KR20210111708A - Fabrication Method of Anode for Zinc-Ion Battery and Anode for Zinc-Ion Battery manufactured Therefrom and Aqueous Zinc-Ion Battery comprising the Same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing an anode for a zinc-ion battery using a wet chemistry process, and more specifically, to a method for manufacturing an anode for a zinc-ion battery, comprising the steps of: a) preparing a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite by oxidizing one surface of a zinc substrate; and b) immersing the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite in an aqueous precursor solution and drying the same to obtain a porous metal-organic framework (Zn-MOF) containing zinc on the zinc substrate. According to the present invention, the anode for a zinc-ion battery comprising a hydrophilic and porous metal-organic framework layer can be provided so as to provide an aqueous zinc-ion battery with improved cycle life and safety.

Description

아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 아연-이온 전지용 애노드 전극 및 이를 포함하는 수계 아연-이온 전지{Fabrication Method of Anode for Zinc-Ion Battery and Anode for Zinc-Ion Battery manufactured Therefrom and Aqueous Zinc-Ion Battery comprising the Same}A method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery, an anode electrode for a zinc-ion battery manufactured thereby, and an aqueous zinc-ion battery comprising the same Zinc-Ion Battery comprising the Same}

본 발명은 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 아연-이온 전지용 애노드 전극 및 이를 포함하는 수계 아연-이온 전지에 관한 것으로, 상세하게 아연의 도금-스트립핑(plating-stripping) 과정에서 높은 효율의 전기화학적 성능을 갖고 향상된 수명 및 안정성을 가지는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 아연-이온 전지용 애노드 전극 및 이를 포함하는 수계 아연-이온 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery, an anode electrode for a zinc-ion battery manufactured by the same, and an aqueous zinc-ion battery comprising the same, in detail, zinc plating-stripping process It relates to a method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery having high efficiency electrochemical performance and improved lifespan and stability, an anode electrode for a zinc-ion battery manufactured thereby, and an aqueous zinc-ion battery including the same.

최근 재생 에너지의 생산과 관련하여 급격한 기술적 성장과 더불어 자동차, 휴대용 전자기기 등을 위한 에너지 수요가 증가하고 있고 또한, 스마트 빌딩을 위한 높은 효율을 가지며 지속가능한 에너지 저장 시스템에 대한 수요 역시 증가하고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 친환경적이고, 안정성을 가지며, 경제적으로 제조가능한 높은 에너지 밀도를 갖는 새로운 재생 에너지 저장 장치의 개발이 필요한 실정이다.Recently, along with rapid technological growth in relation to the production of renewable energy, energy demand for automobiles, portable electronic devices, etc. is increasing, and the demand for a sustainable energy storage system having high efficiency for smart buildings is also increasing. In order to satisfy these demands, it is necessary to develop a new renewable energy storage device that is environmentally friendly, has stability, and has a high energy density that can be economically manufactured.

상기 요구 기준을 만족시킬 수 있는 장치 중 하나로 높은 이론적 용량, 낮은 환원 전위(-0.764 V), 수계 전해질에서의 우수한 안정성, 친환경성, 안전성 및 가공의 용이성을 지닌 아연을 기초로 한 에너지 저장 시스템에 대한 관심도가 높아지고 있다. As one of the devices that can satisfy the above requirements, it is a zinc-based energy storage system with high theoretical capacity, low reduction potential (-0.764 V), excellent stability in aqueous electrolytes, eco-friendliness, safety and ease of processing. There is a growing interest in

이러한 많은 장점에도 불구하고 아연 전지 시스템의 경우, 아연 전극에서의 불균일한 전하(charge) 분포로 인한 덴드라이트(dendrite) 형성 및 도금-스트립핑(plating-stripping) 동안에 수소 생성이나 아연 부식과 같은 부작용으로 인해 아연 전지 시스템의 효율 및 수명에 상당한 제약이 존재하여 실질적으로 적용함에 있어 한계가 있는 실정이다.Despite these many advantages, in the case of a zinc battery system, dendrite formation due to non-uniform charge distribution in the zinc electrode and side effects such as hydrogen generation or zinc corrosion during plating-stripping Due to this, there are significant restrictions on the efficiency and lifespan of the zinc battery system, which limits practical application.

이러한 아연 덴드라이트에 의해 발생되는 단락(short circuit)의 문제를 해결하기 위해 일본특허 JP 6677860 B2호에서는 음극 활물질층의 전체를 부직포 및 층상 이중 산화물(LDH) 세퍼레이터로 감싸는 형태의 음극 구조체를 제공하고 있다.In order to solve the problem of short circuit caused by such zinc dendrites, Japanese Patent JP 6677860 B2 provides an anode structure in which the entire anode active material layer is wrapped with a nonwoven fabric and a layered double oxide (LDH) separator, and have.

그러나, 그 효과가 미미하고, 각기 다른 물질간의 별도의 밀봉이 요구되는 것과 같이 제조 공정이 복잡하며, 생산비용이 증가되는 등 모두 만족스러운 결과를 얻지 못하였다.However, the effect is insignificant, the manufacturing process is complicated as separate sealing between different materials is required, and the production cost is increased, etc. All satisfactory results were not obtained.

따라서, 아연 전지 시스템에 있어, 아연 전극에서 일어나는 아연 덴드라이트에 의한 단락의 문제를 해결하고, 아연 부식과 같은 부작용을 방지할 수 있는 동시에 제조 공정이 간단하며, 최근에 요구되어지는 수요에 대응할 수 있는 대형 사이즈(large-scale)의 아연 전극의 개발의 필요성이 대두되고 있다.Therefore, in the zinc battery system, it is possible to solve the problem of short circuit caused by zinc dendrite occurring in the zinc electrode, prevent side effects such as zinc corrosion, and at the same time, the manufacturing process is simple, and it is possible to respond to the recent demand. The need for the development of a large-scale zinc electrode is emerging.

일본특허 JP 6677860 B2Japanese Patent JP 6677860 B2

본 발명의 목적은 습식화학(wet chemistry) 방법을 통해 제조 공정이 단순하고 대형 크기(large-scale)로 확장하여 제조 가능한 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery that can be manufactured by a simple manufacturing process and extending to a large-scale through a wet chemistry method.

본 발명의 다른 목적은 높은 효율의 도금-스트립핑(plating-stripping) 성능을 갖는 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an anode electrode for a zinc-ion battery having a high-efficiency plating-stripping performance.

본 발명의 또 다른 목적은 사이클 수명 및 안전성이 우수한 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an anode electrode for a zinc-ion battery having excellent cycle life and safety.

본 발명의 또 다른 목적은 아연-이온 전지용 애노드 전극을 포함하는 수계 아연-이온 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an aqueous zinc-ion battery comprising an anode electrode for a zinc-ion battery.

본 발명의 일 양태에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 a) 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조하는 단계; 및 b) 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 후 건조하여 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체(Zn-metal-organic framework, Zn-MOF)를 제조하는 단계;를 포함한다.A method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an aspect of the present invention comprises: a) oxidizing one surface of a zinc substrate to prepare a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite; and b) immersing the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite in an aqueous precursor solution and drying it to prepare a zinc-containing porous metal-organic framework (Zn-MOF) on a zinc substrate including;

본 발명의 일 실시예에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법에 있어, 금속-유기물 골격체는 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 표면에서 직접적으로 성장하여 형성된 모놀리식 층(monolithic layer)일 수 있다.In the method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an embodiment of the present invention, the metal-organic framework is a monolithic layer formed by directly growing on the surface of a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite. layer) can be

본 발명의 일 실시예에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법에 있어, 금속-유기물 골격체는 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework, ZIF)일 수 있다.In the method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an embodiment of the present invention, the metal-organic framework may be a zeolitic imidazolate framework (ZIF).

본 발명의 일 실시예에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법에 있어, 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체는 ZIF-8일 수 있다.In the method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an embodiment of the present invention, the zeolite-type imidazolate structure may be ZIF-8.

본 발명의 일 실시예에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법에 있어, 전구체 수용액은 이미다졸계 전구체를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an embodiment of the present invention, the aqueous precursor solution may include an imidazole-based precursor.

본 발명의 일 실시예에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법에 있어, 다공성 금속-유기물 골격체는 마이크로 기공을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an embodiment of the present invention, the porous metal-organic framework may include micropores.

