KR20210106331A - Electrode structure for cathode of zinc-air battery, and method of fabricating of the same - Google Patents

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Abstract

An electrode structure for the cathode of a zinc-air battery is provided. The electrode structure for the cathode of the zinc-air battery may include a membrane formed of a compound of copper, phosphorus, and sulfur and in which a plurality of fibrillated fibers form a network. The manufacturing cost can be reduced and the manufacturing process can be simplified.

Description

아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체, 및 그 제조 방법 {Electrode structure for cathode of zinc-air battery, and method of fabricating of the same}Electrode structure for cathode of zinc-air battery, and manufacturing method thereof

본 출원은 전극 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 복수의 섬유로 형성된 멤브레인을 포함하는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것이다. The present application relates to an electrode structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery including a membrane formed of a plurality of fibers and a method for manufacturing the same.

기존 소형 디바이스 및 가전제품용 이차전지를 넘어 전기자동차 및 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS) 등 중대형 고에너지 응용 분야가 급격히 성장함에 따라 이차전지 산업의 시장가치는 2018년 약 220억 달러에 불과하였으나, 2025년 약 1,180억 달러로 성장할 것으로 전망된다. 이처럼 이차전지가 중대형 에너지 저장매체로 활용되기 위해서는 현재 수준보다 획기적으로 향상된 가격경쟁력, 에너지밀도 그리고 안정성이 요구된다. As mid-to-large high-energy applications such as electric vehicles and energy storage systems (ESS) are growing rapidly beyond the existing rechargeable batteries for small devices and home appliances, the market value of the secondary battery industry is only about 22 billion dollars in 2018 However, it is expected to grow to about $118 billion by 2025. As such, in order for secondary batteries to be used as medium and large-sized energy storage media, price competitiveness, energy density, and stability that are significantly improved compared to the current level are required.

이러한 기술적 니즈에 따라서, 다양한 이차 전지용 전극이 개발되고 있다. According to these technical needs, various electrodes for secondary batteries have been developed.

예를 들어, 대한민국 특허공개공보 10-2019-0139586에는 탄소 나노 튜브, 및 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 증착되는 RuO2를 포함하고, 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면 결함 부위에 증착되고, 상기 RuO2는 입자의 크기가 1.0 ~ 4.0nm이고, 상기 RuO2는 상기 탄소 나노 튜브의 표면 결함 부위에서 탄소 분해를 억제하고, 상기 탄소 나노 튜브의 표면에 형성되는 Li2O2의 분해를 촉진하는 리튬-공기 전지용 전극이 개시되어 있다. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2019-0139586 discloses a carbon nanotube and RuO2 deposited on a surface of the carbon nanotube, wherein the RuO2 is deposited on a defective surface of the carbon nanotube, and the RuO2 has a particle size of 1.0 to 4.0 nm, and the RuO2 inhibits carbon decomposition at the surface defect site of the carbon nanotube, and promotes the decomposition of Li2O2 formed on the surface of the carbon nanotube. An electrode for a lithium-air battery. has been disclosed.

본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present application is to provide an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery, and a method for manufacturing the same.

본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 저렴하고 제조 공정이 간소한 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery having a low manufacturing cost and a simple manufacturing process, and a manufacturing method thereof.

본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 향상된 ORR, OER, 및 HER 특성을 갖는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery having improved ORR, OER, and HER characteristics, and a method for manufacturing the same.

본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 장수명 및 고안정성을 갖는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery having a long lifespan and high stability, and a method for manufacturing the same.

본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다. The technical problem to be solved by the present application is not limited to the above.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체가 제공된다. In order to solve the above technical problem, the present application provides an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery.

일 실시 예에 따르면, 상기 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체는, 구리, 인 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the electrode structure for the positive electrode of the zinc-air battery may include a membrane formed of a compound of copper, phosphorus, and sulfur and in which a plurality of fibrillated fibers form a network.

일 실시 예에 따르면, 구리, 인 및 황의 화합물로 형성된 상기 복수의 섬유는, 복수의 줄기, 및 상기 복수의 줄기에서 분기된 복수의 가지를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the plurality of fibers formed of a compound of copper, phosphorus, and sulfur may include a plurality of stems and a plurality of branches branched from the plurality of stems.

일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 줄기 및 상기 복수의 가지는, 서로 다른 공정에서 제조되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the plurality of stems and the plurality of branches may include being manufactured in different processes.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극 구조체의 상기 멤브레인은 스폰지 구조를 갖고, 플렉시블한 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the membrane of the electrode structure may have a sponge structure and include a flexible one.

일 실시 예에 따르면, 상기 아연 공기 전지의 충전 및 방전 상태에서 따라서, HRTEM으로 관찰되는 상기 전극 구조체의 상기 멤브레인의 격자 간격이 가역적으로 증가 또는 감소되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, according to the charging and discharging states of the zinc-air battery, the lattice spacing of the membrane of the electrode structure observed by HRTEM may include reversibly increasing or decreasing.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극 구조체는, 구리 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the electrode structure may include a membrane formed of a compound of copper and sulfur and in which a plurality of fibrillated fibers form a network.

일 실시 예에 따르면, 구리 및 황의 화합물은 아래의 <화학식 1>로 표시되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the compound of copper and sulfur may include a compound represented by the following <Formula 1>.

<화학식 1><Formula 1>

CuSx CuS x

(0.35≤x≤0.6)(0.35≤x≤0.6)

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 아연 공기 전지를 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present application provides a zinc-air battery.

일 실시 예에 따르면, 상기 아연 공기 전지는, 상술된 실시 예에 따른 상기 전극 구조체를 포함하는 양극 전극, 상기 양극 전극 상의 아연 음극, 및 상기 양극 전극 및 상기 아연 음극 사이의 전해질을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the zinc-air battery may include a positive electrode including the electrode structure according to the above-described embodiment, a zinc negative electrode on the positive electrode, and an electrolyte between the positive electrode and the zinc negative electrode. .

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 전극 구조체의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present application provides a method of manufacturing an electrode structure.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극 구조체의 제조 방법은, 칼코겐 원소를 갖는 제1 전구체, 인을 갖는 제2 전구체, 전이금속을 갖는 제3 전구체를 준비하는 단계, 상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체를 혼합하고, 제1 환원제를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 공침시켜 복수의 줄기를 갖는 중간 생성물을 제조하는 단계, 및 상기 중간 생성물에 제2 환원제를 첨가하고 가압 열처리하는 방법으로, 상기 복수의 줄기에서 복수의 가지를 분기시켜, 상기 전이금속, 상기 칼코겐 원소, 및 인을 포함하는 피브릴화된 복수의 섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the method for manufacturing the electrode structure includes preparing a first precursor having a chalcogen element, a second precursor having phosphorus, and a third precursor having a transition metal, the first precursor, the second mixing a precursor and the third precursor, adding a first reducing agent to prepare a mixture, coprecipitating the mixture to prepare an intermediate product having a plurality of stems, and adding a second reducing agent to the intermediate product And as a method of heat treatment under pressure, by branching a plurality of branches from the plurality of stems, it may include the step of preparing a plurality of fibrillated fibers containing the transition metal, the chalcogen element, and phosphorus.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전구체는, dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′-Dimethylthiourea, Ammonium sulfide, Methyl methanesulfonate, Sulfur powder, sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, 또는 Davy Reagent methyl 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 전구체는, tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenylphosphine, Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus trichloride, Phosphorus(V) oxychloride, Thiophosphoryl chloride, Phosphorus pentachloride, 또는 Phosphorus pentasulfide 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제3 전구체는, copper chloride, copper(II) sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper naphthenate, 또는copper (II) phosphate 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the first precursor is dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′-Dimethylthiourea, Ammonium sulfide, Methyl methanesulfonate, Sulfur powder, sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, or at least one of Davy Reagent methyl, the second precursor is tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenyl At least one of Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus trichloride, Phosphorus (V) oxychloride, Thiophosphoryl chloride, Phosphorus pentachloride, or Phosphorus pentasulfide, wherein the third precursor is copper (II) copper chloride, ) may include at least one of sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper naphthenate, or copper (II) phosphate.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극 구조체의 제조 방법은, 상기 제2 환원제와 함께, 칼코겐 원소를 갖는 칼코겐 원소 공급원을 더 첨가하는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the method of manufacturing the electrode structure may further include adding a chalcogen element source having a chalcogen element together with the second reducing agent.

일 실시 예에 따르면, 냉각된 상태에서, 상기 제2 환원제가 첨가되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, in the cooled state, it may include adding the second reducing agent.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 환원제는, Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, 또는 Tetramethylammonium hydroxide 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 환원제는, Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, 또는 chloramine-T 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the first reducing agent includes at least one of Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, or Tetramethylammonium hydroxide, and the second reducing agent is Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 may include at least one of Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, or chloramine-T.

일 실시 예에 따르면, 칼코겐 원소는 황이고, 전이금속은 구리인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the chalcogen element may include sulfur, and the transition metal may include copper.

본 출원의 실시 예에 따른 전극 구조체의 제조 방법은, 칼코겐 원소를 갖는 제1 전구체, 인을 갖는 제2 전구체, 전이금속을 갖는 제3 전구체를 준비하는 단계, 상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체를 혼합하고, 제1 환원제를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 공침시켜 복수의 줄기를 갖는 중간 생성물을 제조하는 단계, 및 상기 중간 생성물에 제2 환원제를 첨가하고 가압 열처리하는 방법으로, 상기 복수의 줄기에서 복수의 가지를 분기시켜, 상기 전이금속, 상기 칼코겐 원소, 및 인을 포함하는 피브릴화된 복수의 섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. The method of manufacturing an electrode structure according to an embodiment of the present application includes preparing a first precursor having a chalcogen element, a second precursor having phosphorus, and a third precursor having a transition metal, the first precursor, the second mixing a precursor and the third precursor, adding a first reducing agent to prepare a mixture, coprecipitating the mixture to prepare an intermediate product having a plurality of stems, and adding a second reducing agent to the intermediate product And as a method of heat treatment under pressure, by branching a plurality of branches from the plurality of stems, it may include the step of preparing a plurality of fibrillated fibers containing the transition metal, the chalcogen element, and phosphorus.

이에 따라, 상기 전극 구조체의 제조 공정이 간소화될 수 있고, 상기 전극 구조체가 저렴한 비용으로 용이하게 제조될 수 있다. Accordingly, the manufacturing process of the electrode structure can be simplified, and the electrode structure can be easily manufactured at low cost.

또한, 상기 전극 구조체는, 높은 전기 화학적 특성을 가질 수 있고, 이에 따라, 상기 전극 구조체를 양극 전극으로 사용하는 아연 공기 전지의 충방전 용량 및 수명 특성이 향상될 수 있다. In addition, the electrode structure may have high electrochemical properties, and thus, the charge/discharge capacity and lifespan characteristics of a zinc-air battery using the electrode structure as a positive electrode may be improved.

