KR20190112954A - 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190112954A
KR20190112954A KR1020180034964A KR20180034964A KR20190112954A KR 20190112954 A KR20190112954 A KR 20190112954A KR 1020180034964 A KR1020180034964 A KR 1020180034964A KR 20180034964 A KR20180034964 A KR 20180034964A KR 20190112954 A KR20190112954 A KR 20190112954A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
aluminum
secondary battery
negative electrode
anode
positive electrode
Prior art date
Application number
KR1020180034964A
Other languages
English (en)
Inventor
윤하나
유충열
박상현
유정준
이지영
이영아
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020180034964A priority Critical patent/KR20190112954A/ko
Publication of KR20190112954A publication Critical patent/KR20190112954A/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
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • 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
    • H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • 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
    • 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
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1393—Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • 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
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • 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
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1397—Processes of manufacture of electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581—Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • 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
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0045—Room temperature molten salts comprising at least one organic ion
    • 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)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지와 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법{HIGH CAPACITY ALUMINUM SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지와 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전기자동차 및 에너지저장시스템 시장의 급속한 성장으로 리튬의 수요가 급격히 증가할 것으로 전망되나, 리튬 자원 수급의 불균형과 제한된 공급자에 의한 과도한 가격 상승으로 가격 절감이 쉽지 않아 대용량화에 한계가 있으며, 짧은 수명, 낮은 출력, 안전성 등에 이슈가 있어 개선이 필요하다.
이러한 자원적 한계를 지니는 리튬 계열의 에너지저장소재를 벗어나, 이들의 대안이 될 수 있는 초저가, 고안전성, 고출력 및 장수명 특성을 갖는 대안적 에너지저장소재 기반의 이차전지 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 알루미늄 이차전지는 알루미늄 이온을 사용하여 에너지를 저장하는 최신 기술로서 알루미늄은 많은 자원이 존재하고, 가격이 저렴하며, 친환경적이어서 향후 장기적으로 범용적으로 기존의 리튬이온전지 등을 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 기술이다. 알루미늄은 산소와 규소 다음으로 지구상에서 3번째로 많은 원소로(약 8.23%)로 리튬(0.006%)과 같은 자원 고갈의 문제가 없으며, 전 세계에 골고루 분포되어 있으며, 현재 알루미늄의 원료인 보크사이트는 탄산리튬의 1/300, 알루미늄 완제품의 가격은 리튬의 1/10로 리튬을 대체할 경우 원재료 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 또한, 알루미늄의 낮은 인화성 및 3전자 산화 환원 반응 특성으로 인해, 알루미늄 기반의 이차전지는 저비용, 고속 충방전, 고용량 및 고안전성을 제공할 수 있어 차세대 에너지 저장 장치로 큰 관심을 받고 있다. 하지만, 알루미늄 이차전지에 대한 지난 수년간에 걸친 연구는 낮은 전압, 리튬이차전지에 비하여 낮은 용량, 빠른 전지 용량 감소와 짧은 수명 등의 문제로 인해 다른 종류의 이차전지만큼 성공적이지 못했다. 최근 알루미늄 이차전지의 난제로 여겼던 양극물질의 개선 가능성이 최근 보고되면서 관련분야에서 큰 관심을 받고 있으며, 스탠포드 대의 H. Dai 교수 연구팀이 최근에 보고한 알루미늄 이온 배터리의 경우에는 약 40 Wh Kg-1의 에너지 밀도 및 최대 약 3,000 W Kg-1의 높은 출력 밀도를 보였다. 이는 기존 납축전지와 니켈수소전지와 비교 가능한 수준의 에너지 밀도 값이며, 출력밀도 면에서는 수퍼커패시터와 유사한 값이다 (참고 문헌: Nature 520, 324-328 (2015), 공개특허 10-2016-0145557).
저가격, 안전성, 장수명 및 고율특성을 지닌 알루미늄 기반 에너지저장소자는 최근 들어서 전지화 가능성이 확인된 기술로, 원천기술이 가장 덜 확보된 기술이므로 알루미늄 기반 에너지저장소자의 각 요소기술(양극, 음극, 전해질)의 개발 및 개선을 통하여 장기적으로 리튬이온전지 성능 전반을 넘어서는 초저가의 고용량, 고출력, 고안전성의 차세대 에너지저장장치 개발이 가능할 것으로 기대된다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0145557호
본 발명은 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지와 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 흑연 소재와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지를 제공한다.
