gr1 and Gr2 have uniform carbon crystal grains and high crystallinity.

Claims (5)

아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재에 있어서,
X선 회절 패턴(XRD)에서 주 피크(main peak)가 2θ = 26.40 내지 26.50°에서 나타나며, 상기 주 피크에서 반가폭(full width at half maximum)이 0.2 내지 0.4°인 결정질 그래파이트(graphite)인 것을 특징으로 하는 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재.
In the carbon material for positive electrode of zinc air secondary battery,
In the X-ray diffraction pattern XRD, the main peak appears at 2θ = 26.40 to 26.50 °, and the crystalline graphite having a full width at half maximum of 0.2 to 0.4 ° Carbon material for positive electrode of zinc-air secondary battery characterized by.
제 1항에 있어서,
상기 결정질 그래파이트는 상기 주 피크의 피크 강도(peak intensity)가 300,000 내지 500,000인 것을 특징으로 하는 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재.
The method of claim 1,
The crystalline graphite is a carbon material for the positive electrode of the zinc-air secondary battery, characterized in that the peak intensity (peak intensity) of the main peak is 300,000 to 500,000.
제 1항에 있어서,
상기 결정질 그래파이트는 700℃의 열처리에서 10wt% 이하로 승화(sublimation)되는 것을 특징으로 하는 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재.
The method of claim 1,
The crystalline graphite is a carbon material for the positive electrode of the zinc-air secondary battery, characterized in that sublimation (sublimation) to 10wt% or less in the heat treatment at 700 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 결정질 그래파이트는 평균 입자 사이즈가 5 내지 50㎛이며, 전체 입자 사이즈는 평균 입자 사이즈에 대해 ±20㎛ 범위 내에 해당하는 것을 특징으로 하는 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재.
The method of claim 1,
The crystalline graphite has an average particle size of 5 to 50㎛, the total particle size of the carbon material for the positive electrode of the zinc-air secondary battery, characterized in that within the range of ± 20㎛ relative to the average particle size.
제 1항에 있어서,
상기 결정질 그래파이트는 층상 또는 구상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연공기 이차전지의 양극용 탄소소재.
The method of claim 1,
The crystalline graphite is a carbon material for the positive electrode of the zinc-air secondary battery, characterized in that consisting of a layer or sphere.
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