도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 아연 공기 전지의 양극용 전극 전극 구조체의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 출원의 실험 예 1에 따라 제조된 전극 구조체를 촬영한 사진이다.
도 4는 본 출원의 실험 예 1에 따라 제조된 전극 구조체의 스트레스-스트레인 그래프이다.
도 5는 본 출원의 실험 예 1에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이다.
도 6은 본 출원의 실험 예 2에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이다.
도 7은 본 출원의 실험 예 3에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이다.
도 8은 본 출원의 실험 예 4에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이다.
도 9는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 SEM 사진을 촬영한 것이다.
도 10은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 TEM 사진을 촬영한 것이다.
도 11은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 원자 구조의 시뮬레이션 및 격자 줄무늬를 표시한 것이다.
도 12는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 SEAD 패턴이다.
도 13은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 HAADF-STEM 이미지이다.
도 14는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 비표면적 및 기공을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 15는 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체의 XPS 측정 그래프이다.
도 16은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 TGA 측정 결과이다.
도 17은 본 출원의 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체의 ORR 특성을 설명하기 위한 CV(Cyclic voltammogram) 그래프이다.
도 18은 본 출원의 실험 예 3 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 및 Pt/C 전극의 ORR 특성을 설명하기 위한 CV 그래프이다.
도 19는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, 및 카본 파이버의 ORR 특성을 설명하기 위한 LSV(linear sweep voltammetry) 그래프이다.
도 20은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 RRDE(Rotating Ring Disk Electrode) polarization plot 및 전자 전달 계수(electron transfer number) 그래프이다.
도 21은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 화학적 내구성을 비교한 그래프이다.
도 22는 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 및 카본 파이버의 ORR 특성을 설명하기 위한 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 그래프이다.
도 23은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 ORR 특성을 설명하기 위한 사이클 횟수에 따른 LSV 및 CV 그래프이다.
도 24는은 Pt/C 전극의 사이클 횟수에 따른 CV 및 LSV 그래프이다.
도 25는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 ORR 특성을 설명하기 위한 시간대전류법(chronoamperometric) 측정 그래프 및 패러데이 효율(Faradaic efficiency)을 측정한 것이다.
도 26은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 OER 특성을 설명하기 위한 가스 크로마토그래피 측정 결과이다.
도 27은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 카본 파이버, 및 RuO2 전극의 OER 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프 및 타펠(tafel) 프로파일이다.
도 28은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 실험 예 4, 및 카본 파이버의 OER 특성을 설명하기 위한 EIS 그래프이다.
도 29는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 RuO2 전극의 OER 특성을 설명하기 위한 사이클 횟수에 따른 LSV 그래프이다.
도 30은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 RuO2 전극의 OER 특성을 설명하기 위한 시간대전류법(chronoamperometric) 측정 그래프 및 패러데이 효율(Faradaic efficiency)을 측정한 것이다.
도 31은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, RuO2 전극, 및 카본 파이버의 양기능성(bifunctional) 산소 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 32는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체와 현재까지 보고된 다른 전극의 양기능성 산소 특성을 비교한 그래프이다.
도 33은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4, Pt/C 전극, 및 카본 파이버의 HER 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프이다.
도 34는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 HER 특성을 설명하기 위한 시간대전류법 측정 그래프이다.
도 35는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4, Pt/C 전극, 및 카본 파이버의 HER 특성을 설명하기 위한 타펠 프로파일이다.
도 36은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 HER 특성을 설명하기 위한 사이클 횟수에 따른 LSV 그래프이다.
도 37은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체와 현재까지 보고된 다른 전극의 HER 특성을 비교한 그래프이다.
도 38은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 산성 환경에서 ORR 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프이다.
도 39는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 산성 환경에서 HER 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프이다.
도 40은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체와 현재까지 보고된 다른 전극의 산성 환경에서 HER 특성을 비교한 그래프이다.
도 41은 본 출원의 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, 및 RuO2 전극의 ORR, OER, 및 HER 특성을 비교하기 위한 mass activity 그래프이다.
도 42는 본 출원의 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 인시츄(in-situ) XRD 측정 그래프이다.
도 43은 본 출원의 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체를 촬영한 HRTEM 사진이다.
도 44는 본 출원의 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 HRTEM 사진을 촬영한 것이다.
도 45는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체에서 결정면에 따른 OER, ORR, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다.
도 46은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 P 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다.
도 47은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 P 및 S의 조성비에 따른 Cu 2p, P 2p, 및 S 2p XPS 스펙트라이다.
도 48은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극 구조체의 Cu 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다.
도 49는 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극 구조체의 Cu 및 S의 조성비에 따른 XRD 그래프이다.
도 50은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극 구조체의 Cu 및 S의 조성비에 따른 격자 파라미터를 도시한 그래프이다.
도 51은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체를 포함하는 아연 공기 전지의 전류 밀도에 따른 방전 전압을 비교한 그래프이다.
도 52는 본 출원의 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지의 충방전 용량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 53은 본 출원의 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지의 충방전 횟수에 따른 전압 값을 측정한 그래프이다.
1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery according to an embodiment of the present application.
FIG. 2 is a view for explaining a manufacturing process of an electrode electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery according to an embodiment of the present application.
3 is a photograph of an electrode structure prepared according to Experimental Example 1 of the present application.
4 is a stress-strain graph of the electrode structure prepared according to Experimental Example 1 of the present application.
5 is an XRD graph of an electrode structure prepared according to Experimental Example 1 of the present application.
6 is an XRD graph of an electrode structure prepared according to Experimental Example 2 of the present application.
7 is an XRD graph of an electrode structure prepared according to Experimental Example 3 of the present application.
8 is an XRD graph of an electrode structure prepared according to Experimental Example 4 of the present application.
9 is an SEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
10 is a TEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
11 shows a simulation of an atomic structure of an electrode structure and lattice stripes according to Experimental Example 1 of the present application.
12 is a SEAD pattern of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
13 is a HAADF-STEM image of an electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
14 is a graph for explaining the specific surface area and pores of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
15 is an XPS measurement graph of an electrode structure according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 of the present application.
16 is a TGA measurement result of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
17 is a CV (Cyclic voltammogram) graph for explaining the ORR characteristics of the electrode structures according to Experimental Example 1 and Experimental Example 2 of the present application.
18 is a CV graph for explaining ORR characteristics of electrode structures and Pt/C electrodes according to Experimental Example 3 and Experimental Example 4 of the present application.
19 is a linear sweep voltammetry (LSV) graph for explaining ORR characteristics of an electrode structure, a Pt/C electrode, and a carbon fiber according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.
20 is a Rotating Ring Disk Electrode (RRDE) polarization plot and an electron transfer number graph of an electrode structure and a Pt/C electrode according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.
21 is a graph comparing the chemical durability of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.
22 is an Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) graph for explaining the ORR characteristics of electrode structures and carbon fibers according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 of the present application.
23 is an LSV and CV graph according to the number of cycles for explaining the ORR characteristics of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
24 is a graph of CV and LSV according to the number of cycles of a Pt/C electrode.
25 is a graph illustrating a chronoamperometric measurement and Faraday efficiency measurement for explaining the ORR characteristics of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.
26 is a gas chromatography measurement result for explaining the OER characteristics of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
27 is an LSV graph and a tafel profile for explaining OER characteristics of an electrode structure, a carbon fiber, and a RuO2 electrode according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.
28 is an EIS graph for explaining Experimental Example 1, Experimental Example 3, Experimental Example 4, and OER characteristics of carbon fibers of the present application.
29 is an LSV graph according to the number of cycles for explaining the OER characteristics of the electrode structure and the RuO 2 electrode according to Experimental Example 1 of the present application.
30 is a chronoamperometric measurement graph for explaining OER characteristics of the electrode structure and the RuO2 electrode according to Experimental Example 1 of the present application and Faraday efficiency is measured.
31 is a graph for explaining bifunctional oxygen characteristics of electrode structures, Pt/C electrodes, RuO2 electrodes, and carbon fibers according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application.
32 is a graph comparing the bifunctional oxygen properties of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application and another electrode reported to date.
33 is an LSV graph for explaining HER characteristics of Experimental Examples 1 to 4, Pt/C electrodes, and carbon fibers of the present application.
34 is a chronoamperometric measurement graph for explaining the HER characteristics of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.
35 is a Tafel profile for explaining the HER characteristics of Experimental Examples 1 to 4, Pt/C electrodes, and carbon fibers of the present application.
36 is an LSV graph according to the number of cycles for explaining the HER characteristics of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.
37 is a graph comparing the HER characteristics of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application and another electrode reported to date.
38 is an LSV graph for explaining ORR characteristics in an acidic environment of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.
39 is an LSV graph for explaining HER characteristics in an acidic environment of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.
40 is a graph comparing HER characteristics in an acidic environment of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application and other electrodes reported to date.
41 is a mass activity graph for comparing ORR, OER, and HER characteristics of electrode structures, Pt/C electrodes, and RuO 2 electrodes according to Experimental Examples 1 and 2 of the present application.
42 is an in-situ XRD measurement graph of the electrode structure according to Experimental Example 1 in the charging/discharging state of the secondary battery according to Experimental Example 1 of the present application.
43 is a HRTEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 in the charging/discharging state of the secondary battery according to Experimental Example 1 of the present application.
44 is a HRTEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 in the charging/discharging state of the secondary battery according to Experimental Example 1 of the present application.
45 is a graph evaluating OER, ORR, and HER characteristics according to crystal planes in the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
46 is a graph evaluating ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of P and S of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
47 is Cu 2p, P 2p, and S 2p XPS spectra according to the composition ratio of P and S of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
48 is a graph evaluating ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of Cu and S of the electrode structure according to Experimental Example 3 of the present application.
49 is an XRD graph according to the composition ratio of Cu and S of the electrode structure according to Experimental Example 3 of the present application.
50 is a graph showing lattice parameters according to the composition ratio of Cu and S of the electrode structure according to Experimental Example 3 of the present application.
51 is a graph comparing the discharge voltage according to the current density of the zinc-air battery including the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.
52 is a graph for explaining the charge/discharge capacity of the zinc-air battery according to Experimental Example 1 of the present application.
53 is a graph of measuring voltage values according to the number of times of charging and discharging of the zinc-air battery according to Experimental Example 1 of the present application.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. In addition, in the present specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the elements listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다. In the specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, element, or a combination thereof described in the specification is present, and one or more other features, numbers, steps, configuration It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. Also, in the present specification, the term “connection” is used to include both indirectly connecting a plurality of components and directly connecting a plurality of components.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 아연 공기 전지의 양극용 전극 전극 구조체의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery according to an embodiment of the present application, and FIG. 2 is a manufacturing process of an electrode electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery according to an embodiment of the present application It is a drawing for explaining.

도 1 및 도 2를 참조하면, 칼코겐 원소를 갖는 제1 전구체, 인을 갖는 제2 전구체, 전이금속을 갖는 제3 전구체가 준비될 수 있다(S110).1 and 2, a first precursor having a chalcogen element, a second precursor having phosphorus, and a third precursor having a transition metal may be prepared (S110).

일 실시 예에 따르면, 상기 칼코겐 원소는, 황을 포함할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 상기 제1 전구체는, dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′Ammonium sulfide, Methyl methanesulfonate, Sulfur powder, sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, 또는 Davy Reagent methyl 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the chalcogen element may include sulfur. In this case, for example, the first precursor is dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′Ammonium sulfide, Methyl methanesulfonate , Sulfur powder, sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, and may contain at least one of Davy Reagent methyl.

또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 칼코겐 원소는, 산소, 셀레늄, 또는 텔루륨 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Alternatively, according to another embodiment, the chalcogen element may include at least one of oxygen, selenium, or tellurium.

예를 들어, 상기 제2 전구체는, tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenylphosphine, Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus trichloride, Phosphorus(V) oxychloride, Thiophosphoryl chloride, Phosphorus pentachloride, 또는 Phosphorus pentasulfide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the second precursor is tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenylphosphine, Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus (V methyl, Cyclophosphamide) triphosphoryl, Phosphorus. It may include at least one of chloride, Phosphorus pentachloride, or Phosphorus pentasulfide.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전구체는 인을 포함하는 서로 다른 이종이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전구체로, tetradecylphosphonic acid 및 ifosfamide이 1:1(M%)로 혼합된 혼합물이 사용될 수 있다. 이에 따라, 상기 전이금속, 인, 및 상기 칼코겐 원소의 화학 양론비가 1:1:1로 제어될 수 있다. 결과적으로, 후술되는 바와 같이, 본 출원의 실시 예에 따른 상기 양극 전극이 코벨라이트(covellite) 구조를 가질 수 있고, 상기 양극 전극의 전기 화학적 특성이 향상될 수 있다. According to an embodiment, different heterogeneous species including phosphorus may be used as the second precursor. For example, as the second precursor, a mixture of tetradecylphosphonic acid and ifosfamide 1:1 (M%) may be used. Accordingly, the stoichiometric ratio of the transition metal, phosphorus, and the chalcogen element can be controlled to 1:1:1. As a result, as will be described later, the positive electrode according to the embodiment of the present application may have a covellite structure, and the electrochemical properties of the positive electrode may be improved.

일 실시 예에 따르면, 상기 전이금속은 구리를 포함할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 상기 제3 전구체는, copper chloride, copper(II) sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper naphthenate, 또는 copper(II) phosphate 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the transition metal may include copper. In this case, for example, the third precursor is copper chloride, copper(II) sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper It may include at least one of naphthenate, or copper(II) phosphate.

또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 전이금속은 마그네슘, 망간, 코발트, 철, 니켈, 티타늄, 아연, 알루미늄, 또는 주석 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. Alternatively, according to another embodiment, the transition metal may include at least one of magnesium, manganese, cobalt, iron, nickel, titanium, zinc, aluminum, and tin.

상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체를 혼합하고, 제1 환원제를 첨가하여 혼합물이 제조될 수 있다(S120). A mixture may be prepared by mixing the first precursor, the second precursor, and the third precursor, and adding a first reducing agent (S120).

상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체는, 용매에 혼합된 후, 상기 제1` 환원제가 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, 에탄올 및 에틸렌디아민의 혼합물일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 용매는, 에탄올 및 톨루엔의 혼합물일 수 있다. After the first precursor, the second precursor, and the third precursor are mixed in a solvent, the first reducing agent may be added. For example, the solvent may be a mixture of ethanol and ethylenediamine. Alternatively, as another example, the solvent may be a mixture of ethanol and toluene.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매의 종류, 및 혼합 비율에 따라서, 후술되는 전극 구조체의 결정면의 방향이 제어될 수 있다. 다시 말하면, 상기 용매의 종류 및 혼합 비율에 따라서, 상기 전극 구조체에서 (101) 결정면의 발달 여부가 제어될 수 있고, 이로 인해, 상기 전극 구조체의 전기 화학적 특성이 제어될 수 있다. According to an embodiment, according to the type and mixing ratio of the solvent, the direction of the crystal plane of the electrode structure to be described later may be controlled. In other words, depending on the type and mixing ratio of the solvent, the development of the (101) crystal plane in the electrode structure may be controlled, and thereby, the electrochemical properties of the electrode structure may be controlled.

본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 전극 구조체에서 (101) 결정면이 발달될 수 있도록, 상기 용매가 선택될 수 있고(예를 들어, 에탄올 및 에틸렌디아민의 1:3 부피비 혼합), 이로 인해, 상기 전극 구조체의 전기 화학적 특성(예를 들어, ORR, OER, HER)이 향상될 수 있다. According to an embodiment of the present application, the solvent may be selected so that a (101) crystal plane can be developed in the electrode structure (eg, 1:3 volume ratio mixing of ethanol and ethylenediamine), thereby, the Electrochemical properties (eg, ORR, OER, HER) of the electrode structure may be improved.

상기 용매에, 상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체가 혼합된 후, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 핵 생성 및 결정화가 진행될 수 있다. After the first precursor, the second precursor, and the third precursor are mixed in the solvent, nucleation and crystallization may proceed as shown in FIG. 2A .

예를 들어, 상기 제1 환원제는, Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, 또는 Tetramethylammonium hydroxide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the first reducing agent may include at least one of Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, and Tetramethylammonium hydroxide.

상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 상기 제3 전구체, 상기 제1 환원제, 및 상기 용매를 포함하는 상기 혼합물을 공침시켜, 복수의 줄기를 포함하는 중간 생성물이 제조될 수 있다(S130). By co-precipitating the mixture including the first precursor, the second precursor, the third precursor, the first reducing agent, and the solvent, an intermediate product including a plurality of stems may be prepared ( S130 ).

상기 혼합물은 열처리되어, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 중간 생성물이 형성될 수 있다. 상기 중간 생성물은, 복수의 줄기를 가질 수 있고, 상기 복수의 줄기는 서로 네트워크를 구성할 수 있다. The mixture may be heat treated to form an intermediate product, as shown in FIG. 1( b ). The intermediate product may have a plurality of stems, and the plurality of stems may constitute a network with each other.

예를 들어, 상기 제1 환원제가 첨가된 상기 혼합물은, 120℃에서 환류(reflux) 열처리된 후, 탈이온수 및 에탄올로 세척될 수 있다. For example, the mixture to which the first reducing agent is added may be reflux heat treated at 120° C., and then washed with deionized water and ethanol.

상기 제1 환원제는 열처리되는 동안, 환원제의 기능을 수행하는 동시에, pH를 유지시키고 반응속도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 줄기를 갖는 상기 중간 생성물이 용이하게 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 전이금속이 구리이고, 상기 칼코겐 원소가 황인 경우, 상기 중간 구조체는, 코벨라이트 결정 구조의 CuPS일 수 있다. The first reducing agent may perform the function of the reducing agent while heat-treating, maintain pH and increase the reaction rate. Accordingly, the intermediate product having the plurality of stems can be easily prepared. For example, when the transition metal is copper and the chalcogen element is sulfur, the intermediate structure may be CuPS having a cobelite crystal structure.

상기 중간 생성물에 제2 환원제를 첨가하고 가압 열처리하는 방법으로, 상기 복수의 줄기에서 복수의 가지를 분기시켜, 상기 전이금속, 상기 칼코겐 원소, 및 인을 포함하는 피브릴화된 복수의 섬유가 제조될 수 있다(S140). In a method of adding a second reducing agent to the intermediate product and heat-treating under pressure, a plurality of fibrillated fibers including the transition metal, the chalcogen element, and phosphorus are obtained by branching a plurality of branches from the plurality of stems. can be manufactured (S140).

일 실시 예에 따르면, 탈이온수에, 상기 중간 생성물 및 상기 제2 환원제가 첨가된 후, 가압 열처리 공정이 수행될 수 있다. According to an embodiment, after the intermediate product and the second reducing agent are added to deionized water, a pressure heat treatment process may be performed.

예를 들어, 상기 제2 환원제는, Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, 또는 chloramine-T 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the second reducing agent is, Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, Or it may include at least one of chloramine-T.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 환원제와 함께, 상기 칼코겐 원소를 포함하는 칼코겐 원소 공급원이 더 첨가될 수 있다. 이로 인해, 반응 과정에서 손실되는 상기 칼코겐 원소가 상기 칼코겐 원소 공급원에 의해 보충되어, 후술되는 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 구성하는 스폰지 구조의 상기 전극 구조체가 용이하게 형성될 수 있다. According to an embodiment, together with the second reducing agent, a chalcogen element source including the chalcogen element may be further added. Due to this, the chalcogen element lost in the reaction process is supplemented by the chalcogen element source, the electrode structure of a sponge structure in which a plurality of fibrillated fibers to be described later constitute a network can be easily formed .