본 발명의 일 실시예에 있어, 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 b)단계 이후, 열분해하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery may further include a step of thermal decomposition after step b).

본 발명의 일 실시예에 있어, 열분해시 가열속도(heating rate)는 50 내지 90 ℃/s일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heating rate (heating rate) during thermal decomposition may be 50 to 90 ℃ / s.

본 발명의 일 실시예에 있어, 열분해는 500 내지 900℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thermal decomposition may be performed in a temperature range of 500 to 900 ℃.

본 발명의 일 실시예에 있어, 열분해는 1 내지 10분 동안 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, pyrolysis may be performed for 1 to 10 minutes.

본 발명의 다른 일 양태에 따라, 아연 금속 기재; 및 아연 금속 기재 상에 위치하고, 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층;을 포함하되, 다공성 금속-유기물 골격체 층의 표면은 친수성인 것을 특징으로 하는 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a zinc metal substrate; and a porous metal-organic framework layer disposed on a zinc metal substrate and comprising zinc, wherein the surface of the porous metal-organic framework layer is hydrophilic.

본 발명의 일 실시예에 따라, 친수성 금속-유기물 골격체 층은 하기 식 1을 만족할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrophilic metal-organic framework layer may satisfy Equation 1 below.

(식 1)(Equation 1)

θ1 = xθ2 (1.1 ≤ x ≤ 1.4)θ 1 = xθ 2 (1.1 ≤ x ≤ 1.4)

식 1에서 θ1은 상기 아연 금속 기재의 수 접촉각이고, θ2는 금속-유기물 골격체 층의 수 접촉각이다.In Equation 1, θ 1 is the water contact angle of the zinc metal substrate, and θ 2 is the water contact angle of the metal-organic framework layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 금속-유기물 골격체는 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework, ZIF)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal-organic framework may be a zeolitic imidazolate framework (ZIF).

본 발명의 일 실시예에 따라, 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체는 ZIF-8일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the zeolite-type imidazolate structure may be ZIF-8.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따라, 아연 금속 기재; 및 아연 금속 기재 상에 위치하고, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층;을 포함하는 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a zinc metal substrate; And located on the zinc metal substrate, nitrogen-doped porous carbon layer; provides a zinc-ion battery anode electrode comprising a.

본 발명의 일 실시예에 따라, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 금속-유기물 골격체를 열분해하여 제조된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the porous carbon layer doped with nitrogen may be prepared by thermally decomposing a metal-organic framework.

본 발명의 일 실시예에 따라, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 5 내지 25 원자%의 질소를 함유할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the porous carbon layer doped with nitrogen may contain 5 to 25 atomic% nitrogen.

본 발명의 일 실시예에 따라, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 하기 식 2를 만족할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the porous carbon layer doped with nitrogen may satisfy Equation 2 below.

(식 2)(Equation 2)

θ1 = xθ2 (1.5 ≤ x ≤ 4.0)θ 1 = xθ 2 (1.5 ≤ x ≤ 4.0)

식 2에서 θ1은 상기 아연 금속 기재의 수 접촉각이고, θ2는 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 수 접촉각이다.In Equation 2, θ 1 is the water contact angle of the zinc metal substrate, and θ 2 is the water contact angle of the porous carbon layer doped with nitrogen.

본 발명의 일 실시예에 따라, 다공성의 탄소 층은 매크로 기공을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the porous carbon layer may include macropores.

본 발명은 상술한 아연-이온 전지용 애노드 전극을 포함하는 재충전이 가능한 수계 아연-이온 전지를 제공한다.The present invention provides a rechargeable water-based zinc-ion battery comprising the above-described anode electrode for a zinc-ion battery.

본 발명에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 습식화학(wet chemistry) 공정으로 제조 공정이 단순하며 대형 크기(large-scale)의 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제조할 수 있다.The manufacturing method of the anode electrode for a zinc-ion battery according to the present invention is a wet chemistry process, the manufacturing process is simple, and a large-scale zinc-ion battery anode electrode can be manufactured.

본 발명에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극은 표면이 친수성의 특성을 가지고, 다공성 금속-유기물 골격체 층을 포함함으로써 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제시켜 수계 아연-이온 전지의 사이클 수명 및 안전성을 향상 시킬 수 있다.The anode electrode for a zinc-ion battery according to the present invention has a hydrophilic surface and includes a porous metal-organic framework layer to effectively inhibit dendrite formation, thereby improving the cycle life and safety of an aqueous zinc-ion battery. have.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 대형 크기(large-scale)의 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 광학 사진을 도시한 도면이다.
도 2a는 비교예 1로부터 순차적으로 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 2 내지 4가 제조되는 모식도를 나타낸 것이다.
도 2b1, 도 2b2, 도 2b3, 도 2b4, 도 2b5 및 도 2b6은 각각 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 SEM 이미지를 도시한 것이고, 도 2c는 각각 샘플의 광학 사진을 도시한 도면이다.
도 2d1, 도 2d2 및 도 2d3는 각각 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 3의 단면 SEM 이미지 및 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS) 원소 맵핑 이미지를 도시한 도면이다.
도 3a는 비교예 및 실시예의 측정된 XRD 패턴을 도시한 도면이고, 도 3b는 ZIF-8의 XRD 패턴을 시뮬레이션 한 도면이다.
도 4는 비교예 및 실시예의 라만스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 5는 비교예 및 실시예의 XPS 서베이 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 6은 실시예 1 내지 4에서 관찰된 C1s 피크의 고분해능(high-resolution) 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 실시예 1 내지 4에서 관찰된 N1s 피크의 고분해능(high-resolution) 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 8은 비교예 및 실시예의 수 접촉각을 도시한 도면이다.
도 9a는 2전극 실험에서 순환 전압 전류곡선(cyclic voltammetry, CV)의 프로파일을 도시한 도면이고, 도 9b는 3전극 실험에서 CV 프로파일을 도시한 도면이다.
도 9c는 개조된 애노드 전극의 모식도이고 도 9d는 개조된 애노드 전극의 SEM 이미지를 나타낸 것이며, 도 9e는 300사이클 이 후의 개조된 애노드 전극의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10a 및 도 10b는 1 내지 10mA/cm2 범위의 전류밀도와 1 내지 10mAh/cm2의 용량(capacity) 범위에서 각각의 애노드 전극의 사이클 안정성을 나타내는 도면이다.
도 11a, 도 11b, 도 11c, 도 11d, 도 11e 및 도 11f는 각각 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4로 구성된 대칭 셀의 아연 도금-스트립핑(plating-stripping)의 사이클 이 후에 측정된 각각의 애노드 전극의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 12a는 제조된 각각의 수계 ZIB의 CV 프로파일을 도시한 도면이고, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는 각각의 수계 ZIB의 사이클 성능을 각각의 current rate(C-rate) 0.1, 0.5 및 1C에서 나타낸 도면이다.
1A, 1B, and 1C are diagrams showing optical photographs of Comparative Examples 1, 2 and 1 in large-scale.
Figure 2a shows a schematic diagram in which Comparative Example 2, Examples 1, and Examples 2 to 4 are sequentially prepared from Comparative Example 1.
2b1, 2b2, 2b3, 2b4, 2b5 and 2b6 show SEM images of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3 and Example 4, respectively; 2C is a diagram showing an optical photograph of each sample.
2d1, 2d2, and 2d3 are diagrams showing cross-sectional SEM images and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) element mapping images of Comparative Example 2, Example 1, and Example 3, respectively.
3A is a diagram illustrating the measured XRD patterns of Comparative Examples and Examples, and FIG. 3B is a diagram simulating the XRD pattern of ZIF-8.
4 is a view showing Raman spectra of Comparative Examples and Examples.
5 is a diagram illustrating XPS survey spectra of Comparative Examples and Examples.
6 is a diagram showing high-resolution spectra of the C1s peak observed in Examples 1 to 4;
7 is a diagram showing high-resolution spectra of the N1s peak observed in Examples 1 to 4;
8 is a view showing the water contact angles of Comparative Examples and Examples.
9A is a diagram illustrating a cyclic voltammetry (CV) profile in a two-electrode experiment, and FIG. 9B is a diagram illustrating a CV profile in a three-electrode experiment.
Figure 9c is a schematic diagram of the modified anode electrode, Figure 9d shows the SEM image of the modified anode electrode, Figure 9e shows the SEM image of the modified anode electrode after 300 cycles.
10A and 10B are diagrams showing the cycle stability of each anode electrode in a current density ranging from 1 to 10 mA/cm 2 and a capacity ranging from 1 to 10 mAh/cm 2 .
11A, 11B, 11C, 11D, 11E and 11F are galvanized-galvanized cells of symmetrical cells composed of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3 and Example 4, respectively; A diagram showing an SEM image of each anode electrode measured after a cycle of plating-stripping.
Figure 12a is a view showing the CV profile of each water-based ZIB prepared, Figures 12b, 12c and 12d are the cycle performance of each water-based ZIB at each current rate (C-rate) 0.1, 0.5 and 1C the drawing shown.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Unless otherwise defined in technical terms and scientific terms used in this specification, those of ordinary skill in the art to which this invention belongs have the meanings commonly understood, and in the following description and accompanying drawings, the subject matter of the present invention Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 개의 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular form used herein may be intended to include the plural form as well, unless the context specifically dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used herein includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the form and width of the defined range, all values defined therein, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.