상기 흑연 소재는 흑연 필름, 흑연 플레이크 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 1차원 탄소구조의 물질은 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 층상구조를 이루는 활물질은 그래핀과 탄소나노튜브의 복합체일 수 있다.
상기 양극은 2차원 그래핀 나노 시트 사이에 일차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조로 형성될 수 있다.
상기 전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체의 혼합물일 수 있다.
상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체는 1: 1.1~ 2.0의 몰비로 혼합될 수 있다.
상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-Ethyl-3-methylimidazolium bromide, [EMIM]Br), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide, [EMIM]I), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-butyl-3-methylimidazolium cholride, [BMIM]Cl]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 (1-butyl-3-methylimidazolium bromide, [BMIM]Br]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드 (1-butyl-3-methylimidazolium iodide, [BMIM]I]), 1-(1-부틸)피리디움 클로라이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride) 및 1-(1-부틸)피리디움 브로마이드 (1-(1-butyl)pyridinium chloride)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며, 상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지를 제공한다.
상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체로 구성될 수 있다.
상기 전이금속 디칼코제나이드는 MX2 (여기에서 M은 Mo, W 또는 Ti 등의 전이금속을 의미하며, X는 S, Se 또는 Te 등의 칼코젠 원자를 의미함)로 구성될 수 있다.
더욱 구체적으로 MoS2, WS2, TiS2, MoSe2, WSe2, TiSe2, MoTe2, WTe2, 및 TiTe2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 순차로 적층한 후, 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄 이차전지의 제조방법으로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자, 및 바인더를 혼합하여 제조한 슬러리를 양극 집전체 상에 코팅하는 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법을 제공한다.
상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 스티렌 부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR) 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있으며, 바람직하게는 스티렌 부타디인 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1: 1~50의 질량 비율(더욱 바람직하게는 1:1의 질량 비율)로 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 ~ 48시간 담그는 전처리 과정 거친 후 음극 집전체 상에 적층될 수 있다.
상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체는 1: 1.1~ 2.0의 몰비로 혼합될 수 있다. 상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체에 대한 구체적 설명은 위에서 설명한 바와 같다.
상기 양극은 층상구조를 갖는 활물질, 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버) 및 바인더를 혼합 사용하여 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버)가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조체로 형성시킬 수 있다. 상기 층상구조를 갖는 활물질은 흑연 소재(그래핀 나노시트 등) 또는 전이금속 다이칼코게나이드로 구성될 수 있다.
또한 본 발명은, 층상구조를 갖는 활물질, 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버) 및 바인더를 혼합하여 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브(또는 탄소 나노입자 또는 탄소 나노 파이버)가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조체로 형성시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다. 상기 층상구조를 갖는 활물질은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드로 구성될 수 있다.
또한 본 발명은, 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부; 상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 에너지 저장 장치로서, 상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치를 제공한다. 상기 층상구조를 갖는 활물질은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 층상구조를 이루는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 복합체 전극을 구현함으로써 용량과 안정성을 크게 향상시킨 고용량 알루미늄 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 알루미늄 이차전지의 개략도이다.
도 2는 (도 2a) 열분해 흑연 호일, (도 2b) 그래핀 나노시트/바인더, (도 2c) 그래핀/탄소나노튜브/바인더(8:1:1 질량비, 실시예 1) 복합체 전극, (도 2d) 이황화 몰리브덴 나노시트 전극(실시예 2, 저배율), (도 2e) 이황화 몰리브덴 나노시트 전극(실시예 2, 고배율), (도 2f) 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브/바인더 (7:2:1 질량비, 실시예 3) 복합체 전극의 단면 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 PG 호일(pyrolytic graphite foil)을 양극으로 이용하고, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질을 사용하여 측정한 순환 전압 전류 곡선 (주사속도: 10 mV s-1)이다. 음극으로는 알루미늄 호일을 사용하였다.
도 4는 PG 호일위에 코팅한 그래핀/CNT 복합체 전극 (그래핀:MWCNT:CMC-SBR = 8:1:1)을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질을 사용하여 측정한 순환 전압 전류 곡선 (주사속도: 10 mV s-1)이다. 음극으로는 알루미늄 호일을 사용하였다.