예를 들어, 상기 칼코겐 원소가 황인 경우, 상기 칼코겐 원소 공급원은 sodium bisulfite, Sodium sulfate, sodium sulfide, Sodium thiosulfate, Sodium thiomethoxide, Sodium ethanethiolate, 또는 Sodium methanethiolate 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, when the chalcogen element is sulfur, the chalcogen element source may include at least one of sodium bisulfite, sodium sulfate, sodium sulfide, sodium thiosulfate, sodium thiomethoxide, sodium ethanethiolate, or sodium methanethiolate.

탈이온수에 상기 중간 생성물 및 상기 제2 환원제가 혼합되는 과정은, 냉각된 상태에서 수행될 수 있다. 상기 제2 환원제가 첨가되는 과정에서 발생된 열에 의해 반응 속도가 과도하게 증가되는 것이 방지될 수 있고, 이로 인해, 후술되는 상기 전극 구조체의 전기 화학적 특성이 향상될 수 있다. The process of mixing the intermediate product and the second reducing agent in deionized water may be performed in a cooled state. It can be prevented that the reaction rate is excessively increased by the heat generated in the process of adding the second reducing agent, thereby improving the electrochemical properties of the electrode structure to be described later.

상술된 바와 같이, 상기 중간 생성물에 제2 환원제를 첨가하고 가압 열처리되어, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 줄기에서 복수의 가지가 분기될 수 있고, 이로 인해, 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 구성하는 스폰지 구조의 상기 전극 구조체가 형성될 수 있다.As described above, by adding a second reducing agent to the intermediate product and heat-treating under pressure, as shown in FIG. The electrode structure of a sponge structure in which a plurality of fibers formed into a network may be formed.

스폰지 구조의 상기 전극 구조체는, 탈이온수 및 에탄올로 세척된 후, 액체 질소에 침지될 수 있다. 이로 인해, 스폰지 구조의 상기 전극 구조체의 기계적 특성 및 유연성이 향상될 수 있다. The electrode structure having a sponge structure may be immersed in liquid nitrogen after being washed with deionized water and ethanol. Due to this, mechanical properties and flexibility of the electrode structure of the sponge structure may be improved.

또한, 액체 질소에 침지된 후, 스폰지 구조의 상기 전극 구조체는, 동결 건조되어, 잔존된 용매들이 제거되어, 2차 반응이 최소화될 수 있다. In addition, after being immersed in liquid nitrogen, the electrode structure of the sponge structure is freeze-dried, and the remaining solvents are removed, so that the secondary reaction can be minimized.

상기 전극 구조체는, 상술된 바와 같이, 상기 복수의 줄기에서 상기 복수의 가지가 분기된, 피브릴화된 상기 복수의 섬유가 네트워크를 구성하는 스폰지 구조의 멤브레인을 포함할 수 있다. 이로 인해, 상기 전극 구조체는 1~2nm 크기의 기공이 복수로 제공된 다공성 구조를 가지며, 플렉시블할 수 있다. As described above, the electrode structure may include a membrane having a sponge structure in which the plurality of fibrillated fibers in which the plurality of branches are branched from the plurality of stems constitute a network. For this reason, the electrode structure may have a porous structure provided with a plurality of pores having a size of 1 to 2 nm, and may be flexible.

또한, 상술된 바와 같이, 상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체와 함께 혼합되는 상기 용매의 종류 및 비율이 제어되어, 상기 전극 구조체에서 (101) 결정면이 발달될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 구조체에 대한 XRD 분석 시, (101) 결정면에 대응하는 피크 값이, 다른 결정면에 대응하는 피크 값과 비교하여, 최대 값을 가질 수 있다. XRD 측정 시, (101) 결정면에 대응하는 피크 값은 2θ 값이 19°~21°인 범위에서 관찰될 수 있다. In addition, as described above, the type and ratio of the solvent mixed with the first precursor, the second precursor, and the third precursor may be controlled, so that a (101) crystal plane may be developed in the electrode structure. Accordingly, during XRD analysis of the electrode structure, a peak value corresponding to a (101) crystal plane may have a maximum value compared with a peak value corresponding to another crystal plane. In XRD measurement, the peak value corresponding to the (101) crystal plane can be observed in the range of the 2θ value of 19° to 21°.

상기 전극 구조체를 구성하는 상기 복수의 섬유는 상기 전이금속, 인, 및 상기 칼코겐 원소의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전이 금속이 구리이고, 상기 칼코겐 원소가 산소이 경우, 상기 섬유는, 아래의 <화학식 1>로 표시될 수 있다. The plurality of fibers constituting the electrode structure may include a compound of the transition metal, phosphorus, and the chalcogen element. For example, when the transition metal is copper and the chalcogen element is oxygen, the fiber may be represented by the following <Formula 1>.

<화학식 1><Formula 1>

CuPxSy CuP x S y

상기 전극 구조체를 구성하는 상기 섬유가 상기 <화학식 1>과 같이 표시되는 경우, x+y=1, 0.3≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.7일 수 있다. When the fibers constituting the electrode structure are expressed as in <Formula 1>, x+y=1, 0.3≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.7.

만약, 상기 <화학식 1>에서, x가 0.3 미만이거나 0.7 초과이고, y가 0.3 미만이거나 0.7 초과인 경우, 상기 전극 구조체의 ORR, OER, 및 HER 특성이 저하될 수 있고, 이에 따라 상기 전극 구조체를 양극으로 포함하는 아연 공기 전지의 충방전 과정에서 상기 전극 구조체가 가역적으로 반응하지 않을 수 있다. If, in <Formula 1>, x is less than 0.3 or greater than 0.7, and y is less than 0.3 or greater than 0.7, ORR, OER, and HER characteristics of the electrode structure may be reduced, and thus the electrode structure In the charging/discharging process of a zinc-air battery including as a positive electrode, the electrode structure may not react reversibly.

하지만, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 전극 구조체가 CuPxSy로 표시되는 경우, P의 조성비는 0.3 이상 0.7 이하일 수 있고, S의 조성비는 0.3 이상 0.7 이하일 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 구조체의 ORR, OER, 및 HER 특성이 향상될 수 있고, 상기 전극 구조체를 양극으로 포함하는 아연 공기 전지의 충방전 특성 및 수명 특성이 향상될 수 있다. However, according to an embodiment of the present application, when the electrode structure is expressed as CuP x S y , the composition ratio of P may be 0.3 or more and 0.7 or less, and the composition ratio of S may be 0.3 or more and 0.7 or less. Accordingly, ORR, OER, and HER characteristics of the electrode structure may be improved, and charge/discharge characteristics and lifespan characteristics of a zinc-air battery including the electrode structure as a positive electrode may be improved.

또는, 상술된 바와 달리, 일 변형 예에 따르면, 상기 전극 구조체는, 상기 전이금속 및 상기 칼코겐 원소(예를 들어, 황)의 화합물일 수 있다. 또는, 다른 변형 예에 따르면, 상기 전극 구조체는, 상기 전이금속 및 인의 화합물일 수 있다. Alternatively, unlike the above, according to one modification, the electrode structure may be a compound of the transition metal and the chalcogen element (eg, sulfur). Alternatively, according to another modification, the electrode structure may be a compound of the transition metal and phosphorus.

상기 전극 구조체를 양극으로 포함하는 상기 아연 공기 전지가 충방전을 수행하는 경우, 상기 전극 구조체에 포함된 상기 섬유의 격자 간격이 가역적으로 변화될 수 있다. 구체적으로, 상기 아연 공기 전지가 충전된 경우 격자 간격은 0.478nm일 수 있고, 상기 아연 공기 전지가 방전된 경우 격자 간격은 0.466nm일 수 있다. 상기 섬유의 격자 간격은 HRTEM으로 확인될 수 있다. When the zinc-air battery including the electrode structure as a positive electrode performs charging and discharging, the lattice spacing of the fibers included in the electrode structure may be reversibly changed. Specifically, when the zinc-air battery is charged, the lattice spacing may be 0.478 nm, and when the zinc-air battery is discharged, the lattice spacing may be 0.466 nm. The lattice spacing of the fibers can be confirmed by HRTEM.

본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 칼코겐 원소를 갖는 상기 제1 전구체, 인을 갖는 상기 제2 전구체, 및 상기 전이금속을 갖는 상기 제3 전구체를 혼합하고 공침 및 가압 열처리하는 방법으로, 피브릴화된 상기 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인 형태의 상기 전극 구조체가 제조될 수 있다. According to an embodiment of the present application, in a method of mixing the first precursor having the chalcogen element, the second precursor having phosphorus, and the third precursor having the transition metal, and co-precipitating and heat treatment under pressure, fibrils The electrode structure in the form of a membrane in which the plurality of fibers formed into a network may be manufactured.

높은 전기 화학적 특성을 갖는 상기 전극 구조체가 저렴한 방법으로 제조될 수 있다. The electrode structure having high electrochemical properties can be manufactured by an inexpensive method.

또한, 상기 전극 구조체는 공침 및 가압 열처리로 제조되어, 대량 생산이 용이하고 제조 공정이 간소화된, 아연 공기 전지의 양극용 상기 전극 구조체가 제공될 수 있다. In addition, the electrode structure is manufactured by co-precipitation and heat treatment under pressure, so that mass production is easy and the manufacturing process is simplified, the electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery can be provided.

이하, 상술된 본 출원의 실시 예에 따른 상기 전극 구조체를 포함하는 아연 공기 전지가 설명된다. Hereinafter, a zinc-air battery including the electrode structure according to an embodiment of the present application described above will be described.

상기 아연 공기 전지는, 양극 전극, 음극 전극, 및 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이의 전해질을 포함할 수 있다. The zinc-air battery may include a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.

상기 음극 전극은, 아연을 포함할 수 있다. 또는, 상기 음극 전극은 리튬을 포함할 수 있다. The negative electrode may include zinc. Alternatively, the negative electrode may include lithium.

상기 전해질은, 고체 전해질일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 후술되는 바와 같이, 상기 전해질은, 박테리아 셀룰로오스 및 상기 박테리아 셀룰로오스에 결합된 키톤산을 포함하는 복합 섬유가 네트워크를 구성하는 멤브레인일 수 있다. 또는, 상기 전해질은, 산화물계, 황화물계, 또는 폴리머계 전해질 수 있다. The electrolyte may be a solid electrolyte. According to an embodiment, as will be described later, the electrolyte may be a membrane in which the bacterial cellulose and the composite fiber including the chitonic acid bound to the bacterial cellulose constitute a network. Alternatively, the electrolyte may be an oxide-based, sulfide-based, or polymer-based electrolyte.

상기 양극 전극은, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 상기 전극 구조체를 포함할 수 있고, 산소를 양극 활물질로 사용할 수 있다. The positive electrode may include the electrode structure described with reference to FIGS. 1 and 2 , and oxygen may be used as a positive electrode active material.

이하, 본 출원의 구체적인 실험 예에 다른 전극 구조체, 및 이를 포함하는 아연 공기 전지의 특성 평가 결과가 설명된다. Hereinafter, an electrode structure according to a specific experimental example of the present application, and a characteristic evaluation result of a zinc-air battery including the same will be described.

실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 이차 전지 제조Preparation of electrode structure and secondary battery according to Experimental Example 1

황을 갖는 제1 전구체로 dithiooxamide을 준비하고, 인을 갖는 제2 전구체로 tetradecylphosphonic acid 및 ifosfamide의 혼합물(1:1M%)을 준비하고, 구리를 갖는 제3 전구체로 copper chloride를 준비하고, 용매로 에탄올 및 에틸렌디아민의 혼합물(1:3v/v%)을 준비하였다. Prepare dithiooxamide as a first precursor having sulfur, prepare a mixture (1:1 M%) of tetradecylphosphonic acid and ifosfamide as a second precursor having phosphorus, prepare copper chloride as a third precursor having copper, and prepare as a solvent A mixture of ethanol and ethylenediamine (1:3v/v%) was prepared.

제1 내지 제3 전구체를 용매에 첨가한 후, 교반하여 현탁액을 제조하였다. After the first to third precursors were added to the solvent, a suspension was prepared by stirring.

이후, 2.5M%의 수산화암모늄을 제1 환원제로 첨가하고, 2시간동안 교반하고, 120℃에서 6시간 동안 열처리한 후, 중간 생성물을 수득하고 탈이온수 및 에탄올로 세척하고 50℃의 진공에서 건조하였다. Thereafter, 2.5M% of ammonium hydroxide was added as a first reducing agent, stirred for 2 hours, and heat treated at 120° C. for 6 hours, after which an intermediate product was obtained, washed with deionized water and ethanol, and dried in a vacuum at 50° C. did.

얼음 수조에서, 제2 환원제인 Triton X-165 및 황 원소 공급원인 sodium bisulfite를 갖는 탈이온수 20ml에 중간 생성물을 혼합 및 교반하였다. 이후, 120℃에서 24시간 동안 가압 열처리하여, 구리, 인, 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인을 제조하였다. In an ice bath, the intermediate product was mixed and stirred in 20 ml of deionized water with Triton X-165 as a secondary reducing agent and sodium bisulfite as an elemental sulfur source. Thereafter, pressure heat treatment was performed at 120° C. for 24 hours to prepare a membrane in which a plurality of fibrillated fibers formed of a compound of copper, phosphorus, and sulfur constitute a network.

멤브레인을 탈이온수 및 에탄올로 세척하여 중성 pH로 조정하고, -70℃에서 2시간 동안 보관된 후 액체 질소에 침지하고 진공 상태에서 동결 건조하여, (101) 결정면이 발달된 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체를 제조하였다. The membrane was washed with deionized water and ethanol, adjusted to neutral pH, stored at -70°C for 2 hours, immersed in liquid nitrogen, and freeze-dried in vacuum, CuPS according to Experimental Example 1 in which (101) crystal plane was developed An electrode structure was prepared.

실험 예 1에 따른 전극 구조체의 제조 과정에서, 황을 갖는 상기 제1 전구체 및 인을 갖는 상기 제2 전구체의 비율을 조정하여, CuPS에서 P 및 S의 비율을 각각 0.1:0.9, 0.2:0.8, 03:0.7, 0.5:0.5, 0.7.0.3, 및 0.9:0.1로 조정하였다.In the manufacturing process of the electrode structure according to Experimental Example 1, by adjusting the ratio of the first precursor having sulfur and the second precursor having phosphorus, the ratio of P and S in CuPS was 0.1:0.9, 0.2:0.8, respectively, Adjusted to 03:0.7, 0.5:0.5, 0.7.0.3, and 0.9:0.1.

실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체를 양극으로 사용하고, 후술되는 실험 예에 따른 고체 전해질, 및 패터닝된 아연 음극을 적층하여, 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지를 제조하였다. A zinc-air battery according to Experimental Example 1 was prepared by using the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 as a positive electrode, and stacking a solid electrolyte according to Experimental Example to be described later, and a patterned zinc negative electrode.