본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. As used herein, the term 'comprising' is an open-ended description having an equivalent meaning to expressions such as 'comprising', 'containing', 'having' or 'characterized', and elements not listed further; Materials or processes are not excluded.

또한, 본 명세서의 용어, '실질적으로'는 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양 또는 정도로 존재할 수 있는 것을 의미한다.In addition, as used herein, the term 'substantially' means that other elements, materials, or processes not listed together with the specified element, material or process are unacceptable for at least one basic and novel technical idea of the invention. It means that it can be present in an amount or degree that does not significantly affect it.

본 발명의 일 양태에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 a) 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조하는 단계; 및 b) 상기 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 후 건조하여 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체(Zn-metal-organic framework, Zn-MOF)를 제조하는 단계;를 포함한다.A method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an aspect of the present invention comprises: a) oxidizing one surface of a zinc substrate to prepare a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite; and b) immersing the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite in an aqueous precursor solution and drying it to form a porous metal-organic framework (Zn-MOF) containing zinc on a zinc substrate. manufacturing step;

본 발명은 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 아연 기재의 일 표면에 산화아연이 형성된 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조한 후, 상기 복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 다음, 건조하는 습식화학(wet chemistry) 공정을 통하여 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체가 제조된 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조 방법을 제공한다.In the present invention, a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite in which zinc oxide is formed on one surface of a zinc substrate by oxidizing one surface of a zinc substrate is prepared, and then the composite is immersed in an aqueous precursor solution, followed by drying wet chemistry Provided is a method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery in which a porous metal-organic framework including zinc on a zinc substrate is prepared through a (wet chemistry) process.

이 때, 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체에서 아연 기재의 일 표면에 형성된 산화아연은 금속-유기물 골격체의 형성 과정에서 순수 아연의 자연산화막 대비 높은 반응성을 가질 수 있어, 추후 수행될 다공성 금속-유기물 골격체의 제조에 있어 유리하다. 이와같이, 본 발명은 종래와 달리 별도의 밀봉 공정이나 접착제의 사용없이 아연 기재상에 치밀한 다공성 금속-유기물 골격체를 형성시킬 수 있는 장점을 갖으며, 이를 통하여 아연 전극에서 일어나는 아연 덴드라이트의 성장에 의한 전지가 단락(short circuit)되는 문제를 해결할 수 있고, 아연 부식과 같은 부작용을 방지할 수 있는 장점을 갖는다.At this time, the zinc oxide formed on one surface of the zinc substrate in the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite may have a higher reactivity compared to the natural oxide film of pure zinc in the process of forming the metal-organic framework, so the porosity to be performed later It is advantageous for the preparation of metal-organic frameworks. As such, the present invention has the advantage of being able to form a dense porous metal-organic framework on a zinc substrate without the use of a separate sealing process or adhesive unlike the prior art, and through this, It has the advantage of being able to solve the problem that the battery is short-circuited by the due to the short circuit and prevent side effects such as zinc corrosion.

또한, 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체는 습식화학(wet chemistry) 공정을 통하여 제조됨으로써 종래대비 공정이 단순하고 경제적인 방법으로 대형 크기(large-scale)의 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공할 수 있는 장점을 갖을 수 있다.In addition, the porous metal-organic framework including zinc on a zinc substrate is manufactured through a wet chemistry process, so that the process is simple and economical compared to the prior art for large-scale zinc-ion batteries. It may have the advantage of being able to provide an anode electrode.

본 발명의 일 양태에 따른 실시예에 있어, 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment according to an aspect of the present invention, the method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery may include preparing a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite by oxidizing one surface of a zinc substrate.

앞서 상술한 바와 같이, 아연 기재의 일 표면에 형성된 산화아연은 금속-유기물 골격체의 형성 과정에서 순수 아연의 자연산화막 대비 높은 반응성을 가질 수 있어, 추후 수행될 다공성 금속-유기물 골격체의 제조에 있어 유리한 측면이 있다. As described above, zinc oxide formed on one surface of the zinc substrate can have a higher reactivity compared to the natural oxide film of pure zinc in the process of forming the metal-organic framework, so that it can be used in the production of a porous metal-organic framework to be performed later. There is an advantage to it.

상세하게, 아연 기재의 일 표면에 형성된 산화아연에서 아연 양이온과 결합된 산소 음이온은 전구체 수용액에서 탈수소화(deprotonation)된 전구체 음이온과 교체되어 아연 양이온이 전구체 수용액에서 탈수소화(deprotonation)된 전구체와 결합된 금속-유기물 골격체로 전환되는 것이다. 즉, 순수 아연의 자연산화막에 포함된 산소 음이온은 한정되어 있으므로 금속-유기물 골격체로 전환되는 반응이 현저히 느리거나 없을 수 있는 것이다.Specifically, in zinc oxide formed on one surface of the zinc substrate, oxygen anions bound to zinc cations are replaced with precursor anions dehydrogenated in aqueous precursor solution, so that zinc cations are combined with precursor dehydrogenated in aqueous precursor solution. converted into a metal-organic framework. That is, since the oxygen anion contained in the natural oxide film of pure zinc is limited, the conversion to the metal-organic framework may be remarkably slow or absent.

본 발명의 일 실시예에 있어, 일 표면이 산화되는 아연 기재의 두께는 10 내지 1000 μm일 수 있고, 구체적으로 100 내지 500 μm일 수 있으며, 보다 구체적으로 200 내지 300 μm일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the thickness of the zinc substrate on which one surface is oxidized may be 10 to 1000 μm, specifically 100 to 500 μm, and more specifically 200 to 300 μm.

본 발명의 일 실시예로 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체에서 산화아연의 두께는 0.1 내지 200 μm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 100 μm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 내지 60 μm일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 20 내지 40 μm일 수 있다. 추후 수행될 다공성 금속-유기물 골격체의 제조에 유리하고, 아연-이온 전지용 애노드 전극이 아연 기재상에 형성된 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체의 구조를 가짐으로 인해 아연 전극에서 일어나는 아연 덴드라이트의 성장에 의해 발생되는 단락의 문제를 해결할 수 있고 아연 부식과 같은 부작용을 방지하기 위해서 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체에서 산화아연의 두께는 상기 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.In an embodiment of the present invention, in the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite, the thickness of zinc oxide may be 0.1 to 200 μm, preferably 1 to 100 μm, and more preferably 10 to 60 μm. may be, and more preferably 20 to 40 μm. It is advantageous for the production of a porous metal-organic framework to be performed later, and zinc dendrites occurring in the zinc electrode due to the anode electrode for a zinc-ion battery having a structure of a porous metal-organic framework including zinc formed on a zinc substrate In order to solve the problem of short circuit caused by the growth of zinc oxide and to prevent side effects such as zinc corrosion, the thickness of the zinc oxide in the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite is preferably within the above range.