도 5는 PG 호일을 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 64 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 6은 PG 호일을 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 64 mA g-1 (± 0.561 mA), 약 128 mA g-1 (± 1.122 mA), 약 320 mA g-1 (± 2.805 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 7은 Graphene:MWCNT:SBR/CMC binder = (8:1:1) 탄소 복합체를 PG 호일 위에 코팅하여 제조한 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 60 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 8은 Graphene:MWCNT:SBR/CMC binder = (8:1:1) 탄소 복합체를 PG 호일 위에 코팅하여 제조한 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 120 mA g-1 (± 1.122 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
도 9는 이황화 몰리브덴 나노시트 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 53 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서의 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 이차전지는 알루미늄을 포함하는 음극 (anode), 층상 구조를 이루는 활물질을 포함하는 양극 (cathode), 음극에서의 알루미늄의 가역적인 용해와 침적을 가능하게 하고 양극에서 음이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 반응이 일어나도록 하는 전해질을 포함한다. 층상구조를 이루는 양극 활물질 재료로는 흑연 필름, 흑연 플레이크(flake), 그래핀 나노시트, 또는 흑연 또는 그래핀과, 단일벽이나 다층벽 탄소나노튜브 (single wall CNT, multi wall CNT) 등과 같은 일차원 탄소구조 물질이나 탄소 나노입자와의 복합체 등이다.
전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성액체의 혼합물을 사용하고, 할로겐화 알루미늄 대 이온성 액체의 몰비는 1.1 이상에서 2.0 이하가 바람직하다. 여기에서 할로겐화 알루미늄은 AlCl3이고, 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl)이다.
충전 과정 동안에 일어나는 알루미늄 이차전지의 작동 메커니즘은 다음과 같다 (참고문헌: Chem. Mater. 29, 4484 (2017)), 음극 측에서, 충전 및 방전 반응 동안 각각 금속 Al, AlCl4 - 및 Al2Cl7 -가 활성종(active species)으로 작용한다. 양극 측에서는, 충전 및 방전 반응 동안 흑연 층 평면 사이의 공간 내로 주로 AlCl4 -가 각각 인터칼레이션되고 디인터칼레이션된다.
(음극): 4Al2Cl7 - + 3e-
Figure pat00001
7AlCl4 - + Al
(양극): xC + AlCl4 -
Figure pat00002
Cx(AlCl4 -) + e-
상기 층상구조를 이루는 양극 활물질 재료로는 전이금속 다이칼코게나이드 (MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 또는 MoTe2 등) 나노 또는 마이크로 소재 또는, 전이금속 다이칼코게나이드와 단일벽이나 다층벽 탄소나노튜브 (single wall CNT, multi wall CNT) 등과 같은 일차원 탄소구조 물질이나 탄소 나노입자와의 복합체 등이다. 또한 양극 활물질 재료로는 층상 구조를 가지는 층상 산화물(layered oxide) 등도 사용될 수 있으며, 흑연과 이들 재료와의 복합체 등도 포함된다.
알루미늄 이차전지를 제조하는 방법은 (1) 알루미늄을 포함하는 음극을 제공하는 단계, (2) 충전동안 이온을 인터칼레이션하고 방전동안 그 이온을 디인터칼레이션 할 수 있는 활성 재료를 포함하는 양극을 제공하는 단계로서, 이 활성 재료로 층상 탄소 재료, 층상 칼코게나이드 재료, 층상 산화물 재료 중 선택되는 하나 이상의 재료와 탄소나노재료 (나노입자, 나노튜브, 나노와이어 등)의 복합체를 제공하는 단계; 및 (3) 음극에서의 알루미늄의 가역적인 용해와 침적을 가능하게하고 양극에서 전해질 이온의 인터칼레이션 (intercalation) 및 디인터칼레이션 (deintercalation) 반응이 일어나도록 하는 전해질을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 양극을 제공하는 단계에서 흑연 소재와 탄소나노튜브 또는, 전이금속 다이칼코게나이드 소재와 탄소나노튜브 또는, 나노크기의 탄소 복합체 형성을 통하여 전해질 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 용이하게 할 뿐만 아니라 인터칼레이션과 디인터칼레이션 과정에서 발생하는 양극의 부피팽창, 구조 붕괴, 전기적 단락 개선 등을 통하여 용량 증대가 가능하였다.