실험 예 2에 따른 전극 구조체 제조Preparation of an electrode structure according to Experimental Example 2

상술된 실험 예 1과 동일한 방법을 수행하되, 용매로 에탄올 및 톨루엔의 혼합물(1:1 v/v%)를 사용하고, 150℃에서 24시간 동안 가압 열처리를 수행하여, 실험 예 2에 따른 CuPS 전극 구조체를 제조하였다. The same method as in Experimental Example 1 described above was performed, except that a mixture of ethanol and toluene (1:1 v/v%) was used as a solvent, and pressure heat treatment was performed at 150° C. for 24 hours, CuPS according to Experimental Example 2 An electrode structure was prepared.

실험 예 1에 따른 전극 구조체의 제조 과정에서, 황을 갖는 상기 제1 전구체 및 인을 갖는 상기 제2 전구체의 비율을 조정하여, CuPS에서 P 및 S의 비율을 각각 0.1:0.9, 0.2:0.8, 03:0.7, 0.5:0.5, 0.7.0.3, 및 0.9:0.1로 조정하였다.In the manufacturing process of the electrode structure according to Experimental Example 1, by adjusting the ratio of the first precursor having sulfur and the second precursor having phosphorus, the ratio of P and S in CuPS was 0.1:0.9, 0.2:0.8, respectively, Adjusted to 03:0.7, 0.5:0.5, 0.7.0.3, and 0.9:0.1.

실험 예 3에 따른 전극 구조체 제조 Preparation of an electrode structure according to Experimental Example 3

상술된 실험 예 2와 동일한 방법을 수행하되, 인을 갖는 제2 전구체를 생략하여 실험 예 3에 따른 CuS 전극 구조체를 제조하였다. A CuS electrode structure according to Experimental Example 3 was prepared in the same manner as in Experimental Example 2 described above, but by omitting the second precursor having phosphorus.

실험 예 4에 따른 전극 구조체 제조Preparation of an electrode structure according to Experimental Example 4

상술된 실험 예 2와 동일한 방법을 수행하되, 황을 갖는 제1 전구체를 생략하여 실험 예 4에 따른 CP 전극 구조체를 제조하였다A CP electrode structure according to Experimental Example 4 was prepared by performing the same method as in Experimental Example 2 described above, but omitting the first precursor having sulfur.

실험 예에 따른 고체 전해질 제조Preparation of a solid electrolyte according to an experimental example

박테리아 균주로 Acetobacter xylinum을 준비하고, 키토산 유도체를 준비하였다. 키토산 유도체는, 1g의 키토산 염화물(chitosan chloride)을 1%(v/v)의 수성 아세트산에 용해시킨 현탁액을 1M의 글리시딜 트리메틸암모늄클로라이드(glycidyltrimethylammonium chloride)로 N2 분위기에서 65℃에서 24시간 동안 처리한 후, 침전시키고 에탄올로 복수회 여과시켜 제조하였다. Acetobacter xylinum was prepared as a bacterial strain, and a chitosan derivative was prepared. The chitosan derivative is a suspension of 1 g of chitosan chloride dissolved in 1% (v/v) aqueous acetic acid with 1M of glycidyltrimethylammonium chloride in N 2 atmosphere at 65° C. for 24 hours. After treatment for a while, it was prepared by precipitation and filtration with ethanol several times.

파인애플 주스(2% w/v), 효모(0.5% w/v), 펩톤(0.5% w/v), 디소듐포스페이트(0.27% w/v), 시트르산(0.015% w/v), 및 상기 키토산 유도체(2% w/v)를 포함하는 Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지를 준비하고, 20 분 동안 121℃에서 증기 멸균시켰다. 또한, Acetobacter xylinum을 전-배양(pre-cultivation) Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지에서 30 ℃에서 24 시간 동안 활성화시킨 후, 아세트산을 첨가하여 pH 6으로 유지시켰다.Pineapple juice (2% w/v), yeast (0.5% w/v), peptone (0.5% w/v), disodium phosphate (0.27% w/v), citric acid (0.015% w/v), and the above A Hestrin-Schramm (HS) culture medium containing a chitosan derivative (2% w/v) was prepared and steam sterilized at 121° C. for 20 minutes. In addition, Acetobacter xylinum was activated in a pre-cultivation Hestrin-Schramm (HS) culture medium at 30° C. for 24 hours, and then maintained at pH 6 by adding acetic acid.

이후, Acetobacter xylinum을 Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지에서 30 ℃에서 7 일 동안 배양하였다. Then, Acetobacter xylinum was cultured in Hestrin-Schramm (HS) culture medium at 30 °C for 7 days.

수확된 박테리아 펠리클(pellicle)을 탈 이온수로 세척하여 상청액의 pH를 중성화시키고, 105℃ 진공에서 탈수시켰다. 생성된 셀룰로오스를 1 N HCl을 이용하여 30 분 동안 탈염(demineralized)하여(질량비 1:15, w/v) 과량의 시약을 제거한 다음, 상청액이 중성 pH가 될 때까지 탈 이온수를 이용하여 복수회 원심 분리하여 정제하였다. 최종적으로, 모든 용매를 100 ℃에서 증발시킨 후 베이스 복합 섬유(키토산-박테리아 셀룰로오스(CBC))를 제조하였다.The harvested bacterial pellicles were washed with deionized water to neutralize the pH of the supernatant and dehydrated in vacuum at 105°C. The resulting cellulose was demineralized with 1 N HCl for 30 minutes (mass ratio 1:15, w/v) to remove excess reagent, and then using deionized water several times until the supernatant became neutral pH. It was purified by centrifugation. Finally, after evaporating all solvents at 100° C., a base composite fiber (chitosan-bacterial cellulose (CBC)) was prepared.

2mM TEMPO 수용액에 분산된 2g의 베이스 복합 섬유 섬유를 NaBr (1.9mM)과 반응시켰다. 5mM의 NaClO를 산화제로 사용하였다. 2 g of the base composite fiber fibers dispersed in 2 mM TEMPO aqueous solution were reacted with NaBr (1.9 mM). 5 mM NaClO was used as the oxidizing agent.

반응 현탁액을 초음파로 교반하고, 실온에서 3 시간 동안 반응을 진행시켰다. 0.5M NaOH 용액을 연속적으로 첨가함으로써 현탁액의 pH가 10을 유지하도록 하였다. 이어서, 현택액에 1N HCL을 첨가하여 3시간 동안 pH를 중성으로 유지시켰다. 현탁액 내에 생성된 산화된 펄프를 0.5 N HCl을 이용하여 3 회 세척하고, 탈이온수를 이용하여 상청액이 중성 pH가 되도록 하였다. The reaction suspension was stirred ultrasonically, and the reaction was allowed to proceed at room temperature for 3 hours. The pH of the suspension was maintained at 10 by continuous addition of 0.5M NaOH solution. Then, 1N HCL was added to the suspension to keep the pH neutral for 3 hours. The resulting oxidized pulp in the suspension was washed 3 times with 0.5 N HCl, and the supernatant was brought to neutral pH with deionized water.

세정된 펄프를 30 분 동안 아세톤, 톨루엔으로 교환하고 건조시켜 용매를 증발시키고, 최종적으로, 제1 복합 섬유(oCBC) 섬유를 수득하였다.The washed pulp was exchanged with acetone, toluene for 30 minutes and dried to evaporate the solvent, and finally, a first composite fiber (oCBC) fiber was obtained.

N, N-dimethylacetamide(35ml) 용액에 분산된 1g의 베이스 복합 섬유를 LiBr(1.25g) 현탁액과 30분 동안 교반하면서 반응시켰다. N-bromosuccinimide(2.1 g) 및 triphenylphosphine(3.2 g)을 커플링제로 사용하였다. 두 반응 혼합물을 10 분 동안 교반하고, 60분 동안 80℃에서 반응시켰다. 1 g of the base composite fiber dispersed in N,N-dimethylacetamide (35ml) solution was reacted with a LiBr (1.25g) suspension while stirring for 30 minutes. N-bromosuccinimide (2.1 g) and triphenylphosphine (3.2 g) were used as coupling agents. The two reaction mixtures were stirred for 10 minutes and reacted at 80° C. for 60 minutes.

이어서, 반응 현탁액을 실온으로 냉각시키고 탈 이온수에 첨가하고, 여과하고, 탈 이온수 및 에탄올로 린싱하고, 동결 건조하여 브롬화된 베이스 복합 섬유(bCBC) 섬유를 수득하였다. The reaction suspension was then cooled to room temperature and added to deionized water, filtered, rinsed with deionized water and ethanol, and freeze-dried to obtain brominated base conjugate fiber (bCBC) fibers.

브롬화된 베이스 복합 섬유를 100 ml의 N, N-dimethylformamide에 용해시키고, 1.2 g의 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane 커플링제와 반응시켰다. The brominated base composite fiber was dissolved in 100 ml of N,N-dimethylformamide and reacted with 1.2 g of 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane coupling agent.

이후, 혼합물을 30 분 동안 초음파 처리한 후, 실온에서 24시간 동안 반응시켰다. 생성된 용액을 diethyl ether에 혼합하고, diethyl ether/ethyl acetate로 5 회 세척하고 동결 건조시켜 제2 복합 섬유(Covalently quaternized CBC(qCBC))를 수득하였다.Thereafter, the mixture was sonicated for 30 minutes and then reacted at room temperature for 24 hours. The resulting solution was mixed with diethyl ether, washed with diethyl ether/ethyl acetate 5 times, and freeze-dried to obtain a second composite fiber (Covalently quaternized CBC (qCBC)).

초음파를 이용하여 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)를 동일한 무게 비율로 methylene chloride 및 1,2-Propanediol 및 아세톤의 혼합물(8:1:1 v/v/v%)에 용해시키고, 가교제로 1wt%의 glutaraldehyde 및 개시제로 0.3wt%의 N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide를 첨가하였다. Using ultrasound, the first composite fiber (oCBC) and the second composite fiber (qCBC) were mixed with methylene chloride, 1,2-Propanediol, and acetone in the same weight ratio (8:1:1 v/v/v% ), 1 wt% of glutaraldehyde as a crosslinking agent and 0.3 wt% of N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide as an initiator were added.

진공 챔버 (200 Pa)를 이용하여 겔 현탁액의 기포를 제거하고, 60 ℃에서 6 시간 동안 유리 상에 캐스팅하였다. 복합 섬유막을 탈 이온수로 응고시키면서 박리하고, 탈 이온수로 헹구고, 진공 건조시켰다. A vacuum chamber (200 Pa) was used to remove air bubbles from the gel suspension and cast on glass at 60° C. for 6 hours. The composite fiber membrane was peeled off while coagulated with deionized water, rinsed with deionized water, and vacuum dried.

1 M KOH 수용액 및 0.1 M ZnTFSI으로 상온에서 각각 6시간 동안 이온 교환하여 고체 전해질(CBCs)을 제조하였다. 이 후, CO2와 반응 및 카보네이트 형성을 피하기 위해, N2 분위기에서 탈이온수로 세척 및 침지 공정이 수행되었다.Solid electrolytes (CBCs) were prepared by ion exchange with 1 M KOH aqueous solution and 0.1 M ZnTFSI at room temperature for 6 hours, respectively. Thereafter, in order to avoid reaction and carbonate formation with CO 2 , washing and immersion processes were performed with deionized water in an N 2 atmosphere.

도 3은 본 출원의 실험 예 1에 따라 제조된 전극 구조체를 촬영한 사진이고, 도 4는 본 출원의 실험 예 1에 따라 제조된 전극 구조체의 스트레스-스트레인 그래프이다. 3 is a photograph of the electrode structure prepared according to Experimental Example 1 of the present application, and FIG. 4 is a stress-strain graph of the electrode structure prepared according to Experimental Example 1 of the present application.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상술된 실험 예 1에 따라 제조된 전극 구조체(CuP0.5S0.5)를 촬영하고, 약 40%의 상대습도 및 상온 조건에서 스트레스에 따른 스트레인을 측정하였다. Referring to FIGS. 3 and 4 , the electrode structure (CuP 0.5 S 0.5 ) prepared according to Experimental Example 1 described above was photographed, and strain according to stress was measured at a relative humidity of about 40% and room temperature conditions.

도 3에 도시된 것과 같이, 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 약 10cm의 길이를 갖고, 플렉시블한 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 3 , it can be seen that the electrode structure according to Experimental Example 1 has a length of about 10 cm and is flexible.

또한, 도 4에 도시된 것과 같이, 1000회 동안 스트레스를 인가한 이후에도 약 94% 높은 복원율을 가져, 실험 예 1에 따른 전극 구조체가 높은 유연성, 압축성, 및 탄성력을 갖는 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 4 , even after applying the stress for 1000 times, it has a high recovery rate of about 94%, and it can be confirmed that the electrode structure according to Experimental Example 1 has high flexibility, compressibility, and elasticity.

도 5는 본 출원의 실험 예 1에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이고, 도 6은 본 출원의 실험 예 2에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이고, 도 7은 본 출원의 실험 예 3에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이고, 도 8은 본 출원의 실험 예 4에 따라 제조된 전극 구조체의 XRD 그래프이다. 5 is an XRD graph of an electrode structure prepared according to Experimental Example 1 of the present application, FIG. 6 is an XRD graph of an electrode structure prepared according to Experimental Example 2 of the present application, and FIG. 7 is an XRD graph of Experimental Example 3 of the present application It is an XRD graph of the electrode structure prepared in accordance with, and FIG. 8 is an XRD graph of the electrode structure prepared according to Experimental Example 4 of the present application.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 실험 예 1에 따라 다양한 P 및 S의 조성비를 갖는 CuPS 전극 구조체, 실험 예 2에 따라 다양한 P 및 S의 조성비를 갖는 CuPS 전극 구조체, 실험 예 3 및 실험 예 4에 따른 CS 및 CP 전극 구조체의 XRD 측정을 수행하였다. 5 to 8 , according to Experimental Example 1, CuPS electrode structures having various P and S composition ratios, CuPS electrode structures having various P and S composition ratios according to Experimental Example 2, Experimental Examples 3 and 4 XRD measurements of the CS and CP electrode structures according to the method were performed.

도 5 및 도 6에서 확인할 수 있듯이, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 CuPS 전극 구조체에서, P 및 S의 조성비에 따라서 패턴이 변화되는 것을 확인할 수 있으며, (101) 결정면에 대응하는 피크의 크기가 다른 결정면에 대응하는 피크의 크기보다 큰 것을 알 수 있다. As can be seen in FIGS. 5 and 6 , in the CuPS electrode structures according to Experimental Examples 1 and 2, it can be seen that the pattern is changed according to the composition ratio of P and S, and the size of the peak corresponding to the (101) crystal plane It can be seen that is larger than the size of the peak corresponding to the other crystal plane.

또한, 도 6의 실험 예 2에 따른 CuPS 전극 구조체와 비교하여, (101) 결정면이 발달된 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체의 경우, (101) 결정면에 대응하는 피크의 크기가, (101) 결정면 외 다른 결정면에 대응하는 피크 값들과 비교하여, 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. In addition, compared with the CuPS electrode structure according to Experimental Example 2 of FIG. 6 , in the case of the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 in which the (101) crystal plane was developed, the size of the peak corresponding to the (101) crystal plane was (101) Compared with the peak values corresponding to the crystal plane other than the crystal plane, it can be confirmed that it is remarkably high.