본 발명의 일 예로, 아연 기재의 일 표면의 산화는 스퍼터링(sputtering), 분자선 적층(Molecular Beam Epitaxy) 성장법 등과 같은 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition) 공정 또는 다양한 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 공정을 통하여 수행될 수 있고, 레이저 증착법, 분무열분해법, 양극산화법, 정전분무법, 졸-겔 공정, 습식침전법 등을 통해 수행될 수 있으나, 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조할 수 있으면 만족하므로 이에 제한되지 않는다.As an example of the present invention, oxidation of one surface of a zinc substrate is a physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition) process such as sputtering, molecular beam epitaxy growth method, or various chemical vapor deposition processes It can be carried out through a laser deposition method, spray pyrolysis method, anodization method, electrostatic spray method, sol-gel process, wet precipitation method, etc., but by oxidizing one surface of the zinc substrate /Zn) complex can be produced, so it is satisfactory, so it is not limited thereto.

제조공정의 용이성 및 대형 크기(large-scale)의 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제공을 위해서는 습식침전법을 이용하여 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조하는 것이 바람직할 수 있다.For the ease of the manufacturing process and the provision of a large-scale anode electrode for a zinc-ion battery, a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite is prepared by oxidizing one surface of a zinc substrate using a wet precipitation method. may be desirable.

일 예로, 아연 기재를 과황산암모늄, 질산암모늄, 염화암모늄, 염화테트라메틸암모늄, 질산테트라메틸암모늄 및 황산테트라메틸암모늄 중에서 선택되는 1종의 암모늄염을 포함하는 수용액에 침지시키는 방법으로 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조할 수 있다.For example, by immersing the zinc substrate in an aqueous solution containing one type of ammonium salt selected from ammonium persulfate, ammonium nitrate, ammonium chloride, tetramethylammonium chloride, tetramethylammonium nitrate and tetramethylammonium sulfate, A zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite can be prepared by oxidizing the surface.

이 때, 수용액에 포함되는 암모늄염의 농도는 0.1 내지 10M 일 수 있고, 구체적으로 0.2 내지 5M 일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.5 내지 2 M 일 수 있다. 아연 기재를 암모늄염을 포함하는 수용액에 1 내지 60분 동안 침지시킬 수 있고, 구체적으로 1 내지 30분 동안 침지시킬 수 있으며, 보다 구체적으로 5 내지 15분 동안 침지시킬 수 있다. 암모늄염을 포함하는 수용액에 아연 기재가 침지되는 온도는 10 내지 50℃ 일 수 있고, 구체적으로 20 내지 30℃ 일 수 있다.At this time, the concentration of the ammonium salt contained in the aqueous solution may be 0.1 to 10M, specifically 0.2 to 5M, may be more specifically 0.5 to 2M. The zinc substrate may be immersed in an aqueous solution containing an ammonium salt for 1 to 60 minutes, specifically for 1 to 30 minutes, and more specifically for 5 to 15 minutes. The temperature at which the zinc substrate is immersed in the aqueous solution containing the ammonium salt may be 10 to 50 °C, and specifically 20 to 30 °C.

암모늄염을 포함하는 수용액에 침지된 아연 기재는 침지 공정 이후, 탈이온수로 세척될 수 있다. The zinc substrate immersed in an aqueous solution containing an ammonium salt may be washed with deionized water after the immersion process.

습식침전법을 이용하여 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조할 경우, 앞서 상술한 두께의 산화아연을 포함하는 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 제조를 위해서는 상기 조건을 만족하는 범위에서 침지 공정이 수행되는 것이 바람직하다.When a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite is prepared using the wet precipitation method, the above conditions are satisfied for the production of a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite including zinc oxide having the above-described thickness. It is preferable that the immersion process is performed in the range.

본 발명의 일 양태에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 후 건조하여 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체(Zn-metal-organic framework, Zn-MOF)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.In the method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an aspect of the present invention, the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) complex is immersed in an aqueous precursor solution and dried, and then the porous metal-organic framework containing zinc on a zinc substrate. It may include manufacturing a (Zn-metal-organic framework, Zn-MOF).

일 실시예로, 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체가 침지되는 전구체 수용액은 이미다졸계 전구체를 포함할 수 있다.In an embodiment, the aqueous precursor solution into which the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) complex is immersed may include an imidazole-based precursor.

일 구체예로, 전구체 수용액에 포함되는 전구체의 농도는 0.01 내지 5M 일 수 있고, 구체적으로 0.05 내지 2M 일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.1 내지 1M 일 수 있다. In one embodiment, the concentration of the precursor included in the aqueous precursor solution may be 0.01 to 5M, specifically 0.05 to 2M, and more specifically 0.1 to 1M.

이미다졸계 전구체는 벤지미다졸(benzimidazole), 2-메틸벤지미다졸(2-methylbenzimidazole), 2-니트로이미다졸(2-nitroimidazole), 5-니트로벤지미다졸(5-nitrobenzimidazole), 5-클로로벤지미다졸(5-chlorobenzimidazole), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole) 및 4-메틸이미다졸(4-methylimidazole)에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The imidazole precursor is benzimidazole, 2-methylbenzimidazole, 2-nitroimidazole, 5-nitrobenzimidazole, 5-chloro It may be at least one selected from benzimidazole (5-chlorobenzimidazole), 2-methylimidazole (2-methylimidazole), and 4-methylimidazole (4-methylimidazole).

구체예로, 전구체 수용액은 이미다졸계 전구체가 극성 용매에 용해된 용액을 포함할 수 있다. In an embodiment, the aqueous precursor solution may include a solution in which an imidazole-based precursor is dissolved in a polar solvent.

극성 용매는 메탄올, 에탄올, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, tert-부탄올, n-부탄올, 아이소부탄올, 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, n-메틸-2-피롤리돈(NMP), 포름산, 니트로메탄, 아세트산 및 증류수로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.Polar solvents are methanol, ethanol, methoxyethanol, ethoxyethanol, propanol, isopropanol, tert-butanol, n-butanol, isobutanol, dimethylacetamide, dimethylformamide, n-methyl-2-pyrrolidone (NMP ), formic acid, nitromethane, acetic acid and distilled water may be at least one selected from the group consisting of.

일 구체예에 있어, 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체는 전구체 수용액에 4 내지 24시간동안 침지될 수 있고, 구체적으로 8 내지 20시간동안 침지될 수 있으며, 보다 구체적으로 10 내지 18시간동안 침지될 수 있다. 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체로부터 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체의 제조를 위해서는 상기 범위의 시간동안 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체가 전구체 수용액에 침지되는 것이 바람직하다.In one embodiment, the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) complex may be immersed in the precursor aqueous solution for 4 to 24 hours, specifically for 8 to 20 hours, and more specifically for 10 to 18 hours. can be immersed. For the preparation of a porous metal-organic framework containing zinc on a zinc substrate from a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite, the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite is immersed in an aqueous precursor solution for a time in the above range. it is preferable

산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체가 전구체 수용액에 침지되는 온도는 상온일 수 있으며 구체적으로 15 내지 30℃ 일 수 있고, 보다 구체적으로 20 내지 28℃ 일 수 있다.The temperature at which the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite is immersed in the aqueous precursor solution may be room temperature, specifically 15 to 30°C, and more specifically 20 to 28°C.

본 발명의 일 실시예에 있어, 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 후 세척하여 오븐에서 건조하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the method may include immersing the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite in an aqueous precursor solution, washing and drying in an oven.

오븐에서의 건조는 30 내지 200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 구체적으로 50 내지 150℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로 60 내지 100℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 건조 시간은 0.5 내지 10시간일 수 있고, 1 내지 5시간일 수 있으며, 2 내지 4시간일 수 있으나, 잔여 극성 용매가 제거되면 만족하므로 이에 제한되지 않는다.Drying in the oven may be carried out in a temperature range of 30 to 200 °C, specifically in a temperature range of 50 to 150 °C, and more specifically in a temperature range of 60 to 100 °C. The drying time may be 0.5 to 10 hours, may be 1 to 5 hours, may be 2 to 4 hours, but is not limited thereto because it is satisfactory when the residual polar solvent is removed.

산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체가 전구체 수용액에 침지되는 동안 산화아연 층은 전구체 수용액에 의해 에칭될 수 있고 산화아연 층에 포함된 산소 음이온은 전구체 수용액에서 탈수소화(deprotonation)된 전구체 음이온과 교체되어 아연 양이온이 전구체 수용액에서 탈수소화(deprotonation)된 전구체와 결합된 금속-유기물 골격체로 전환될 수 있다.While the zinc oxide-zinc oxide (ZnO/Zn) complex is immersed in the aqueous precursor solution, the zinc oxide layer can be etched by the aqueous precursor solution, and the oxygen anions contained in the zinc oxide layer are deprotonated in the aqueous precursor solution with the precursor anions. By replacement, the zinc cation can be converted into a metal-organic framework bound to the deprotonated precursor in the aqueous precursor solution.