또한, 음극을 제공하는 단계에서 알루미늄을 포함하는 음극을 할로겐화 알루미늄과 이온성액체가 혼합되어 있는 전해액에 1분 이상 또는 48시간 이하 동안 담가 놓는 전처리 공정을 통하여 알루미늄을 포함하는 음극 표면의 산화막 제거 및 음극 활성화 과정을 포함시켰다.
실시예 1: 그래핀/탄소나노튜브 복합체를 양극으로 적용한 알루미늄 이차 전지의 제조
알루미늄 이차전지용 고용량 및 고안전성 양극 제조를 위하여, 증류수에 분산되어 있는 그래핀 나노시트(농도: 15 mg/mL)에 탄소나노튜브 파우더와 바인더를 넣고 혼합하여 그래핀/탄소나노튜브 복합체를 형성하였다. 여기에서 탄소나노튜브는 도전재 역할뿐만 아니라 전해질 이온이 그래핀 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션 하는 반응을 용이하게 할 수 있는 3차원 구조형성에 기여하고, 인터컬레이션/디인터컬레이션 과정에서 그래핀 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴를 방지해줄 수 있다. 전극은 그래핀(활물질)과 탄소나노튜브, 바인더를 8:1:1 질량 비율로 혼합하여 제조하였다. 먼저 물에 분산되어 있는 그래핀 나노시트(농도: 15 mg/L)와 탄소나노튜브 파우더를 잘 혼합하고, 바인더인 스티렌 부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1:1 질량 비율로 함께 넣고 녹인 후 충분히 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 위에 슬러리를 고르게 코팅한 뒤, 120 ℃ 진공오븐에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다. 건조된 전극이 일정한 두께를 갖도록 롤 프레스(roll-press)를 이용하여 압착시켰다. 압착된 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다. 분리막은 18mm 크기의 유리 섬유(glass fiber) 분리막(Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B)을 사용하였고, 전해질은 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하였다. 음극은 알루미늄 호일(10~300 ㎛ 두께)을 사용하였으며, 알루미늄 호일이 집전체 겸 음극 역할을 수행하였다. 알루미늄 음극 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다(도 1 참조). 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극은 2차원 그래핀 나노시트 사이에 일차원 구조의 탄소나노튜브가 끼어들어가 있는 상태의 3차원 구조체를 형성하고 있어 기존의 열분해 흑연 호일에 비하여 충전 및 방전 반응 동안 흑연 층 평면 사이의 공간 내로 AlCl4 - 이온이 인터칼레이션 되고 디인터칼레이션 되는 반응을 용이하게 해준다. 또한 기존의 천연 흑연 (반 데르 발스 결합) 만을 양극으로 사용한 경우에는 충방전 과정에서 심한 부피 팽창으로 전극 구조가 붕괴되거나 전기적 단락이 일어날 수 있으나, 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극은 탄소나노튜브와 그래핀 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있어, 부피 팽창으로 인한 전극 구조의 붕괴 및 전기적 단락을 방지해 주는 역할을 한다.
실시예 2: 전이금속 다이칼코게나이드 소재를 양극으로 적용한 알루미늄 이차 전지의 제조(이황화 몰리브덴, Molybdenum disulfide, MoS 2 양극 소재)
알루미늄 이차전지용 고용량 및 고안전성 양극 제조를 위하여, 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2) 파우더와 바인더를 넣고 혼합하였다. 전극은 이황화 몰리브덴(활물질)과 바인더를 9:1 질량 비율로 혼합하여 제조하였다. 활물질인 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2) 파우더에 스티렌 부타디인 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1:1 질량 비율로 섞은 바인더를 함께 넣고 충분히 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 또는 몰리브데늄 호일 (Mo foil) 위에 슬러리를 고르게 코팅한 뒤, 120 ℃ 진공오븐에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다. 건조된 전극이 일정한 두께를 갖도록 롤 프레스(roll-press)를 이용하여 압착시켰다. 압착된 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 제조하였다. 분리막으로는 18mm 크기의 유리 섬유(glass fiber) 분리막(Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B)을 사용하였고, 전해질은 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하였다. 음극은 알루미늄 호일(10~300 ㎛ 두께)을 사용하였으며, 알루미늄 호일이 집전체 겸 음극 역할을 수행하였다. 알루미늄 음극 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다(도 1 참조). 이황화 몰리브덴 전극은 2차원 나노시트 상태를 형성하고 있어 흑연 전극과 유사하게 이황화 몰리브덴 층 평면 사이의 공간 내로 전해질 이온이 인터칼레이션 되고 디인터칼레이션 되는 반응이 진행된다.