도 7 및 8에서 알 수 있듯이, 실험 예 3 및 실험 예 4에 따른 CuS 및 CuP 전극 구조체의 경우, 실험 예 1 및 2의 CuPS 전극 구조체와 달리, (101) 결정면에 대응하는 피크가 크지 않거나, (101) 결정면에 대응하는 피크가 관찰되지 않았다. 7 and 8, in the case of CuS and CuP electrode structures according to Experimental Examples 3 and 4, unlike the CuPS electrode structures of Experimental Examples 1 and 2, the peak corresponding to the (101) crystal plane is not large, A peak corresponding to the (101) crystal plane was not observed.

또한, 실험 예 1 및 2의 CuPS 전극 구조체는, 사방정계(orthorhombic) 결정 구조 Pnm21 스페이스 그룹으로 코벨라이트(covellite) 상을 갖는 것을 알 수 있으며, 실험 예 3의 CuS 전극 구조체는 헥사고날(hexagonal) 결정 구조 P63/mmc 스페이스 그룹을 갖고, 실험 예 4의 CuP 전극 구조체는 헥사고날(hexagonal) 결정 구조 P63cm 스페이스 그룹을 갖는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the CuPS electrode structures of Experimental Examples 1 and 2 have a covellite phase as an orthorhombic crystal structure Pnm21 space group, and the CuS electrode structure of Experimental Example 3 has a hexagonal structure. It can be seen that the CuP electrode structure of Experimental Example 4 has a crystalline structure P6 3 /mmc space group, and has a hexagonal crystal structure P6 3 cm space group.

도 9는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 SEM 사진을 촬영한 것이고, 도 10은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 TEM 사진을 촬영한 것이고, 도 11은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 원자 구조의 시뮬레이션 및 격자 줄무늬를 표시한 것이다. 9 is a SEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application, FIG. 10 is a TEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application, and FIG. 11 is an Experimental Example of the present application A simulation of the atomic structure of the electrode structure according to 1 and lattice stripes are shown.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체(CuP0.5S0.5)에 대해서 SEM 사진 및 TEM 사진을 촬영하고, 원자 구조의 시뮬레이션 및 격자 줄무늬를 표시하였다. 도 10의 (a)는 실험 예 1의 전극 구조체의 고해상도(스케일바 2nm) TEM 사진이고, 도 10의 (b)는 실험 예 1의 전극 구조체의 저해상도(스케일바 30nm) TEM 사진이고, 도 11의 (a)는 실험 예 1의 전극 구조체의 (101) 결정면의 원자 배열을 시뮬레이션으로 도시한 것이고, 도 11의 (b)는 실험 예 1의 전극 구조체의 격자 줄무늬의 토포그래픽 플롯 프로파일(Topographic plot profile)이다. 9 to 11 , an SEM picture and a TEM picture were taken for the CuPS electrode structure (CuP 0.5 S 0.5 ) according to Experimental Example 1, and simulations of the atomic structure and lattice stripes were displayed. Figure 10 (a) is a high-resolution (scale bar 2nm) TEM photograph of the electrode structure of Experimental Example 1, Figure 10 (b) is a low-resolution (scale bar 30nm) TEM photograph of the electrode structure of Experimental Example 1, Figure 11 (a) is a simulation showing the atomic arrangement of the (101) crystal plane of the electrode structure of Experimental Example 1, and (b) of FIG. 11 is a topographic plot profile of the lattice stripes of the electrode structure of Experimental Example 1. profile).

도 9에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 전극 구조체는 복수의 섬유가 네트워크를 구성하는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 9 , in the electrode structure of Experimental Example 1, it can be confirmed that a plurality of fibers constitute a network.

또한, 도 10 및 도 11에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 전극 구조체의 격자 간격은 0.466nm인 것을 확인할 수 있다. In addition, as can be seen in FIGS. 10 and 11 , it can be seen that the lattice spacing of the electrode structure of Experimental Example 1 is 0.466 nm.

도 12는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 SEAD 패턴이고, 도 13은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 HAADF-STEM 이미지이다. 12 is a SEAD pattern of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application, and FIG. 13 is a HAADF-STEM image of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 12 및 도 13을 참조하면, 상술된 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체(CuP0.5S0.5)의 (101) 면에 대해서 SEAD 패턴(스케일 2nm-1) 구하고, HAADF-STEM(High Angle Annular Dark Field canning Transmission Electron Microscopy) 이미지를 촬영하고, Cu, P, 및 S에 대해서 매핑 결과를 도시하였다. 12 and 13 , a SEAD pattern (scale 2nm -1 ) was obtained for the (101) plane of the CuPS electrode structure (CuP 0.5 S 0.5 ) according to Experimental Example 1 described above, and HAADF-STEM (High Angle Annular Dark) Field canning Transmission Electron Microscopy) images were taken, and mapping results were shown for Cu, P, and S.

도 12 및 도 13에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 전극 구조체가 (101) 결정면을 갖는 사방정계 결정구조이며, Cu, P, 및 S의 화합물로 형성된 것을 알 수 있다. 12 and 13 , it can be seen that the electrode structure of Experimental Example 1 has an orthorhombic crystal structure having a (101) crystal plane, and is formed of a compound of Cu, P, and S.

도 14는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 비표면적 및 기공을 설명하기 위한 그래프들이다. 14 is a graph for explaining the specific surface area and pores of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 14를 참조하면, 상술된 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체(CuP0.5S0.5)의 BET 표면적을 측정하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 비표면적 1168m2/g으로 다공성 구조를 가지며, 1~2nm 크기의 기공을 다량 보유하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 14 , the BET surface area of the CuPS electrode structure (CuP 0.5 S 0.5 ) according to Experimental Example 1 described above was measured. It can be seen that the electrode structure according to Experimental Example 1 has a porous structure with a specific surface area of 1168 m 2 /g, and has a large amount of pores having a size of 1 to 2 nm.

도 15는 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체의 XPS 측정 그래프이다. 15 is an XPS measurement graph of an electrode structure according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 of the present application.

도 15를 참조하면, 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체에 대해서 XPS 측정을 수행하고, 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체의 Cu, P, 및 S의 비율을 계산하였다. 또한, ICP(Inductively Coupled Plasma Spectrometer) 및 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)에 따른 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체의 Cu, P, 및 S의 비율을 아래의 [표 1] 내지 [표 3]과 같이 계산하였다. 15 , XPS measurements were performed on the electrode structures according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4, and Cu, P of the electrode structures according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 The ratios of , and S were calculated. In addition, the ratio of Cu, P, and S of the electrode structure according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 according to Inductively Coupled Plasma Spectrometer (ICP) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) is shown below [ Table 1] to [Table 3] were calculated as shown.

XPSXPS Cu(at%)Cu (at%) P(at%)P(at%) S(at%)S(at%) 실험 예 1(CuPS)Experimental Example 1 (CuPS) 48.9248.92 24.8924.89 26.1926.19 실험 예 3(CuS)Experimental Example 3 (CuS) 50.4450.44 -- 49.5649.56 실험 예 4(CuP)Experimental Example 4 (CuP) 74.3774.37 25.6325.63 --

ICPICP Cu(at%)Cu (at%) P(at%)P(at%) S(at%)S(at%) 실험 예 1(CuPS)Experimental Example 1 (CuPS) 48.9648.96 24.8624.86 26.1826.18 실험 예 3(CuS)Experimental Example 3 (CuS) 50.3250.32 -- 49.6849.68 실험 예 4(CuP)Experimental Example 4 (CuP) 74.1674.16 25.8425.84 --

EDSEDS Cu(at%)Cu (at%) P(at%)P(at%) S(at%)S(at%) 실험 예 1(CuPS)Experimental Example 1 (CuPS) 49.1249.12 24.9924.99 25.8925.89 실험 예 3(CuS)Experimental Example 3 (CuS) 50.5750.57 -- 49.4349.43 실험 예 4(CuP)Experimental Example 4 (CuP) 74.2974.29 25.7125.71 --

[표 1] 내지 [표 3]에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 Cu, P, 및 S가 실질적으로 1:0.5:0.5의 비율을 갖는 것을 확인할 수 있고, 실험 예 3에 따른 전극 구조체는 Cu 및 S가 실질적으로 1:1의 비율을 갖는 것을 확인할 수 있고, 실험 예 4에 따른 전극 구조체는 Cu 및 P가 실질적으로 3:1의 비율을 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from [Table 1] to [Table 3], in the electrode structure according to Experimental Example 1, it can be confirmed that Cu, P, and S have a substantially 1:0.5:0.5 ratio, and according to Experimental Example 3 In the electrode structure, it can be seen that Cu and S have a substantially 1:1 ratio, and in the electrode structure according to Experimental Example 4, it can be confirmed that Cu and P have a substantially 3:1 ratio.

도 16은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 TGA 측정 결과이다. 16 is a TGA measurement result of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 16을 참조하면, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체(CuP0.5S0.5)를 질소 가스 및 대기 가스 분위기에서 5℃으로 승온시키면서 TGA 분석을 수행하였다. Referring to FIG. 16 , TGA analysis was performed while the CuPS electrode structure (CuP 0.5 S 0.5 ) according to Experimental Example 1 was heated to 5° C. in nitrogen gas and atmospheric gas atmosphere.

도 16에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 고온에서 안정적인 상태를 유지하는 것을 알 수 있다. 질소 분위기에서는 605℃~732℃에서 무게가 손실되었고, 대기 가스 분위기에서는 565℃~675℃에서 무게가 손실되었다. 대기 가스 분위기와 비교하여, 질소 가스 분위기에서 조금 더 안정적인 것을 알 수 있으며, 이는 실험 예 1에 따른 전극 구조체에서 CuO의 형성 때문이다. As can be seen from FIG. 16 , it can be seen that the electrode structure according to Experimental Example 1 maintains a stable state at a high temperature. In the nitrogen atmosphere, the weight was lost at 605°C to 732°C, and in the atmospheric gas atmosphere, the weight was lost at 565°C to 675°C. Compared with the atmospheric gas atmosphere, it can be seen that a little more stable in the nitrogen gas atmosphere, which is due to the formation of CuO in the electrode structure according to Experimental Example 1.

결론적으로 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 사방정계 결정 구조의 높은 열적 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있다. In conclusion, it can be confirmed that the electrode structure according to Experimental Example 1 has high thermal stability of the orthorhombic crystal structure.

도 17은 본 출원의 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체의 ORR 특성을 설명하기 위한 CV(Cyclic voltammogram) 그래프이고, 도 18은 본 출원의 실험 예 3 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 및 Pt/C 전극의 ORR 특성을 설명하기 위한 CV 그래프이다. 17 is a CV (Cyclic voltammogram) graph for explaining the ORR characteristics of the electrode structures according to Experimental Examples 1 and 2 of the present application, and FIG. 18 is an electrode structure according to Experimental Examples 3 and 4 of the present application, and a CV graph for explaining the ORR characteristics of the Pt/C electrode.

도 17 및 도 18을 참조하면, 전해질로 0.1M의 KOH를 이용하여, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 및 시중의 Pt/C 전극(20wt%)의 순화 전류 전압 곡선을 측정하였다. 실험 예 1 및 실험 예 2의 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다. 도 26 및 도 27에서 검은 점선은 질소 포화 조건이고, 빨간 실선은 산소 포화 조건이다. 17 and 18, using 0.1M KOH as an electrolyte, the electrode structures according to Experimental Examples 1 to 4, and the purified current voltage curve of the commercially available Pt / C electrode (20wt%) were measured. . For the electrode structures of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, CuP 0.5 S 0.5 was used. In FIGS. 26 and 27 , a black dotted line is a nitrogen saturation condition, and a red solid line is an oxygen saturation condition.

도 17 및 도 18에서 확인할 수 있듯이, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체의 산소 환원 전위를 확인할 수 있으며, 상용화된 Pt/C 전극과 비교하여도, 우수한 ORR 특성을 갖는 것을 알 수 있다. As can be seen in FIGS. 17 and 18 , the oxygen reduction potential of the electrode structures according to Experimental Examples 1 to 4 can be confirmed, and it can be seen that they have excellent ORR characteristics, even compared to the commercialized Pt/C electrode. .

도 19는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, 및 카본 파이버의 ORR 특성을 설명하기 위한 LSV(linear sweep voltammetry) 그래프이고, 도 20는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 RRDE(Rotating Ring Disk Electrode) polarization plot 및 전자 전달 계수(electron transfer number) 그래프이다.19 is a linear sweep voltammetry (LSV) graph for explaining ORR characteristics of an electrode structure, a Pt/C electrode, and a carbon fiber according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application, and FIG. 20 is an Experimental Example of the present application Rotating Ring Disk Electrode (RRDE) polarization plots and electron transfer number graphs of the electrode structures and Pt/C electrodes according to Examples 1 to 4.

도 19 내지 도 20을 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 시중의 Pt/C 전극, 및 시중의 카본 파이버에 대해서 ORR 특성을 비교하였다. 실험 예 1 및 실험 예 2의 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다. 또한, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 RRDE polarization plot 및 전자 전달 계수를 도시하고, 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 OH2 - 수율을 도시하였다.19 to 20 , ORR characteristics were compared with respect to the electrode structures according to Experimental Examples 1 to 4, commercially available Pt/C electrodes, and commercially available carbon fibers. For the electrode structures of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, CuP 0.5 S 0.5 was used. Further, showing the electrode structure and the Pt / C electrode of RRDE polarization plot and electron transfer coefficient according to the experimental example 1 to experimental example 4, and, OH 2 of the electrode structural body according to the Experimental Example 1 were shown to yield.

도 19에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따라서 (101) 결정면이 강화된 CuPS 전극 구조체의 ORR 특성이 가장 우수하고, 전자 전달 계수 값이 가장 높을 것을 확인할 수 있다. 또한, 실험 예 2의 CuPS 전극 구조체 및 실험 예 3의 CuS 전극 구조체 또한 시중의 Pt/C보다 약간 낮지만, 우수한 ORR 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 19 , according to Experimental Example 1, it can be confirmed that the CuPS electrode structure having the (101) crystal plane reinforced has the best ORR characteristics and the highest electron transport coefficient. In addition, although the CuPS electrode structure of Experimental Example 2 and the CuS electrode structure of Experimental Example 3 are also slightly lower than commercial Pt/C, it can be confirmed that they have excellent ORR characteristics.

결론적으로, 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 3에 따른 전극 구조체들을 이용하여, Pt/C 보다 저렴한 가격으로, Pt/C와 유사한 또는 Pt/C 보다 우수한 ORR 특성을 갖는 전극 구조체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다. In conclusion, by using the electrode structures according to Experimental Examples 1 to 3 of the present application, at a lower price than Pt/C, an electrode structure having ORR properties similar to or superior to Pt/C or Pt/C can be manufactured. It can be confirmed that there is

도 21은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 화학적 내구성을 비교한 그래프이다. 21 is a graph comparing the chemical durability of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.