본 발명의 일 실시예에 따라, 금속-유기물 골격체는 산화아연으로부터 기인한 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal-organic framework may be derived from zinc oxide.

이 때, 금속-유기물 골격체는 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 표면에서 직접적으로 성장하여 형성된 모놀리식 층(monolithic layer)일 수 있다.In this case, the metal-organic framework may be a monolithic layer formed by directly growing on the surface of a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite.

앞서 상술한 바와 같이, 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체가 전구체 수용액에 침지되는 동안 산화아연 층은 전구체 수용액에 의해 에칭 되고, 아연 층 표면에 존재하는 아연 양이온이 전구체 수용액에서 탈수소화(deprotonation)된 전구체와 결합하여 금속-유기물 골격체로 전환되면서 금속-유기물 골격체는 산화아연 층이 에칭된 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 표면에서 직접 성장할 수 있는 것이다.As described above, while the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) complex is immersed in the aqueous precursor solution, the zinc oxide layer is etched by the aqueous precursor solution, and zinc cations present on the surface of the zinc layer are dehydrogenated in the aqueous precursor solution (deprotonation). ) and converted into a metal-organic framework, the metal-organic framework can be grown directly on the surface of the zinc oxide-zinc oxide (ZnO/Zn) composite on which the zinc oxide layer is etched.

에칭된 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 표면에서 직접 성장하여 표면과 치밀하게 결합된 금속-유기물 골격체에 의해 아연-이온 전지용 애노드 전극은 아연 덴드라이트의 성장에 의해 발생될 수 있는 단락의 문제를 해결할 수 있고, 아연 부식과 같은 부작용을 방지할 수 있는 장점을 가질 수 있다.The anode electrode for zinc-ion batteries is a short circuit that can be caused by the growth of zinc dendrites by directly growing on the surface of the etched zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite and densely bonding the metal-organic framework with the surface. It can solve the problem of and can have the advantage of preventing side effects such as zinc corrosion.

또한, 금속-유기물 골격체는 에칭된 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 표면에서 컨포멀(confomal)하게 형성된 모놀리식 층(monolithic layer)일 수 있다.In addition, the metal-organic framework may be a monolithic layer conformally formed on the surface of the etched zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite.

본 발명의 일 실시예에 있어, 금속-유기물 골격체는 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework, ZIF)일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the metal-organic framework may be a zeolitic imidazolate framework (ZIF).

일 실시예로, 금속-유기물 골격체는 아연 금속 이온과 이미다졸레이트 리간드의 배열에 의해 제조된 결정질의 다공성 물질인 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체일 수 있다. 구체적으로 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체는 ZIF-8일 수 있다.In one embodiment, the metal-organic framework may be a zeolite-type imidazolate structure that is a crystalline porous material prepared by arranging zinc metal ions and an imidazolate ligand. Specifically, the zeolite-type imidazolate structure may be ZIF-8.

일 구체예로, 다공성 금속-유기물 골격체는 마이크로 기공을 포함할 수 있다. In one embodiment, the porous metal-organic framework may include micropores.

기공은 IUPAC의 정의에 의해 그 크기가 2nm 이하면 마이크로기공(microporous)으로 정의되고, 그 크기가 2 내지 50nm이면 메조기공(mesoporous)으로 정의되며, 그 크기가 50nm이상이면 매크로기공(macroporous)으로 정의된다.A pore is defined as microporous if its size is 2 nm or less according to the definition of IUPAC, is defined as mesoporous if its size is 2 to 50 nm, and macroporous if its size is 50 nm or more. Defined.

즉, 다공성 금속-유기물 골격체에 포함되는 기공의 크기는 0.01 내지 4nm 일 수 있고, 구체적으로 0.05 내지 2nm 일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.1 내지 2nm 일 수 있다. That is, the size of the pores included in the porous metal-organic framework may be 0.01 to 4 nm, specifically 0.05 to 2 nm, and more specifically 0.1 to 2 nm.

앞서 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 아연 기재의 일 표면에 산화아연이 형성된 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조한 후, 상기 복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 후 건조하는 습식화학(wet chemistry) 공정을 통하여 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체가 제조된 아연-이온 전지용 애노드 전극이 제조되는 방법을 제공하므로 종래대비 공정이 단순하고 경제적인 방법으로 소형 크기(small-scale) 뿐아니라, 대형 크기(large-scale)의 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공할 수 있는 장점을 지닌다. 즉, 제공될 수 있는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 면적이 제한되지 않으나, 일 예로, 아연-이온 전지용 애노드 전극의 면적은 0.001 내지 10000cm2 일 수 있고, 0.001 내지 5000cm2 일 수 있으며, 0.001 내지 2000cm2 일 수 있다.As described above, in the method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery according to an embodiment of the present invention, zinc oxide is formed on one surface of a zinc substrate by oxidizing one surface of a zinc substrate-zinc-zinc (ZnO/Zn) After preparing the composite, the anode electrode for a zinc-ion battery in which a porous metal-organic framework containing zinc is prepared on a zinc substrate through a wet chemistry process in which the composite is immersed in a precursor aqueous solution and dried Since it provides a method to be used, it has the advantage of being able to provide a zinc-ion battery anode electrode of not only small-scale, but also large-scale, in a simple and economical way compared to the prior art. That is, the zinc, which may be provided - but not the ion cell area of the anode limited, For example, zinc-ion battery, the area of the anode electrode is 0.001 to 10000cm can 2, 0.001 to 5000cm can 2, 0.001 to 2000cm It can be two.

본 발명의 일 양태에 따른 실시예로, 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법은 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 후 건조하여 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체(Zn-metal-organic framework, Zn-MOF)를 제조하는 단계 이 후에 열분해하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment according to an aspect of the present invention, in a method for manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery, a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) complex is immersed in an aqueous precursor solution and dried, and then a porous metal containing zinc on a zinc substrate. - It may further include the step of pyrolysis after the step of manufacturing the organic framework (Zn-metal-organic framework, Zn-MOF).

열분해는 1종 이상의 다른 물질로의 물질의 변환을 의미하는데 일 실시예로, 열분해 단계를 통하여 다공성 금속-유기물 골격체에 포함된 유기물을 탄소 함량이 풍부한 고체 잔류물로 변환시킬 수 있다.Pyrolysis refers to the conversion of a material into one or more other materials. In one embodiment, the organic material included in the porous metal-organic framework may be converted into a solid residue rich in carbon content through the pyrolysis step.

일 예로, 다공성 금속-유기물 골격체에 포함된 유기물은 전도성이 우수한 질소 도핑된 탄소로 변환될 수 있고, 이는 아연 전극에서 일어나는 아연 덴드라이트에 의한 단락의 문제를 해결하고, 아연 부식과 같은 부작용을 방지할 수 있는 동시에 사이클 수명, 높은 효율의 도금-스트립핑(plating-stripping) 성능 및 안전성이 우수한 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공할 수 있는 장점을 가질 수 있다.For example, the organic material included in the porous metal-organic framework can be converted into nitrogen-doped carbon having excellent conductivity, which solves the problem of short circuit caused by zinc dendrites occurring in the zinc electrode, and side effects such as zinc corrosion It can be prevented and can have the advantage of providing an anode electrode for a zinc-ion battery excellent in cycle life, high-efficiency plating-stripping performance, and safety.

열분해는 Ar 또는 N2 기체 분위기인 불활성 분위기에서 일어날 수 있고, 반응성 기체인 NH3, O2, 공기, CO2 또는 H2가 포함된 분위기에서 일어날 수 있음은 물론이다.Thermal decomposition may occur in an inert atmosphere that is an Ar or N 2 gas atmosphere, and may occur in an atmosphere containing reactive gases such as NH 3 , O 2 , air, CO 2 or H 2 .