실시예 3: 전이금속 다이칼코게나이드 기반 복합소재를 양극으로 적용한 알루미늄 이차 전지의 제조 (이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2)/CNT 복합체를 이용한 양극 소재)
알루미늄 이차전지용 고용량 및 고안전성 양극 제조를 위하여, 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2) 파우더 및 탄소나노튜브 파우더와 바인더를 넣고 혼합하여 이황화 몰리브덴/탄소나노튜브 복합체를 형성하였다. 여기에서 탄소나노튜브는 도전재 역할뿐만 아니라 전해질 이온이 그래핀 전극에 인터컬레이션/디인터컬레이션하는 반응을 용이하게 할 수 있는 3차원 구조형성에 기여하고, 인터컬레이션/디인터컬레이션 과정에서 그래핀 전극의 부피 팽창으로 인한 전극 붕괴를 방지해줄 수 있다. 전극은 이황화 몰리브덴 나노시트 (활물질)과 탄소나노튜브, 바인더를 7:2:1 질량 비율로 혼합하여 제조하였다. 먼저 이황화 몰리브덴 나노시트 파우더와 탄소나노튜브 파우더를 잘 혼합하고, 바인더인 스티렌 부타디인 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)을 1:1 질량 비율로 함께 넣고 충분히 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 또는 몰리브데늄 호일 (Mo foil) 위에 슬러리를 고르게 코팅한 뒤, 120 ℃ 진공오븐에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다. 건조된 전극이 일정한 두께를 갖도록 롤 프레스(roll-press)를 이용하여 압착시켰다. 압착된 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다. 분리막은 18mm 크기의 유리 섬유(glass fiber) 분리막(Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B)을 사용하였고, 전해질은 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하였다. 음극은 알루미늄 호일(10~300 ㎛ 두께)을 사용하였으며, 알루미늄 호일이 집전체 겸 음극 역할을 수행하였다. 알루미늄 음극 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다(도 1 참조). 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브 복합체 전극은 2차원 이황화 몰리브덴 나노시트 사이에 일차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조체를 형성하고 있다. 또한 기존의 이황화 몰리브덴(반 데르 발스 결합)만을 양극으로 사용한 경우에는 충방전 과정에서 심한 부피 팽창으로 전극 구조가 붕괴되거나 전기적 단락이 일어날 수 있으나, 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브 복합체 전극은 탄소나노튜브와 이황화 몰리브덴 나노시트가 서로 전체적으로 단단히 잘 감싸주고 있어, 부피 팽창으로 인한 전극 구조의 붕괴 및 전기적 단락을 방지해 주는 역할을 할 수 있다.
실험예 1: 물리적 특성 분석
실시예에 따라 제조한 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극의 형상 분석을 위하여 단면 주사 전자 현미경(cross-section field emission scanning electron microscopy, FESEM) 장비를 이용하여 전극의 단면을 관찰하였다. 도 2a와 2b는 본 발명에 사용한 열분해 흑연 호일 및 그래핀 나노시트 전극의 단면 SEM 사진을 보여준다. 도 2c는 그래핀/탄소나노튜브 복합체 전극의 단면 SEM 사진을 보여주며, 탄소나노튜브가 그래핀 나노시트 사이사이에 잘 혼합되어 3차원 구조적으로 연결된 구조를 나노시트 형태임을 보여준다.
또한 도 2d 및 도 2e는 이황화 몰리브덴 나노시트 전극(실시예 2)의 단면 SEM 사진이다. 도 2f는 이황화 몰리브덴 나노시트/탄소나노튜브 복합체 전극(실시예 3)의 단면 SEM 사진이며, 탄소나노튜브가 이황화 몰리브덴 나노시트 사이사이에 잘 혼합되어 3차원 구조적으로 연결된 구조를 나노시트 형태임을 보여준다.