도 21을 참조하면, 0.1M KOH를 이용하여, 1600rpm 조건에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 시중의 Pt/C 전극에 메탄올(2M) 및 CO2(10V%)를 주입하여 화학적 내구성을 측정하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다. Referring to FIG. 21, using 0.1M KOH, methanol (2M) and CO 2 (10V%) were injected into the electrode structure according to Experimental Example 1 and a commercially available Pt/C electrode at 1600 rpm conditions to measure chemical durability. . For the electrode structure according to Experimental Example 1, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 21에 도시된 것과 같이, 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 경우 메탄올 및 CO2가 주입된 이후에도 안정적으로 구동하는 것을 확인할 수 있다. 반면, Pt/C 전극의 경우, 메탄올이 주입되거나 또는 CO2가 주입된 경우, 전류 값이 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 21 , in the case of the electrode structure according to Experimental Example 1, it can be confirmed that the electrode structure is stably driven even after methanol and CO 2 are injected. On the other hand, in the case of the Pt/C electrode, when methanol or CO2 is injected, it can be seen that the current value is significantly lowered.

결론적으로 본 출원의 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체가 상용화된 Pt/C 전극과 비교하여, 높은 ORR 특성을 갖는 것은 물론, 우수한 내화학성을 갖는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 본 출원의 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체가 알카리 환경에서 안정적으로 활용될 수 있음을 알 수 있다. In conclusion, it can be seen that the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application has a high ORR characteristic as well as excellent chemical resistance as compared to a commercialized Pt/C electrode. Accordingly, it can be seen that the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application can be stably utilized in an alkaline environment.

도 22는 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 및 카본 파이버의 ORR 특성을 설명하기 위한 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 그래프이다. 22 is an Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) graph for explaining the ORR characteristics of electrode structures and carbon fibers according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 of the present application.

도 22를 참조하면, 0.1M KOH를 이용하여, 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 및 카본 파이버의 EIS 측정을 수행하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다.Referring to FIG. 22 , EIS measurements of the electrode structures and carbon fibers according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 were performed using 0.1M KOH. For the electrode structure according to Experimental Example 1, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 22에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 CuPS 전극 구조체가 가장 낮은 임피던스 값을 가지며, 실험 예 1의 CuPS 전극 구조체, 실험 예 3의 CuS 전극 구조체, 실험 예 4의 CP 전극 구조체, 및 카본 파이버 순서로 높은 ORR 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 22, the CuPS electrode structure of Experimental Example 1 has the lowest impedance value, the CuPS electrode structure of Experimental Example 1, the CuS electrode structure of Experimental Example 3, the CP electrode structure of Experimental Example 4, and the carbon fiber sequence It can be confirmed that it has a high ORR characteristic.

도 23은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 ORR 특성을 설명하기 위한 사이클 횟수에 따른 LSV 및 CV 그래프이고, 도 24는 Pt/C 전극의 사이클 횟수에 따른 CV 및 LSV 그래프이고, 도 25는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 ORR 특성을 설명하기 위한 시간대전류법(chronoamperometric) 측정 그래프 및 패러데이 효율(Faradaic efficiency)을 측정한 것이다. 23 is an LSV and CV graph according to the number of cycles for explaining the ORR characteristics of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application, and FIG. 24 is a CV and LSV graph according to the cycle number of the Pt/C electrode, FIG. 25 is a chronoamperometric measurement graph for explaining the ORR characteristics of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application and Faraday efficiency is measured.

도 23 내지 도 25를 참조하면, 0.1M KOH를 사용하고 산소 조건에서 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체 및 시중의 Pt/C 전극에 대해서 사이클 횟수에 따른 LSV 및 CV 측정을 수행하였다. 또한, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체 및 Pt/C 전극에 대해서 0.9V 조건에서 시간대전류법으로 측정하고, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극의 패러데이 효율을 측정하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다.23 to 25 , LSV and CV measurements were performed according to the number of cycles for the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 and the commercially available Pt/C electrode using 0.1M KOH and under oxygen conditions. In addition, the CuPS electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 were measured by a chronoamperometric method under 0.9V conditions, and the Faraday efficiency of the CuPS electrode according to Experimental Example 1 was measured. For the electrode structure according to Experimental Example 1, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 23 내지 도 25에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 30,000회의 충방전 사이클이 수행된 이후에도, 실질적인 변화 없이 안정적으로 구동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 약 500시간 동안 실질적인 변화 없이 안정적으로 구동되며, 약 98% 이상의 패러데이 효율을 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIGS. 23 to 25 , it can be seen that the electrode structure according to Experimental Example 1 is stably driven without substantial change even after 30,000 charge/discharge cycles are performed. In addition, it can be seen that it is stably operated without substantial change for about 500 hours, and has a Faraday efficiency of about 98% or more.

반면, Pt/C 전극의 경우, 사이클이 수행됨에 따라서 전류 밀도 값이 현저하게 감소하며, 실험 예 1의 전극 구조체와 비교하여, 현저하게 특성이 저하되는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, in the case of the Pt/C electrode, as the cycle is performed, the current density value is remarkably reduced, and it can be seen that the properties are remarkably deteriorated as compared to the electrode structure of Experimental Example 1.

결론적으로, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체가 상용화된 Pt/C 전극과 비교하여, 높은 ORR 특성 및 우수한 내화학성을 갖는 것은 물론, 장수명을 갖는 것을 알 수 있다.In conclusion, it can be seen that the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 has a high ORR characteristic and excellent chemical resistance, as well as a long lifespan, as compared to a commercialized Pt/C electrode.

도 26은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 OER 특성을 설명하기 위한 가스 크로마토그래피 측정 결과이다. 26 is a gas chromatography measurement result for explaining the OER characteristics of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 26을 참조하면, 0.1M KOH를 이용하여 산소 조건에서, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체의 가스 크로마토그래피 측정을 수행하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다.Referring to FIG. 26 , gas chromatography measurement of the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 was performed under oxygen conditions using 0.1M KOH. For the electrode structure according to Experimental Example 1, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 26에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체의 표면에서 산소 가스가 발생하는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 26 , it can be confirmed that oxygen gas is generated on the surface of the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1.

도 27은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 카본 파이버, 및 RuO2 전극의 OER 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프 및 타펠(tafel) 프로파일이고, 도 28은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 실험 예 4, 및 카본 파이버의 OER 특성을 설명하기 위한 EIS 그래프이다.27 is an LSV graph and a tafel profile for explaining OER characteristics of an electrode structure, carbon fiber, and RuO 2 electrode according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application, and FIG. 28 is an Experimental Example of the present application 1, Experimental Example 3, Experimental Example 4, and EIS graphs for explaining OER characteristics of carbon fibers.

도 27 및 도 28을 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 카본 파이버, 및 RuO2 전극의 LSV 측정을 수행하고, 타펠 값을 도시하였다. 또한, 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 및 카본 파이버의 EIS 측정을 수행하였다. 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다.Referring to FIGS. 27 and 28 , LSV measurements of the electrode structures, carbon fibers, and RuO 2 electrodes according to Experimental Examples 1 to 4 were performed, and Tafel values were shown. In addition, EIS measurements of the electrode structures and carbon fibers according to Experimental Example 1, Experimental Example 3, and Experimental Example 4 were performed. For the electrode structures according to Experimental Example 1 and Experimental Example 2, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 27 및 도 28에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 CuPS 전극 구조체, RuO2 전극, 실험 예 2의 CuPS 전극 구조체, 실험 예 4의 CP 전극 구조체, 실험 예 3의 CuS 전극 구조체, 및 카본 파이버 순서로 높은 OER 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체는 10mAcm-2에서 260mV로 가장 낮은 오버포텬셜 값을 갖고 타펠 값도 58mVdec-1 인 것을 확인할 수 있으며, 상용화된 RuO2와 비교하여 현저하게 높은 OER 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 27 and 28, the CuPS electrode structure of Experimental Example 1, the RuO 2 electrode, the CuPS electrode structure of Experimental Example 2, the CP electrode structure of Experimental Example 4, the CuS electrode structure of Experimental Example 3, and carbon fiber sequence It can be confirmed that it has a high OER characteristic. In particular, it can be seen that the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 has the lowest overpotential value of 260 mV at 10 mAcm -2 and a Tafel value of 58 mVdec -1 , and has significantly higher OER characteristics compared to commercially available RuO 2 . know that you have

도 29는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 RuO2 전극의 OER 특성을 설명하기 위한 사이클 횟수에 따른 LSV 그래프이고, 도 30은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 RuO2 전극의 OER 특성을 설명하기 위한 시간대전류법(chronoamperometric) 측정 그래프 및 패러데이 효율(Faradaic efficiency)을 측정한 것이다.29 is of an LSV graph, Figure 30 is the electrode structure and RuO 2 electrode according to Experimental Example 1 of the present application in accordance with the number of cycles for explaining the electrode structure and OER properties of RuO 2 electrode according to Experimental Example 1 of the present application A chronoamperometric measurement graph and Faraday efficiency were measured to explain the OER characteristics.

도 29 및 도 30을 참조하면, 0.1M KOH를 사용하고 1600rpm 조건에서 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체 및 시중의 RuO2 전극에 대해서 사이클 횟수에 따른 LSV 측정을 수행하였다. 또한, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체 및 RuO2 전극에 대해서 1.5V조건에서 시간대전류법으로 측정하고, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극의 패러데이 효율을 측정하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다.Referring to FIGS. 29 and 30 , LSV measurement according to the number of cycles was performed for the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 and the commercially available RuO 2 electrode using 0.1M KOH and under the condition of 1600 rpm. In addition, the CuPS electrode structure and the RuO 2 electrode according to Experimental Example 1 were measured by a chronoamperometric method under 1.5V conditions, and the Faraday efficiency of the CuPS electrode according to Experimental Example 1 was measured. For the electrode structure according to Experimental Example 1, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 29 및 도 30에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 30,000회의 사이클이 수행된 이후에도, 실질적인 변화 없이 안정적으로 구동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 약 500시간 동안 실질적인 변화 없이 안정적으로 구동되며, 약 99% 이상의 패러데이 효율을 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIGS. 29 and 30 , it can be seen that the electrode structure according to Experimental Example 1 is stably driven without substantial change even after 30,000 cycles are performed. In addition, it can be seen that it is stably operated without substantial change for about 500 hours, and has a Faraday efficiency of about 99% or more.

반면, RuO2 전극의 경우, 사이클이 수행됨에 따라서 오버 포텐셜이 급격하게 증가하여 전류 밀도 값이 급격하게 저하되며, 24시간 후에 85% 이상의 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, in the case of the RuO 2 electrode, it can be seen that the overpotential rapidly increases as the cycle is performed, and the current density value rapidly decreases, and a loss of 85% or more occurs after 24 hours.

결론적으로, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체가 상용화된 RuO2 전극과 비교하여, 높은 OER 특성을 갖는 것은 물론, 장수명을 갖는 것을 알 수 있다.In conclusion, it can be seen that the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 has a high OER characteristic as well as a longer lifespan compared to a commercialized RuO 2 electrode.

도 31은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, RuO2 전극, 및 카본 파이버의 양기능성(bifunctional) 산소 특성을 설명하기 위한 그래프이고, 도 32는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체와 현재까지 보고된 다른 전극의 양기능성 산소 특성을 비교한 그래프이다. 31 is a graph for explaining the bifunctional oxygen characteristics of the electrode structure, the Pt/C electrode, the RuO 2 electrode, and the carbon fiber according to Experimental Examples 1 to 4 of the present application, and FIG. 32 is the present application It is a graph comparing the bifunctional oxygen properties of the electrode structure according to Experimental Example 1 and other electrodes reported to date.

도 31 및 도 32를 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, RuO2 전극, 및 카본 파이버의 ORR 및 OER 특성을 비교하였다. 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다. 가역적인 산소의 양 기능성 반응은 ORR 및 OER의 오버포텐셜의 차이(ΔE)에 의해 결정되며, 차이가 작을수록 높은 가역성을 가질 수 있다. 31 and 32 , the ORR and OER characteristics of the electrode structures, the Pt/C electrode, the RuO 2 electrode, and the carbon fiber according to Experimental Examples 1 to 4 were compared. For the electrode structures according to Experimental Example 1 and Experimental Example 2, CuP 0.5 S 0.5 was used. The reversible amount of oxygen functional reaction is determined by the difference (ΔE) of the overpotentials of ORR and OER, and the smaller the difference, the higher the reversibility.

도 31에 도시된 바와 같이, 실험 예 1의 전극 구조체의 경우 ORR 및 OER의 오버포텐셜의 차이는 0.59V으로 상용화된 Pt/C 전극 및 RuO2 전극과 비교하여, 우수한 가역성을 갖는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 31 , in the case of the electrode structure of Experimental Example 1, the difference in the overpotential of ORR and OER is 0.59V, and it can be confirmed that it has excellent reversibility compared to the commercially available Pt/C electrode and the RuO 2 electrode. .

또한, 도 32에 도시된 것과 같이, 실험 예 1의 전극 구조체의 경우 현재까지 보고된 다른 전극들과 비교하여도, ORR 및 OER의 오버포텐셜의 차이가 가장 적어, OER 및 ORR 반응에 대한 우수한 가역성을 갖는 것을 확인할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 32 , in the case of the electrode structure of Experimental Example 1, the difference in overpotential between ORR and OER is the smallest compared to other electrodes reported to date, and excellent reversibility for OER and ORR reactions It can be confirmed that has

도 33은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4, Pt/C 전극, 및 카본 파이버의 HER 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프 이고, 도 34는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 HER 특성을 설명하기 위한 시간대전류법 측정 그래프이고, 도 35는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4, Pt/C 전극, 및 카본 파이버의 HER 특성을 설명하기 위한 타펠 프로파일이다. 33 is an LSV graph for explaining the HER characteristics of Experimental Examples 1 to 4, Pt/C electrodes, and carbon fibers of the present application, and FIG. 34 is an electrode structure and Pt/C according to Experimental Example 1 of the present application. It is a chronoamperometric measurement graph for explaining the HER characteristics of the electrode, and FIG. 35 is a Tafel profile for explaining the HER characteristics of Experimental Examples 1 to 4, Pt/C electrode, and carbon fiber of the present application.

도 33 내지 도 35를 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 전극 구조체, 카본 파이버, 및 Pt/C 전극의 LSV 측정을 수행하고, 타펠 값을 도시하였다. 또한, 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극에 대해서 시간대전류법으로 측정하였다. 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 사용하였다.33 to 35 , LSV measurements of the electrode structures, carbon fibers, and Pt/C electrodes according to Experimental Examples 1 to 4 were performed, and Tafel values were shown. In addition, the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 were measured by a chronoamperometric method. For the electrode structures according to Experimental Example 1 and Experimental Example 2, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 33 내지 도 35에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 전극 구조체, Pt/C 전극, 실험 예 2의 전극 구조체, 실험 예 4의 전극 구조체, 실험 예 3의 전극 구조체, 및 카본 파이버 순서로 HER 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 33 to 35 , the electrode structure of Experimental Example 1, the Pt/C electrode, the electrode structure of Experimental Example 2, the electrode structure of Experimental Example 4, the electrode structure of Experimental Example 3, and the HER characteristics in the order of carbon fiber It can be seen that this is excellent.