구체예로, 열분해하는 단계는 H2 및 Ar 이 혼합된 기체 분위기에서 실시될 수 있고, 전체 기체의 부피에서 H2는 0.1 내지 10 부피%가 포함될 수 있고, 구체적으로 0.5 내지 10 부피%가 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로 1 내지 10 부피%가 포함될 수 있다.In an embodiment, the thermal decomposition may be carried out in a gas atmosphere in which H 2 and Ar are mixed, and in the total volume of the gas, H 2 may contain 0.1 to 10% by volume, specifically 0.5 to 10% by volume. It may be, and more specifically, 1 to 10% by volume may be included.

본 발명의 일 실시예에 있어, 열분해는 400 내지 900℃ 온도 범위에서 수행될 수 있고, 구체적으로 600 내지 900℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thermal decomposition may be carried out in a temperature range of 400 to 900 ℃, specifically, it may be carried out in a temperature range of 600 to 900 ℃.

아연 금속의 끊는점이 907℃이기 때문에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체의 열분해 과정 중 기화로 인한 아연의 손실을 막기 위해서는 상기 온도범위에서 열분해가 수행되는 것이 바람직하다.Since the boiling point of zinc metal is 907° C., in order to prevent loss of zinc due to vaporization during the thermal decomposition process of the porous metal-organic framework including zinc, the thermal decomposition is preferably performed in the above temperature range.

일 실시예로, 열분해시 가열속도(heating rate)는 20 내지 100 ℃/s일 수 있고, 바람직하게 40 내지 100 ℃/s일 수 있으며, 보다 바람직하게 50 내지 90 ℃/s일 수 있다.In one embodiment, the heating rate during thermal decomposition may be 20 to 100 °C/s, preferably 40 to 100 °C/s, and more preferably 50 to 90 °C/s.

일 구체예에 있어, 열분해는 1 내지 30분 동안 수행될 수 있고, 구체적으로 1 내지 20분 동안 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로 1 내지 10분 동안 수행될 수 있고, 보다 더 구체적으로 2 내지 8분 동안 수행될 수 있다.In one embodiment, the pyrolysis may be performed for 1 to 30 minutes, specifically for 1 to 20 minutes, more specifically for 1 to 10 minutes, and even more specifically for 2 to 8 minutes. can be performed for minutes.

상기 온도범위에서 열분해가 수행되더라도 열분해시 가열속도가 늦을 경우 아연 금속의 기화로 인한 아연의 손실이 발생할 수 있기 때문에 열분해는 상기 범위의 가열속도 및 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.Even if thermal decomposition is performed in the above temperature range, if the heating rate during thermal decomposition is slow, zinc loss due to vaporization of zinc metal may occur.

본 발명은 다른 일 양태에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극은 아연 금속 기재; 및 아연 금속 기재 상에 위치하고, 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층의 표면이 친수성인 것을 특징으로 하는 다공성 금속-유기물 골격체 층;을 포함한다.The anode electrode for a zinc-ion battery according to another aspect of the present invention includes a zinc metal substrate; and a porous metal-organic framework layer disposed on a zinc metal substrate and characterized in that the surface of the porous metal-organic framework layer containing zinc is hydrophilic.

상세하게, 친수성은 표면 젖음성(wettability)을 나타내는 척도인 수 접촉각(contact angle)으로 표현될 수 있다. 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층의 표면이 친수성인 것은 아연 금속 기재의 수 접촉각 대비 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층의 수 접촉각이 낮음을 의미할 수 있다.In detail, hydrophilicity may be expressed as a water contact angle, which is a measure of surface wettability. The hydrophilic surface of the porous metal-organic framework layer including zinc may mean that the water contact angle of the porous metal-organic framework layer including zinc is low compared to the water contact angle of the zinc metal substrate.

일 예로, 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층의 수 접촉각은 65 내지 90° 일 수 있고, 구체적으로 70 내지 90° 일 수 있으며, 보다 구체적으로 75 내지 85° 일 수 있다.For example, the water contact angle of the porous metal-organic framework layer including zinc may be 65 to 90°, specifically 70 to 90°, and more specifically 75 to 85°.

본 발명의 일 실시예에 있어, 친수성 금속-유기물 골격체 층은 하기 식 1을 만족할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the hydrophilic metal-organic framework layer may satisfy Equation 1 below.

(식 1)(Equation 1)

θ1 = xθ2 (1.1 ≤ x ≤ 1.4)θ 1 = xθ 2 (1.1 ≤ x ≤ 1.4)

이 때, 식 1의 θ1은 아연 금속 기재의 수 접촉각이고, θ2는 금속-유기물 골격체 층의 수 접촉각이다.In this case, θ 1 in Equation 1 is the water contact angle of the zinc metal substrate, and θ 2 is the water contact angle of the metal-organic framework layer.

구체적으로, x는 1.1 내지 1.4, 1.1 내지 1.3 또는 1.1 내지 1.2를 만족할 수 있다. Specifically, x may satisfy 1.1 to 1.4, 1.1 to 1.3, or 1.1 to 1.2.

아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층이 친수성의 특징을 가짐으로 인해 전해질 상의 이온이 아연-이온 전지용 애노드 전극으로 쉽게 접근할 수 있음을 의미하고, 이는 높은 효율의 도금-스트립핑(plating-stripping) 성능을 가진 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공할 수 있는 효과를 가질 수 있다. Because the porous metal-organic framework layer containing zinc has hydrophilic characteristics, it means that ions on the electrolyte can easily access the anode electrode for zinc-ion batteries, which results in high-efficiency plating-stripping (plating-stripping). stripping) may have the effect of providing an anode electrode for a zinc-ion battery having performance.

본 발명의 일 실시예에 있어, 아연 금속 기재의 두께는 10 내지 1000 μm일 수 있고, 구체적으로 100 내지 500 μm일 수 있으며, 보다 구체적으로 200 내지 300 μm일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the thickness of the zinc metal substrate may be 10 to 1000 μm, specifically 100 to 500 μm, more specifically 200 to 300 μm.

일 실시예로, 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층의 두께는 0.1 내지 100 μm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 80 μm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 내지 60 μm일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 20 내지 40 μm일 수 있다. In one embodiment, the thickness of the porous metal-organic framework layer comprising zinc may be 0.1 to 100 μm, preferably 1 to 80 μm, more preferably 10 to 60 μm, More preferably, it may be 20 to 40 μm.

앞서 상술한 바와 같이, 아연 금속 기재 상에 위치하는 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층은 아연 금속 기재의 표면과 치밀하게 결합되어 아연 금속 기재의 표면에서 컨포멀(confomal)하게 형성된 모놀리식 층(monolithic layer)일 수 있다.As described above, the porous metal-organic framework layer including zinc positioned on the zinc metal substrate is densely bonded to the surface of the zinc metal substrate to form a monolithic conformal on the surface of the zinc metal substrate. It may be a monolithic layer.

본 발명의 일 실시예로, 금속-유기물 골격체는 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework, ZIF)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal-organic framework may be a zeolitic imidazolate framework (ZIF).

본 발명의 일 실시예에 있어, 금속-유기물 골격체는 아연 금속 이온과 이미다졸레이트 리간드의 배열에 의해 제조된 결정질의 다공성 물질인 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체일 수 있다. 구체적으로 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체는 ZIF-8일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal-organic framework may be a zeolite-type imidazolate structure that is a crystalline porous material prepared by arranging zinc metal ions and an imidazolate ligand. Specifically, the zeolite-type imidazolate structure may be ZIF-8.

일 구체예로, 다공성 금속-유기물 골격체는 마이크로 기공을 포함할 수 있다. In one embodiment, the porous metal-organic framework may include micropores.

마이크로 기공(microporous)은 IUPAC의 정의에 의해 그 크기가 2nm 이하인 기공으로 정의된다.Micropores are defined as pores having a size of 2 nm or less by the definition of IUPAC.

일 예로, 다공성 금속-유기물 골격체에 포함되는 기공의 크기는 0.01 내지 2nm 일 수 있고, 구체적으로 0.05 내지 2nm 일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.1 내지 2nm 일 수 있다.For example, the size of the pores included in the porous metal-organic framework may be 0.01 to 2 nm, specifically 0.05 to 2 nm, and more specifically 0.1 to 2 nm.