실험예 2: 전기화학적 특성 분석
알루미늄 이차전지 전극은 글러브 박스 안에서 조립한다. 전극 제조에 앞서 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 내지 48시간 담그는 전처리 과정을 거친다. 이 과정에서 알루미늄 음극 표면의 산화막이나 불순물을 제거를 통하여 전지 구동을 가능하게 한다. 제조한 전극의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하여, 대칭적인 2전극 시스템 구조로 셀을 제작하였다. 대략 300 ㎕의 이온성 액체 전해질이 주입되고 전지를 밀봉하였다. 본 발명의 알루미늄 이차전지에 사용되는 이온성 액체 전해액은 그 자체가 애노드액 (anolyte) 역할도 수행하므로 전해액을 레독스 플로우 배터리의 애노드액과 같이 공급하는 형태로도 전지 구동이 가능하다. 다채널을 가지고 있는 일정전위기 (VSP potentiostat/galvanostat/EIS, BioLogic) 장비를 사용하였으며, 순환 전압 전류 시험(cyclic voltammetry, CV)을 이용하여 측정하였다. 0V에서 2.5V까지의 전압 범위에서 10 mV/s으로 주사 속도(scan rate)로 순환 전압 전류 시험(CV)를 수행하였다.
도 3은 알루미늄 음극, 열분해 흑연 포일을 양극으로 사용한 알루미늄 이차전지의 0V에서 2.5V 까지의 전압 범위에서의 순환 전압 전류 곡선을 보여주며, 도 4는 알루미늄을 음극, 그래핀/MWCNT 복합체가 코팅된 열분해 흑연 포일을 양극으로 사용한 알루미늄 이차전지의 0-2.5V 까지의 전압 범위에서의 순환 전압 전류 곡선을 보여준다 (주사 속도: 10 mV s-1).
도 5는 약 64 mA g-1의 전류밀도에서 측정한 정전류 방전/충전 곡선을 보여주며, 정전류 방전/충전 반응은 0.01 V 내지 2.45 V의 전지 전압에서 수행되었다. 전지의 양극으로서 열분해 흑연 포일(PG foil) (약 8.5 mg, 두께: 17 ㎛, 직경: 18 mm), 유리섬유 분리막, 및 애노드로서 알루미늄 포일(약 17.8 mg, 두께: 25 ㎛, 직경: 18 mm)을 이용하여 구성되었다. 약 300 ㎕의 이온성 액체 전해질(1.1 내지 2.0의 AlCl3/[EMIM]Cl의 몰비)이 글러브 박스 내에서 전지에 채워지고 밀봉되었다. 약 64mAg-1의 일정한 전류 밀도에서 약 2.45 내지 약 0.01V의 전지 전압에서 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지 (음극: 알루미늄 포일, 양극: 열분해 흑연 포일)는 약 62 mAh g-1의 비용량(specific capacity) 값과 91%의 충방전 효율 값을 보였다. 또한, 도 6은 64 mA g-1, 128 mA g-1 및 320 mA g-1의 다양한 전류 밀도 조건 하에서 2.45 내지 0.01V의 전지 전압에서의 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지의 비용량(specific capacity)값을 보여주며, 128 mA g-1의 전류밀도에서는 56 mAh g-1 (충방전 효율: 95%), 320 mA g-1의 전류밀도에서는 35 mAh g-1 (충방전 효율: 98%)의 비용량(specific capacity) 값을 각각 보여주었다.
도 7은 알루미늄 이차전지의 양극으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체의 3차원 전극을 사용하여, 약 60 mA g-1(± 0.561 mA)의 전류밀도에서 측정한 정전류 방전/충전 곡선을 보여주며, 정전류 방전/충전 반응은 0.01 V 내지 2.45 V의 전지 전압에서 수행되었다. 전지의 양극으로서 그래핀/탄소나노튜브가 코팅된 열분해 흑연 포일(graphene/CNT composite coated on PG foil) (약 9.35 mg, 두께: 20 ㎛, 직경: 18 mm), 유리섬유 분리막, 및 애노드로서 알루미늄 포일(약 17.8 mg, 두께: 25 ㎛, 직경: 18 mm)을 이용하여 구성되었다. 약 300 ㎕의 이온성 액체 전해질(1.1 내지 2.0의 AlCl3/[EMIM]Cl의 몰비)이 글러브 박스 내에서 전지에 채워지고 밀봉되었다. 약 60mAg-1의 일정한 전류 밀도에서 대략 2.45 내지 대략 0.01V의 전지 전압에서 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지 (음극: 알루미늄 포일, 양극: 그래핀/탄소나노튜브 복합체가 코팅된 열분해 흑연 포일)는 약 75 mAh g-1의 비용량(specific capacity) 값과 82%의 충방전 효율 값을 보였다. 이는 같은 정전류 조건 하에서 (± 0.561 mA) 열분해 흑연 양극을 사용한 경우에 비하여 비용량(specific capacity) 값이 약 20% 증가한 값이다. 도 8은 약 120 mA g-1의 전류밀도에서 측정한 정전류 방전/충전 곡선을 보여주며, 약 68 mAh g-1의 비용량(specific capacity)값과 90%의 충방전 효율 값을 보였다. 이 값은 또한 같은 정전류 조건 하에서 (± 1.122 mA) 열분해 흑연 양극을 사용한 알루미늄 전지의 비용량(specific capacity) 값과 비교하여 약 21% 증가한 값이다.