특히, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체가 상용화된 Pt/C 전극과 비교하여 높은 HER 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히 실험 예 1의 전극 구조체의 타펠 값은 20mVdec-1로 Pt/C 전극의 타펠 값(30mVdec-1)보다 낮으며, 이는 실험 예 1의 전극 구조체가 HER 과정이 Volmer-Tafel 메커니즘으로 수행되는 것을 의미한다. In particular, it can be confirmed that the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 has higher HER characteristics compared to the commercialized Pt/C electrode. In particular, the Tafel value of the electrode structure of Experimental Example 1 is 20mVdec -1 , which is lower than the Tafel value (30mVdec -1 ) of the Pt/C electrode, which indicates that the HER process of the electrode structure of Experimental Example 1 is performed by the Volmer-Tafel mechanism. it means.

도 36은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 HER 특성을 설명하기 위한 사이클 횟수에 따른 LSV 그래프이다. 36 is an LSV graph according to the number of cycles for explaining the HER characteristics of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application.

도 36을 참조하면, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체 및 Pt/C 전극에 대해서 사이클 횟수에 따른 LSV 측정을 수행하였다.Referring to FIG. 36 , LSV measurement was performed according to the number of cycles for the CuPS electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1.

도 36에서 알 수 있듯이, Pt/C 전극의 경우, 20,000회의 사이클이 수행된 이후 오버포텐셜이 크게 증가하여 HER 특성이 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 30,000회의 사이클이 수행된 이후에도 실질적인 변화없이 안정적으로 구동되는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 36 , in the case of the Pt/C electrode, it can be seen that the overpotential is greatly increased after 20,000 cycles, and thus the HER characteristic is rapidly deteriorated. On the other hand, it can be seen that the electrode structure according to Experimental Example 1 is stably driven without substantial change even after 30,000 cycles are performed.

결론적으로, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체가 상용화된 Pt/C 전극과 비교하여, 높은 HER 특성을 갖는 것은 물론, 장수명을 갖는 것을 알 수 있다.In conclusion, it can be seen that the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 has a high HER characteristic as well as a longer lifespan compared to a commercialized Pt/C electrode.

도 37은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체와 현재까지 보고된 다른 전극의 HER 특성을 비교한 그래프이다. 37 is a graph comparing the HER characteristics of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application and another electrode reported to date.

도 37을 참조하면, 실험 예 1에 따른 전극 구조체(CuP0.5S0.5)의 경우, 현재까지 보고된 다른 전극들과 비교하여, 오버 포텐셜 값이 작은 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 실험 예 1에 따른 전극 구조체가, 고가의 귀금속 사용 없이 높은 HER 특성을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 37 , in the case of the electrode structure (CuP 0.5 S 0.5 ) according to Experimental Example 1, it can be seen that the overpotential value is small compared to other electrodes reported to date, and accordingly, in Experimental Example 1 It can be confirmed that the electrode structure according to the present invention can implement high HER characteristics without the use of expensive precious metals.

도 38은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 산성 환경에서 ORR 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프이고, 도 39는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 산성 환경에서 HER 특성을 설명하기 위한 LSV 그래프이고, 도 40은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체와 현재까지 보고된 다른 전극의 산성 환경에서 HER 특성을 비교한 그래프이다. 38 is an LSV graph for explaining ORR characteristics in an acidic environment of an electrode structure and a Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application, and FIG. 39 is an electrode structure and a Pt/C electrode according to Experimental Example 1 of the present application is an LSV graph for explaining HER characteristics in an acidic environment of

도 38 및 도 39를 참조하면, 0.1M의 HClO4를 이용하여, ORR 특성을 확인하기 위해 실험 예 1에 따른 전극 구조체 및 Pt/C 전극의 LSV 측정을 수행하였다. 또한, 0.5M H2SO4 환경에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체와 현재까지 보고된 다른 전극의 HER 특성을 비교하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 이용하였다. Referring to FIGS. 38 and 39 , using 0.1M HClO 4 , LSV measurements of the electrode structure and the Pt/C electrode according to Experimental Example 1 were performed to confirm the ORR characteristics. In addition, the HER characteristics of the electrode structure according to Experimental Example 1 and other electrodes reported to date in a 0.5MH 2 SO 4 environment were compared. For the electrode structure according to Experimental Example 1, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 38에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 전극 구조체는 산성 환경에서도 안정적으로 구동되어, 10,000회의 사이클이 수행된 이후에도 실질적인 ORR 특성이 변화되지 않았다. 반면, Pt/C 전극은 산성 환경에서 10,000외 사이클이 수행된 이후, 오버포텐셜이 급격하게 증가하여 ORR 특성이 저하된 것을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 38 , the electrode structure according to Experimental Example 1 was stably driven even in an acidic environment, and the actual ORR characteristics did not change even after 10,000 cycles were performed. On the other hand, it can be seen that the ORR characteristics of the Pt/C electrode were deteriorated due to a sharp increase in overpotential after 10,000 cycles were performed in an acidic environment.

또한, 도 39에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 전극 구조체는 20,000 사이클이 진행된 후 약간의 오버포텐셜이 증가하여 산성 환경에서도 HER 특성이 안정적으로 유지되었으나, Pt/C 전극의 경우 20,000 사이클이 수행된 후 현저하게 오버포텐셜이 증가하여 HER 특성이 저하되는 것을 확인할 수 있다. In addition, as can be seen in FIG. 39, the electrode structure of Experimental Example 1 slightly increased overpotential after 20,000 cycles, and thus the HER characteristics were stably maintained even in an acidic environment, but in the case of the Pt/C electrode, 20,000 cycles were performed. After that, it can be seen that the overpotential is significantly increased and the HER characteristics are deteriorated.

또한, 도 40에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 전극 구조체는, 현재까지 보고된 다른 전극과 비교하여 산성 환경에서도 높은 HER 특성을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다. In addition, as can be seen in FIG. 40 , it can be confirmed that the electrode structure of Experimental Example 1 can maintain high HER characteristics even in an acidic environment compared to other electrodes reported to date.

도 41은 본 출원의 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, 및 RuO2 전극의 ORR, OER, 및 HER 특성을 비교하기 위한 mass activity 그래프이다. 41 is a mass activity graph for comparing ORR, OER, and HER characteristics of electrode structures, Pt/C electrodes, and RuO 2 electrodes according to Experimental Examples 1 and 2 of the present application.

도 41을 참조하면, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체, Pt/C 전극, 및 RuO2 전극의 ORR, OER, 및 HER에서, mass activity를 계산하였다. 실험 예 1 및 2에 따른 전극 구조체는 CuP0.5S0.5를 이용하였다. Referring to FIG. 41 , mass activity was calculated in ORR, OER, and HER of the electrode structures, Pt/C electrodes, and RuO 2 electrodes according to Experimental Examples 1 and 2 . For the electrode structures according to Experimental Examples 1 and 2, CuP 0.5 S 0.5 was used.

도 41에 도시된 바와 같이, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체가 ORR, OER, HER에서, Pt/C 전극 및 RuO2 전극과 비교하여, 높은 mass activity를 갖는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 41 , it can be seen that the electrode structures according to Experimental Example 1 and Experimental Example 2 have higher mass activity in ORR, OER, and HER compared to the Pt/C electrode and the RuO 2 electrode.

특히, 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 경우, 30,000회의 사이클이 수행된 이후에도, mass activity 값이 실질적인 변화 없이 유지되는 것을 알 수 있다. In particular, in the case of the electrode structure according to Experimental Example 1, it can be seen that the mass activity value is maintained without substantial change even after 30,000 cycles are performed.

결론적으로, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 전극 구조체가 상용화된 Pt/C 및 RuO2와 비교하여 높은 ORR, OER, HER 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. In conclusion, it can be seen that the electrode structures according to Experimental Examples 1 and 2 have higher ORR, OER, and HER characteristics compared to commercially available Pt/C and RuO 2 .

도 42는 본 출원의 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 인시츄(in-situ) XRD 측정 그래프이고, 도 43은 본 출원의 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체를 촬영한 HRTEM 사진이다. 42 is an in-situ XRD measurement graph of the electrode structure according to Experimental Example 1 in the charging/discharging state of the secondary battery according to Experimental Example 1 of the present application, and FIG. 43 is a secondary battery according to Experimental Example 1 of the present application. It is an HRTEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 in the charging/discharging state of the battery.

도 42 및 도 43을 참조하면, 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 인시츄 XRD 측정을 수행하고, 이와 함께 정전류(galvanostatic) 충방전 프로파일 및 실험 예 1의 전극 구조체의 유닛 셀(unit cell)의 볼륨 변화를 도시하였다. 그리고, 이와 함께 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 HRTEM 사진을 촬영하였다. 42 and 43 , an in situ XRD measurement of the electrode structure according to Experimental Example 1 was performed in the charging/discharging state of the secondary battery according to Experimental Example 1, along with a galvanostatic charge/discharge profile and Experimental Example 1 The volume change of the unit cell of the electrode structure is shown. In addition, an HRTEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 was taken in the charging/discharging state of the secondary battery according to Experimental Example 1.

도 42 및 도 43에서 알 수 있듯이, 실험 예 1의 전극 구조체는, 2θ값이 18.5°~19.5°인 범위 내에서 피크가 관찰되며, 방전 상태에서 충전이 진행됨에 따라서, 피크에 대응하는 2θ값이 좌측으로 이동하여 감소하며, 피크가 2개로 분할되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 격자 간격이 0.466nm에서 2.2V로 완충된 경우 0.478nm로 증가하여, 유닛 셀의 볼륨이 287.2Å3에서 294.6Å3로 증가한 것을 확인할 수 있다. 즉, 충방전 동안, 실험 예 1의 전극 구조체가 사방정계 결정 구조를 유지하면서 솔리드 솔루션 반응(solid-solution reaction)이 발생하는 것을 알 수 있다. As can be seen in FIGS. 42 and 43 , in the electrode structure of Experimental Example 1, a peak is observed within a range of 2θ values of 18.5° to 19.5°, and as charging proceeds in a discharged state, a 2θ value corresponding to the peak It moves to the left and decreases, and it can be seen that the peak is divided into two. In addition, it can be seen that the lattice spacing increases from 0.466 nm to 0.478 nm when buffered at 2.2 V, and the volume of the unit cell increases from 287.2 Å 3 to 294.6 Å 3 . That is, it can be seen that a solid-solution reaction occurs while the electrode structure of Experimental Example 1 maintains an orthorhombic crystal structure during charging and discharging.

도 44는 본 출원의 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충방전 상태에서 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 HRTEM 사진을 촬영한 것이다. 44 is a HRTEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 in the charging/discharging state of the secondary battery according to Experimental Example 1 of the present application.

도 44를 참조하면, 실험 예 1에 따른 이차 전지의 충전 및 방전 상태에서, 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 HRTEM 사진을 촬영하였다. 실험 예 1에 따른 전극 구조체로, CuP0.1S0.9, CuP0.5S0.5, 및 CuP0.9S0.1을 사용하였다. 도 58의 a, b, c는 CuP0.1S0.9의 HRTEM 사진이고, 도 58의 d, e, f는 CuP0.5S0.5의 HRTEM 사진이고, 도 58의 g, h, i는 CuP0.9S0.1의 HRTEM 사진이다. Referring to FIG. 44 , in the charging and discharging states of the secondary battery according to Experimental Example 1, an HRTEM photograph of the electrode structure according to Experimental Example 1 was taken. As the electrode structure according to Experimental Example 1, CuP 0.1 S 0.9 , CuP 0.5 S 0.5 , and CuP 0.9 S 0.1 were used. 58 a, b, c are HRTEM pictures of CuP 0.1 S 0.9 , d, e, f of FIG. 58 are HRTEM pictures of CuP 0.5 S 0.5 , g, h, i of CuP 0.9 S 0.1 This is an HRTEM picture.

도 44에서 알 수 있듯이, CuP0.1S0.9 및 CuP0.9S0.1의 경우, S 3p 밴드보다 Cu의 산화 환원 밴드가 높은 곳에 위치하여, 산화된 황이 불안정해질 수 있다. 이로 인해, 도 58에 도시된 것과 같이, 충방전이 수행되더라도 격자 간격이 가역적으로 회복하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 반면, CuP0.5S0.5의 경우, 충전 전 격자 간격이 0.466nm이고, 충전 후 격자 간격이 0.478nm이고, 방전된 후 격자 간격이 0.466nm로, 충전 및 방전이 수행된 이후, 격자 간격이 가역적으로 회복하는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 44 , in the case of CuP 0.1 S 0.9 and CuP 0.9 S 0.1 , the redox band of Cu is higher than the S 3p band, and the oxidized sulfur may be unstable. For this reason, as shown in FIG. 58 , it can be confirmed that the grid spacing is not reversibly recovered even when charging and discharging are performed. On the other hand, in the case of CuP 0.5 S 0.5, the lattice spacing before charging is 0.466 nm, the lattice spacing after charging is 0.478 nm, the lattice spacing after discharging is 0.466 nm, and after charging and discharging, the lattice spacing is reversible. recovery can be seen.

도 45는 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체에서 결정면에 따른 OER, ORR, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다. 45 is a graph evaluating OER, ORR, and HER characteristics according to crystal planes in the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 45를 참조하면, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체의 결정면에 따라서, OER 및 ORR 반응(bifunctional activity)에 대한 오버포텐셜 및 HER 반응에 대한 오버포텐셜을 이산 푸리에 변환으로 계산하였다. Referring to FIG. 45 , according to the crystal plane of the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1, overpotentials for OER and ORR reactions (bifunctional activity) and overpotentials for HER reactions were calculated using discrete Fourier transforms.

도 45에서 알 수 있듯이, (101) 결정면의 오버포텐셜 값이 가장 낮을 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 본 출원의 실시 예에 따라서 (101) 결정면이 발달된 전극 구조체의 ORR, OER, HER 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 45 , it can be confirmed that the overpotential value of the (101) crystal plane is the lowest, and accordingly, the ORR, OER, and HER characteristics of the electrode structure in which the (101) crystal plane is developed according to the embodiment of the present application are improvement can be seen.

결론적으로 (101) 결정면이 발달된 상기 전극 구조체를 제조하고, 이를 아연 공기 전지의 양극으로 활용하는 것이, 아연 공기 전지의 충방전 특성을 향상시킬 수 있는 효율적인 방법임을 알 수 있다. In conclusion, it can be seen that manufacturing the electrode structure having a (101) crystal plane developed and using it as a positive electrode of a zinc-air battery is an efficient method for improving the charge/discharge characteristics of a zinc-air battery.

도 46은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 P 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다. 46 is a graph evaluating ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of P and S of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 46을 참조하면, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체에서, P 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 측정하고 도시하였다. Referring to FIG. 46 , in the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1, ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of P and S were measured and shown.