이와같이, 아연-이온 전지용 애노드 전극이 다공성 금속-유기물 골격체를 포함함으로써 전해질에 포함된 이온은 다공성 금속-유기물 골격체층을 통과하여 확산될 수 있다. 이로 인해 아연-이온 전지용 애노드 전극에서 아연 덴드라이트의 형성을 최소화할 수 있고, 도금-스트립핑(plating-stripping) 사이클 동안에 균일한 전하 분포(uniform charge distribution)를 가능하게 할 수 있다. As such, since the anode electrode for a zinc-ion battery includes the porous metal-organic framework, ions included in the electrolyte may diffuse through the porous metal-organic framework layer. Due to this, it is possible to minimize the formation of zinc dendrites in the anode electrode for a zinc-ion battery, and to enable uniform charge distribution during a plating-stripping cycle.

본 발명은 또 다른 일 양태에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극은 아연 금속 기재; 및 아연 금속 기재 상에 위치하고, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층;을 포함한다.According to another aspect of the present invention, an anode electrode for a zinc-ion battery includes a zinc metal substrate; and a porous carbon layer disposed on the zinc metal substrate and doped with nitrogen.

구체적으로, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 금속-유기물 골격체를 열분해하여 제조된 것일 수 있다. 금속-유기물 골격체에 포함된 유기물이 열분해되어 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층으로 변환됨으로써 제조된 것일 수 있다.Specifically, the porous carbon layer doped with nitrogen may be prepared by thermally decomposing a metal-organic framework. It may be prepared by thermal decomposition of an organic material included in the metal-organic framework to be converted into a porous carbon layer doped with nitrogen.

일 예로, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 1 내지 40 원자%의 질소를 함유할 수 있고, 구체적으로 5 내지 30 원자%의 질소를 함유할 수 있으며, 보다 구체적으로 5 내지 25 원자%의 질소를 함유할 수 있고, 보다 더 구체적으로 10 내지 20 원자%의 질소를 함유할 수 있다.For example, the porous carbon layer doped with nitrogen may contain 1 to 40 atomic % nitrogen, specifically 5 to 30 atomic % nitrogen, and more specifically 5 to 25 atomic % nitrogen may contain, and more specifically, may contain 10 to 20 atomic% of nitrogen.

일 구체예로, 도핑된 질소는 피리딘-유사(pyridinic-N) 배열을 가지는 질소 유형, 피롤-유사(pyrrolic-N) 배열을 가지는 질소 유형, 그라파이트-유사(graphitic-N) 배열을 가지는 질소 유형 및 산화질소에서 선택되는 1종 이상의 질소 유형을 포함할 수 있다.In one embodiment, the doped nitrogen is a nitrogen type having a pyridinic-N configuration, a nitrogen type having a pyrrolic-N configuration, a nitrogen type having a graphitic-N configuration and at least one nitrogen type selected from nitric oxide.

본 발명의 일 실시예에 있어, 도핑된 질소는 피리딘-유사(pyridinic-N) 배열을 가지는 질소 유형을 20 내지 90 원자% 포함할 수 있고, 구체적으로 30 내지 90 원자% 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 40 내지 90 원자% 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the doped nitrogen may contain 20 to 90 atomic %, specifically 30 to 90 atomic %, of a nitrogen type having a pyridine-like (pyridinic-N) arrangement, more Specifically, it may include 40 to 90 atomic%.

이 때, 다공성의 탄소층에 도핑된 질소 사이트는 아연 양이온을 수용할 수 있고, 전극 표면으로의 이동을 쉽게하는 효과를 가질 수 있다. 또한, 균일한 전하 분포(uniform charge distribution)를 가능하게 하여 아연 덴드라이트의 형성을 효과적으로 억제하는 장점을 갖는다.At this time, the nitrogen site doped in the porous carbon layer may accommodate zinc cations and may have the effect of facilitating movement to the electrode surface. In addition, it has the advantage of effectively suppressing the formation of zinc dendrites by enabling uniform charge distribution.

본 발명의 일 실시예에 있어, 아연 금속 기재의 두께는 10 내지 1000 μm일 수 있고, 구체적으로 100 내지 500 μm일 수 있으며, 보다 구체적으로 200 내지 300 μm일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the thickness of the zinc metal substrate may be 10 to 1000 μm, specifically 100 to 500 μm, more specifically 200 to 300 μm.

일 실시예로, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 두께는 0.1 내지 100 μm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 80 μm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 내지 60 μm일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 20 내지 40 μm일 수 있다. In one embodiment, the thickness of the porous carbon layer doped with nitrogen may be 0.1 to 100 μm, preferably 1 to 80 μm, more preferably 10 to 60 μm, even more preferably For example, it may be 20 to 40 μm.

본 발명의 일 실시예에 있어, 다공성의 탄소 층은 다공성의 불규칙(disordered) 흑연질 탄소(graphitic carbon) 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon layer may be porous disordered graphitic carbon.

일 구체예로, 다공성의 탄소 층은 매크로 기공을 포함할 수 있다.In one embodiment, the porous carbon layer may include macropores.

매트로 기공은 IUPAC의 정의에 의해 그 크기가 50nm 이상인 기공을 의미할 수 있고, 일 예로, 다공성의 탄소 층에 포함되는 기공의 크기는 60nm 내지 5μm 일 수 있고, 구체적으로 100nm 내지 3μm 일 수 있으며, 보다 구체적으로 500nm 내지 2μm 일 수 있다.The macropore may mean pores having a size of 50 nm or more by the definition of IUPAC, and for example, the size of the pores included in the porous carbon layer may be 60 nm to 5 μm, and specifically 100 nm to 3 μm. , more specifically 500 nm to 2 μm.

본 발명의 일 실시예에 있어, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 표면은 친수성일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the surface of the porous carbon layer doped with nitrogen may be hydrophilic.

상세하게, 친수성은 표면 젖음성(wettability)을 나타내는 척도인 수 접촉각(contact angle)으로 표현될 수 있다. 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 표면이 친수성인 것은 아연 금속 기재의 수 접촉각 대비 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 수 접촉각이 낮음을 의미할 수 있다.In detail, hydrophilicity may be expressed as a water contact angle, which is a measure of surface wettability. The fact that the surface of the porous carbon layer doped with nitrogen is hydrophilic may mean that the water contact angle of the porous carbon layer doped with nitrogen is lower than the water contact angle of the zinc metal substrate.

일 예로, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 수 접촉각은 10 내지 90° 일 수 있고, 구체적으로 15 내지 70° 일 수 있으며, 보다 구체적으로 20 내지 50° 일 수 있다.For example, the water contact angle of the porous carbon layer doped with nitrogen may be 10 to 90°, specifically 15 to 70°, and more specifically 20 to 50°.

본 발명의 일 실시예에 있어, 친수성 금속-유기물 골격체 층은 하기 식 2를 만족할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the hydrophilic metal-organic framework layer may satisfy Equation 2 below.

(식 2)(Equation 2)

θ1 = xθ2 (1.5 ≤ x ≤ 4.0)θ 1 = xθ 2 (1.5 ≤ x ≤ 4.0)

이 때, 식 2의 θ1은 아연 금속 기재의 수 접촉각이고, θ2는 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 수 접촉각이다.In this case, θ 1 in Equation 2 is the water contact angle of the zinc metal substrate, and θ 2 is the water contact angle of the porous carbon layer doped with nitrogen.

구체적으로, x는 1.5 내지 4.0, 1.7 내지 4.0 또는 2.0 내지 4.0를 만족할 수 있다. Specifically, x may satisfy 1.5 to 4.0, 1.7 to 4.0, or 2.0 to 4.0.

질소가 도핑된 다공성의 탄소 층이 친수성의 특징을 가짐으로 인해 전해질 상의 이온이 아연-이온 전지용 애노드 전극으로 쉽게 접근할 수 있음을 의미하고, 이는 높은 효율의 도금-스트립핑(plating-stripping) 성능을 가진 아연-이온 전지용 애노드 전극을 제공할 수 있는 효과를 가질 수 있다.Since the porous carbon layer doped with nitrogen has hydrophilic characteristics, it means that ions on the electrolyte can easily access the anode electrode for zinc-ion batteries, which results in high-efficiency plating-stripping performance. It may have the effect of providing an anode electrode for a zinc-ion battery having a.