도 9는 이황화 몰리브덴 나노시트 양극을 이용하여, AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비)의 전해질 내에서 약 53 mA g-1 (± 0.561 mA)의 전류 밀도에서 측정한 정전류 충전 및 방전 곡선이다. 이때 알루미늄 호일을 음극으로 사용하였다. 정전류 방전/충전 반응은 0.01 V 내지 2.45 V의 전지 전압에서 수행되었다. 전지의 양극으로서 이황화 몰리브덴 나노시트 (MoS2 nanosheet) (약 10 mg, 두께: 10 ㎛, 직경: 18 mm), 유리섬유 분리막, 및 애노드로서 알루미늄 포일(약 5 mg, 두께: 10 ㎛, 직경: 18 mm)을 이용하여 구성되었다. 약 300 ㎕의 이온성 액체 전해질(1.1 내지 2.0의 AlCl3/[EMIM]Cl의 몰비)이 글러브 박스 내에서 전지에 채워지고 밀봉되었다. 약 53mAg-1의 일정한 전류 밀도에서 약 2.45 내지 약 0.01V의 전지 전압에서 충전 및 방전된 알루미늄 이차전지 (음극: 알루미늄 포일, 양극: 이황화 몰리브덴 나노시트)는 약 54 mAh g-1의 비용량(specific capacity) 값을 보였다.

Claims (16)

  1. 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부;
    양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부;
    상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및
    전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서,
    상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
    상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며,
    상기 층상구조를 이루는 활물질은 흑연 소재와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 흑연 소재는 흑연 필름, 흑연 플레이크 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차원 탄소재료는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 층상구조를 이루는 활물질은 그래핀과 탄소나노튜브의 복합체인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극은 2차원 그래핀 나노 시트 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성액체의 혼합물인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체의 몰비는 1: 1.1 ~ 2.0인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고,
    상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  9. 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부;
    양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부;
    상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및
    전해질을 포함하는 알루미늄 이차전지로서,
    상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
    상기 양극은 층상구조를 이루는 활물질로 구성되며,
    상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  10. 청구항 9에 있어서.
    상기 층상구조를 이루는 활물질은 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자와의 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 전이금속 디칼코제나이드는 MX2 (여기에서 M은 Mo, W 또는 Ti 를 의미하며, X는 S, Se 또는 Te를 의미함)로 구성되는 것을 특징으로 하는알루미늄 이차전지.
  12. 음극 집전체, 음극, 분리막, 양극 및 양극 집전체를 순차로 적층한 후, 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄 이차전지의 제조방법으로서,
    상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
    상기 양극은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드와, 1차원 탄소구조의 물질 또는 탄소나노입자, 및 바인더를 혼합하여 제조한 슬러리를 양극 집전체 상에 코팅하는 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌, 스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 ~ 48시간 담그는 전처리 과정 거친 후 음극 집전체 상에 적층하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 양극은 그래핀 나노시트 또는 전이금속 다이칼코게나이드와, 탄소나노튜브 파우더 및 바인더를 혼합하여 2차원 그래핀 나노 시트 또는 전이금속 다이칼코게나이드 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조체로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이차전지의 제조방법.