도 46에서 알 수 있듯이, CuPS 전극 구조체에서, P의 조성비가 0.3 초과 0.7 미만이고, S의 조성비가 0.7미만 0.3 초과인 경우, ORR, OER, 및 HER 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, CuPS 전극 구조체에서, P의 조성비가 0.3 초과 0.7 미만이고, S의 조성비가 0.7미만 0.3 초과가 되도록 제어하는 것이, ORR, OER, 및 HER 특성을 향상시킬 수 있는 효율적인 방법임을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 46 , in the CuPS electrode structure, when the composition ratio of P is greater than 0.3 and less than 0.7, and the composition ratio of S is less than 0.7 and greater than 0.3, it can be confirmed that ORR, OER, and HER characteristics are excellent. In other words, in the CuPS electrode structure, it can be confirmed that controlling the composition ratio of P to be greater than 0.3 and less than 0.7 and the composition ratio of S to be less than 0.7 and greater than 0.3 is an efficient method to improve ORR, OER, and HER characteristics. .

도 47은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체의 P 및 S의 조성비에 따른 Cu 2p, P 2p, 및 S 2p XPS 스펙트라이다. 47 is Cu 2p, P 2p, and S 2p XPS spectra according to the composition ratio of P and S of the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 47을 참조하면, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체에서, P 및 S의 조성비에 따른 Cu 2p, P 2p, 및 S 2p XPS 측정을 수행하고, 성분비를 아래의 <표 4>와 같이 계산하였다. Referring to FIG. 47 , in the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1, Cu 2p, P 2p, and S 2p XPS measurements were performed according to the composition ratio of P and S, and the composition ratio was calculated as shown in Table 4 below. .

CPxS1-x 에서 x 값CP x S 1-x to x value Cu (at.%)Cu (at.%) P (at.%)P (at.%) S (at.%)S (at.%) 0.10.1 49.5649.56 10.2110.21 40.2340.23 0.30.3 49.1949.19 19.9319.93 30.8830.88 0.50.5 48.9248.92 24.8924.89 26.1926.19 0.70.7 49.1649.16 30.4830.48 20.3620.36 0.90.9 48.8648.86 40.9940.99 10.1510.15

도 48은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극 구조체의 Cu 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 평가한 그래프이고, 도 49는 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극 구조체의 Cu 및 S의 조성비에 따른 XRD 그래프이고, 도 50은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극 구조체의 Cu 및 S의 조성비에 따른 격자 파라미터를 도시한 그래프이다. 48 is a graph evaluating ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of Cu and S of the electrode structure according to Experimental Example 3 of the present application, and FIG. 49 is Cu of the electrode structure according to Experimental Example 3 of the present application and FIG. It is an XRD graph according to the composition ratio of S, and FIG. 50 is a graph showing lattice parameters according to the composition ratio of Cu and S of the electrode structure according to Experimental Example 3 of the present application.

도 48 및 도 49를 참조하면, 실험 예 3에 따른 CuS 전극 구조체에서, Cu 및 S의 비율에 따라서 ORR, OER, 및 HER 특성을 측정하고, XRD 측정을 수행하고, 격자 파라미터 값을 계산하였다. 48 and 49 , in the CuS electrode structure according to Experimental Example 3, ORR, OER, and HER characteristics were measured according to the ratio of Cu and S, XRD measurement was performed, and lattice parameter values were calculated.

도 48 및 도 49에서 알 수 있듯이, 실험 예 3에 따른 CuS 전극 구조체의 경우, S의 조성비가 0.35 이상 0.6 이하인 경우, CuS 전극 구조체가 코벨라이트 결정상을 가지며, 향상된 ORR, OER, 및 HER 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, S의 조성비가 0.6을 초과하는 경우 CuS, Cu2S, 잔존된 S, 및 CuS2 등의 상들이 혼합되어 관찰되며, S의 조성비가 0.35미만인 경우 Cu2S 및 chalcocite 상이 나타나는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIGS. 48 and 49, in the case of the CuS electrode structure according to Experimental Example 3, when the composition ratio of S is 0.35 or more and 0.6 or less, the CuS electrode structure has a cobelite crystalline phase, and improved ORR, OER, and HER characteristics You can check what you have. In addition, when the composition ratio of S exceeds 0.6, phases such as CuS, Cu 2 S, remaining S, and CuS 2 are observed to be mixed, and when the composition ratio of S is less than 0.35, it can be confirmed that Cu 2 S and chalcocite phases appear. have.

또한, 도 50에서 알 수 있듯이, S의 조성비가 증가하는 경우, 실험 예 3의 전극 구조체의 유닛 셀의 격자 파라미터가 증가하고 이로 인해 유닛 셀의 부피가 증가하며, 이로 인해, 도 49에 도시된 것과 같이, 피크 값이 이동하는 것을 확인할 수 있다. In addition, as can be seen from FIG. 50 , when the composition ratio of S is increased, the lattice parameter of the unit cell of the electrode structure of Experimental Example 3 increases, thereby increasing the volume of the unit cell, and thus, as shown in FIG. As shown, it can be seen that the peak value shifts.

도 51은 본 출원의 실험 예 1에 따른 전극 구조체를 포함하는 아연 공기 전지의 전류 밀도에 따른 방전 전압을 비교한 그래프이다. 51 is a graph comparing the discharge voltage according to the current density of the zinc-air battery including the electrode structure according to Experimental Example 1 of the present application.

도 51을 참조하면, Pt/C 및 RuO2 양극, A201(Tokuyama) 전해질, 아연 음극을 이용하여 비교 예에 따른 아연 공기 전지를 제조하고, 실험 예 1에 따른 전극 구조체를 포함하는 아연 공기 전지와 5~200mAcm-2 전류 밀도에 따른 방전 전압을 측정하였다. Referring to FIG. 51 , a zinc-air battery according to a comparative example was prepared using a Pt/C and RuO 2 positive electrode, an A201 (Tokuyama) electrolyte, and a zinc negative electrode, and a zinc-air battery including the electrode structure according to Experimental Example 1 and Discharge voltage according to 5-200mAcm -2 current density was measured.

도 51에서 알 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체를 포함하는 아연 공기 전지의 방전 전압이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있으며, 특히, 전류 밀도가 높아질수록, 비교 예에 따른 Pt/C 및 RuO2 양극을 포함하는 아연 공기 전지는 방전 전압이 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 실험 예 1에 따른 CuPS 전극 구조체를 포함하는 아연 공기 전지는 전류 밀도가 높은 조건에서도, 비교 예에 따른 아연 공기 전지와 비교하여, 방전 전압이 크게 저하되지 않는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 51 , it can be seen that the discharge voltage of the zinc-air battery including the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1 is remarkably high. In particular, as the current density increases, Pt/C and RuO according to Comparative Example It can be seen that the discharge voltage of the zinc-air battery including the 2 positive electrode is significantly lowered. On the other hand, it can be seen that, in the zinc-air battery including the CuPS electrode structure according to Experimental Example 1, the discharge voltage is not significantly lowered compared to the zinc-air battery according to the Comparative Example even under a high current density condition.

도 52는 본 출원의 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지의 충방전 용량을 설명하기 위한 그래프이다. 52 is a graph for explaining the charge/discharge capacity of the zinc-air battery according to Experimental Example 1 of the present application.

도 52를 참조하면, 상술된 비교 예에 따른 아연 공기 전지, 및 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지의 전류 밀도에 따른 용량을 측정하였다. Referring to FIG. 52 , the capacity according to the current density of the zinc-air battery according to the above-described comparative example and the zinc-air battery according to Experimental Example 1 was measured.

도 52에서 알 수 있듯이, CuPS 전극 구조체를 포함하는 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지는 25mAcm-2 조건에서는 물론, 50mAcm-2 조건에서도, Pt/C 및 RuO2를 양극으로 사용한 비교 예에 따른 아연 공기 전지의 25mAcm-2 조건보다, 높은 용량 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 52, the zinc-air battery according to Experimental Example 1 including the CuPS electrode structure was not only under the 25mAcm -2 condition, but also under the 50mAcm-2 condition, Pt/C and RuO 2 Zinc according to a comparative example using as a positive electrode It can be seen that the air battery has a higher capacity value than the 25mAcm -2 condition.

도 53은 본 출원의 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지의 충방전 횟수에 따른 전압 값을 측정한 그래프이다. 53 is a graph of measuring voltage values according to the number of times of charging and discharging of the zinc-air battery according to Experimental Example 1 of the present application.

도 53을 참조하면, 실험 예 1에 따른 아연 공기 전지에 대해서 50mAcm-2 조건, 및 25mA-2 조건에서 충방전 횟수에 따른 전압 값을 측정하였다. Referring to FIG. 53 , voltage values according to the number of charging and discharging times were measured for the zinc-air battery according to Experimental Example 1 under 50 mAcm -2 conditions and 25 mA -2 conditions.

도 53에서 알 수 있듯이, 약 600회의 충방전 횟수동안, 안정적으로 구동되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상술된 본 출원의 실시 예에 따라 제조된 CuPS 전극 구조체가 고체 전해질과 함께 양극 전극으로 안정적으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 53 , it can be confirmed that the battery is stably driven for about 600 times of charging and discharging. That is, it can be confirmed that the CuPS electrode structure manufactured according to the above-described embodiment of the present application can be stably used as a positive electrode together with a solid electrolyte.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although the present invention has been described in detail using preferred embodiments, the scope of the present invention is not limited to specific embodiments and should be construed according to the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

Claims (14)

아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체에 있어서,
상기 전극 구조체, 구리, 인 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인을 포함하는, 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체.
In the electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery,
The electrode structure, comprising a membrane formed of a compound of copper, phosphorus and sulfur and a plurality of fibrillated fibers forming a network, the electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery.
제1 항에 있어서,
구리, 인 및 황의 화합물로 형성된 상기 복수의 섬유는,
복수의 줄기; 및
상기 복수의 줄기에서 분기된 복수의 가지를 포함하는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체.
According to claim 1,
The plurality of fibers formed of a compound of copper, phosphorus and sulfur,
a plurality of stems; and
An electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery comprising a plurality of branches branched from the plurality of stems.
제2 항에 있어서,
상기 복수의 줄기 및 상기 복수의 가지는, 서로 다른 공정에서 제조되는 것을 포함하는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체.
3. The method of claim 2,
The plurality of stems and the plurality of branches are electrode structures for a positive electrode of a zinc-air battery comprising those manufactured in different processes.
제1 항에 있어서,
상기 전극 구조체의 상기 멤브레인은 스폰지 구조를 갖고, 플렉시블한 것을 포함하는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체.
According to claim 1,
The membrane of the electrode structure has a sponge structure, the electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery comprising a flexible one.
제1 항에 있어서,
상기 아연 공기 전지의 충전 및 방전 상태에서 따라서,
HRTEM으로 관찰되는 상기 전극 구조체의 상기 멤브레인의 격자 간격이 가역적으로 증가 또는 감소되는 것을 포함하는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체.
According to claim 1,
Accordingly, in the state of charge and discharge of the zinc-air battery,
Electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery comprising the reversible increase or decrease in the lattice spacing of the membrane of the electrode structure observed by HRTEM.
아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체에 있어서,
상기 전극 구조체는, 구리 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인을 포함하는, 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체.
In the electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery,
The electrode structure is formed of a compound of copper and sulfur and includes a membrane in which a plurality of fibrillated fibers form a network, the electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery.
제6 항에 있어서,
구리 및 황의 화합물은 아래의 <화학식 1>로 표시되는 것을 포함하는 아연 공기 전지의 양극용 전극 구조체.
<화학식 1>
CuSx
(0.35≤x≤0.6)
7. The method of claim 6,
The compound of copper and sulfur is an electrode structure for a positive electrode of a zinc-air battery comprising that represented by the following <Formula 1>.
<Formula 1>
CuS x
(0.35≤x≤0.6)
제1 항 또는 제6 항에 따른 상기 전극 구조체를 포함하는 양극 전극;
상기 양극 전극 상의 아연 음극; 및
상기 양극 전극 및 상기 아연 음극 사이의 전해질을 포함하는 아연 공기 전지.
A positive electrode comprising the electrode structure according to claim 1 or 6;
a zinc anode on the anode electrode; and
A zinc-air battery comprising an electrolyte between the positive electrode and the zinc negative electrode.
칼코겐 원소를 갖는 제1 전구체, 인을 갖는 제2 전구체, 전이금속을 갖는 제3 전구체를 준비하는 단계;
상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체를 혼합하고, 제1 환원제를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 공침시켜 복수의 줄기를 갖는 중간 생성물을 제조하는 단계; 및
상기 중간 생성물에 제2 환원제를 첨가하고 가압 열처리하는 방법으로, 상기 복수의 줄기에서 복수의 가지를 분기시켜, 상기 전이금속, 상기 칼코겐 원소, 및 인을 포함하는 피브릴화된 복수의 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
Preparing a first precursor having a chalcogen element, a second precursor having phosphorus, and a third precursor having a transition metal;
mixing the first precursor, the second precursor, and the third precursor, and adding a first reducing agent to prepare a mixture;
co-precipitating the mixture to prepare an intermediate product having a plurality of stems; and
In a method of adding a second reducing agent to the intermediate product and heat-treating under pressure, a plurality of fibrillated fibers comprising the transition metal, the chalcogen element, and phosphorus by branching a plurality of branches from the plurality of stems A method of manufacturing an electrode structure comprising the step of manufacturing.
제9 항에 있어서,
상기 제1 전구체는, dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′-Dimethylthiourea, Ammonium sulfide, Methyl methanesulfonate, Sulfur powder, sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, 또는 Davy Reagent methyl 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 제2 전구체는, tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenylphosphine, Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus trichloride, Phosphorus(V) oxychloride, Thiophosphoryl chloride, Phosphorus pentachloride, 또는 Phosphorus pentasulfide 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 제3 전구체는, copper chloride, copper(II) sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper naphthenate, 또는 copper(II) phosphate 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The first precursor is dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′-Dimethylthiourea, Ammonium sulfide, Methyl methanesulfonate, Sulfur powder, At least one of sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, or Davy Reagent methyl,
The second precursor is tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenylphosphine, Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus trichloride, Phosphorus trichloride, methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus trichloride, Phosphorus trichloride. , or at least one of Phosphorus pentasulfide,
The third precursor is copper chloride, copper(II) sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper naphthenate, or copper(II) A method of manufacturing an electrode structure comprising at least one of phosphate.
제9 항에 있어서,
상기 제2 환원제와 함께, 칼코겐 원소를 갖는 칼코겐 원소 공급원을 더 첨가하는 것을 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
With the second reducing agent, a method of manufacturing an electrode structure comprising further adding a chalcogen element source having a chalcogen element.
제9 항에 있어서,
냉각된 상태에서, 상기 제2 환원제가 첨가되는 것을 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
In the cooled state, the method of manufacturing an electrode structure comprising adding the second reducing agent.
제9 항에 있어서,
상기 제1 환원제는, Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, 또는 Tetramethylammonium hydroxide 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 제2 환원제는, Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, 또는 chloramine-T 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The first reducing agent includes at least one of Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, or Tetramethylammonium hydroxide,
The second reducing agent is, Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, or chloramine-T A method of manufacturing an electrode structure comprising at least one of.
제9 항에 있어서,
칼코겐 원소는 황이고,
전이금속은 구리인 것을 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The chalcogen element is sulfur,
A method of manufacturing an electrode structure comprising that the transition metal is copper.
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