  16. 음극 집전체 및 음극을 포함하는 음극부;
    양극 집전체 및 양극을 포함하는 양극부;
    상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막; 및
    전해질을 포함하는 에너지 저장 장치로서,
    상기 음극은 알루미늄을 포함하여 구성되고,
    상기 양극은 2차원 구조의 층상구조를 갖는 활물질 사이에 1차원 구조의 탄소나노튜브가 삽입되어 있는 상태의 3차원 구조로 형성되며,
    상기 층상구조를 갖는 활물질은 흑연 소재 또는 전이금속 다이칼코게나이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
KR1020180034964A 2018-03-27 2018-03-27 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법 KR20190112954A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180034964A KR20190112954A (ko) 2018-03-27 2018-03-27 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180034964A KR20190112954A (ko) 2018-03-27 2018-03-27 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200089735A Division KR102248668B1 (ko) 2020-07-20 2020-07-20 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190112954A true KR20190112954A (ko) 2019-10-08

Family

ID=68208405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180034964A KR20190112954A (ko) 2018-03-27 2018-03-27 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20190112954A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114665096A (zh) * 2022-04-07 2022-06-24 湖南金阳烯碳新材料有限公司 一种用于电池的石墨烯复合导电浆料及其制备方法与应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160145557A (ko) 2014-02-28 2016-12-20 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티 초고속 재충전 가능한 금속 이온 배터리

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160145557A (ko) 2014-02-28 2016-12-20 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티 초고속 재충전 가능한 금속 이온 배터리

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114665096A (zh) * 2022-04-07 2022-06-24 湖南金阳烯碳新材料有限公司 一种用于电池的石墨烯复合导电浆料及其制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Adsorption energy engineering of nickel oxide hybrid nanosheets for high areal capacity flexible lithium-ion batteries
Zhang et al. 3D CNTs networks enable MnO2 cathodes with high capacity and superior rate capability for flexible rechargeable Zn–MnO2 batteries
Zhang et al. A novel aluminum dual-ion battery
Chen et al. Hierarchical porous carbon modified with ionic surfactants as efficient sulfur hosts for the high-performance lithium-sulfur batteries
Zhang et al. Edge-rich vertical graphene nanosheets templating V2O5 for highly durable zinc ion battery
Kang et al. MoSe2 nanosheets-wrapped flexible carbon cloth as binder-free anodes for high-rate lithium and sodium ion storages
Suo et al. SnO2 nanosheets grown on stainless steel mesh as a binder free anode for potassium ion batteries
Yue et al. Triple-walled SnO 2@ N-doped carbon@ SnO 2 nanotubes as an advanced anode material for lithium and sodium storage
Qian et al. A free-standing Li4Ti5O12/graphene foam composite as anode material for Li-ion hybrid supercapacitor
Chen et al. Aluminum− lithium alloy as a stable and reversible anode for lithium batteries
He et al. Performance of polyaniline/multi-walled carbon nanotubes composites as cathode for rechargeable lithium batteries
Wang et al. Integrated design of aqueous zinc-ion batteries based on dendrite-free zinc microspheres/carbon nanotubes/nanocellulose composite film anode
Li et al. Employing MXene as a matrix for loading amorphous Si generated upon lithiation towards enhanced lithium-ion storage
Chen et al. Graphene quantum dots modified nanoporous SiAl composite as an advanced anode for lithium storage
Wu et al. Self-assembled graphene/sulfur composite as high current discharge cathode for lithium-sulfur batteries
Sun et al. N-doped silk wadding-derived carbon/SnOx@ reduced graphene oxide film as an ultra-stable anode for sodium-ion half/full battery
Han et al. Graphene oxide-decorated Fe 2 (MoO 4) 3 microflowers as a promising anode for lithium and sodium storage
Long et al. Intercalation-type MoP and WP nanodots with abundant phase interface embedded in carbon microflower for enhanced Li storage and reaction kinetics
Yan et al. NiS2/FeS heterostructured nanoflowers for high-performance sodium storage
Zhao et al. Li4Ti5O12 nanowire array as a sulfur host for high performance lithium sulfur battery
Li et al. Carbon nanotube-modified separator for lithium–sulfur batteries: effects of mass loading and adding polyvinylpyrrolidone on electrochemical performance
Wang et al. Rapid thermal deposited GeSe nanowires as a promising anode material for lithium-ion and sodium-ion batteries
Tang et al. Three-dimensional ordered macroporous Cu/Fe3O4 composite as binder-free anode for lithium-ion batteries
Yang et al. Hierarchical porous TiNb2O7@ N-doped carbon microspheres as superior anode materials for lithium ion storage
Wang et al. Low-cost, lightweight electrodes based on carbon fibers as current collectors for aluminum-ion batteries

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
X601 Decision of rejection after re-examination
A107 Divisional application of patent