앞서 상술한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 양태에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극이 아연 금속 기재; 및 아연 금속 기재 상에 위치하고, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층;을 포함함으로써, 아연-이온 전지용 애노드 전극은 아연-이온 전지용 애노드 전극에 포함된 질소함량, 다공성 및 친수성의 특징으로 인해 아연 덴드라이트의 형성을 효과적으로 억제하여 아연의 도금-스트립핑(plating-stripping)성능이 우수한 가역성을 바탕으로 아연-이온 전지의 사이클 수명을 향상 시키는 장점을 제공할 수 있다.As described above, the anode electrode for a zinc-ion battery according to another aspect of the present invention includes a zinc metal substrate; and a porous carbon layer disposed on a zinc metal substrate and doped with nitrogen; by including, the anode electrode for a zinc-ion battery is a zinc dendrite due to the nitrogen content, porosity and hydrophilicity contained in the anode electrode for a zinc-ion battery It can provide the advantage of improving the cycle life of zinc-ion batteries based on the excellent reversibility of zinc plating-stripping performance by effectively inhibiting the formation of zinc-ion batteries.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Experimental Examples.

(실시예 1)(Example 1)

지름 8mm 및 250μm 두께의 아연 호일(Zn foil)의 한 면을 캡톤(Kapton) 테이프를 부착한 후 1M의 과황산암모늄(ammonium persulfate, APS) 수용액에 10분 동안 침지시킨 다음 탈이온수로 세척하여 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조하였다. 이어서, 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 0.5M의 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole, HMIM)을 포함하는 수용액에 14시간 동안 침지 시킨 후 탈이온수로 세척하였다. 이 후, 80℃의 오븐에서 3시간 동안 건조하여 아연 호일 상에 위치하는 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체를 제조하였으며, 이를 ZIF-8/Zn으로 명명하였다.After attaching Kapton tape to one side of a Zn foil with a diameter of 8mm and a thickness of 250μm, it is immersed in 1M ammonium persulfate (APS) aqueous solution for 10 minutes and then washed with deionized water to oxidize. A zinc-zinc (ZnO/Zn) composite was prepared. Then, the zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) complex was immersed in an aqueous solution containing 0.5 M 2-methylimidazole (HMI) for 14 hours and washed with deionized water. Thereafter, it was dried in an oven at 80° C. for 3 hours to prepare a porous metal-organic framework containing zinc positioned on a zinc foil, which was named ZIF-8/Zn.

(실시예 2)(Example 2)

실시예 1의 ZIF-8/Zn을 목표온도까지 10초 만에 도달하는 실험실에서 구축한 노(furncae)에서 H2 및 Ar 이 혼합된 기체 분위기 하에 650℃의 온도로 열분해하였다. 이 때, 혼합된 기체 분위기에서 5 부피%의 H2 가 포함되었다. ZIF-8/Zn을 5분 동안 열분해를 수행하여 제조하였으며, 이를 C-650/Zn으로 명명하였다.ZIF-8/Zn of Example 1 was pyrolyzed at a temperature of 650° C. under a gas atmosphere in which H 2 and Ar were mixed in a furnace built in a laboratory that reached the target temperature in 10 seconds. At this time, 5% by volume of H 2 was included in the mixed gas atmosphere. ZIF-8/Zn was prepared by pyrolysis for 5 minutes, which was named C-650/Zn.

(실시예 3)(Example 3)

실시예 2와 동일하게 제조하되, 750℃의 온도로 열분해하여 제조하였으며, 이를 C-750/Zn으로 명명하였다.It was prepared in the same manner as in Example 2, but was prepared by thermal decomposition at a temperature of 750° C., which was named C-750/Zn.

(실시예 4)(Example 4)

실시예 2와 동일하게 제조하되, 840℃의 온도로 열분해하여 제조하였으며, 이를 C-840/Zn으로 명명하였다.It was prepared in the same manner as in Example 2, but was prepared by thermal decomposition at a temperature of 840° C., which was named C-840/Zn.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

실시예 1에서 사용된 지름 8mm 및 250μm 두께의 아연 호일(Zn foil)의 한 면을 캡톤(Kapton) 테이프를 부착한 아연이며, 이를 Zn으로 명명하였다.One side of the zinc foil having a diameter of 8 mm and a thickness of 250 μm used in Example 1 was zinc attached with a Kapton tape, and this was named Zn.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

실시예 1과 동일하게 제조하되, 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 제조까지만 수행하였으며, 이를 ZnO/Zn로 명명하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that only a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite was prepared, which was named ZnO/Zn.

일 예로, 본 발명은 대형 크기의 애노드 전극을 습식화학 공정을 이용하여 경제적으로 제조할 수 있고, 도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 1350cm2의 전극 면적을 갖는 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 실제 광학 사진을 도시한 도면이다.In one embodiment, the present invention Comparative Example 1, Comparative Example 2 and having an electrode area larger the anode electrode of the size can be economically produced using wet chemical processes, is also 1a, 1b and 1c, respectively 1350cm 2 It is a figure which shows the actual optical photograph of Example 1.

(실험예 1) 제조된 아연-이온 전지용 애노드 전극의 형상, 구조 및 표면 화학적 상태(chemical state) 분석(Experimental Example 1) Analysis of shape, structure, and surface chemical state of the prepared anode electrode for zinc-ion batteries

제조된 아연-이온 전지용 애노드 전극의 형상, 구조 및 표면의 화학적 상태는 주사전자현미경(SEM, Verios 460, FEI), 10 내지 80° 2θ 범위에서 X- 선 회절(XRD, Rigaku Smartlab, 40 kV, 200 mA, Cu-Kα 방사선, λ = 0.15418 nm), 라만분광법(WITec GmbH Raman microscope, 1mW power, 532nm laser) 및 X선 광전자 분광법(XPS, ThermoFisher, K-alpha)에 의해 확인되었다.The shape, structure, and chemical state of the surface of the prepared anode electrode for a zinc-ion battery were analyzed by scanning electron microscopy (SEM, Verios 460, FEI), X-ray diffraction in the range of 10 to 80° 2θ (XRD, Rigaku Smartlab, 40 kV, 200 mA, Cu-Kα radiation, λ = 0.15418 nm), Raman spectroscopy (WITec GmbH Raman microscope, 1 mW power, 532 nm laser) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ThermoFisher, K-alpha).

도 2a는 비교예 1로부터 순차적으로 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 2 내지 4가 제조되는 모식도를 나타낸 것이다.Figure 2a shows a schematic diagram in which Comparative Example 2, Examples 1, and Examples 2 to 4 are sequentially prepared from Comparative Example 1.

도 2b1, 도 2b2, 도 2b3, 도 2b4, 도 2b5 및 도 2b6은 각각 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 SEM 이미지를 도시한 것이고, 도 2c는 각각 샘플의 광학 사진을 도시한 도면이다.2b1, 2b2, 2b3, 2b4, 2b5 and 2b6 show SEM images of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3 and Example 4, respectively; 2C is a diagram showing an optical photograph of each sample.

도 2b에 나타난 바와 같이, 각각의 전극은 연속적이고 균일한 표면의 특성을 나타냄을 확인하였고, 특히, 실시예 2 내지 4는 매크로 기공을 포함하는 다공성의 표면이 확인되었다.As shown in FIG. 2B , it was confirmed that each electrode exhibited a continuous and uniform surface characteristic, and in particular, Examples 2 to 4 showed a porous surface including macropores.

도 2d1, 도 2d2 및 도 2d3는 각각 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 3의 단면 SEM 이미지 및 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS) 원소 맵핑 이미지를 도시한 도면으로 비교예 2(ZnO/Zn)는 Zn 및 O 원소가 균일하게 분포되어 있음을 확인하였고, 실시예 1(ZIF-8/ZnO)은 O 원소의 분포가 Zn, C 및 N 원소 대비 낮음이 확인되었으며, 이는, ZIF-8 층의 형성은 ZnO 층의 화학적 에칭으로부터 기인됨을 알 수 있다. 추가적으로 실시예 3(C-750/Zn)의 경우는 Zn, C, O 및 N의 원소가 균일하게 분포되어 있음을 확인하였다.2d1, 2d2, and 2d3 are cross-sectional SEM images and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) element mapping images of Comparative Example 2, Example 1 and Example 3, respectively. Comparative Example 2 (ZnO/ Zn) confirmed that Zn and O elements were uniformly distributed, and in Example 1 (ZIF-8/ZnO), it was confirmed that the distribution of O elements was lower than that of Zn, C and N elements, which It can be seen that the formation of the layer results from the chemical etching of the ZnO layer. Additionally, in the case of Example 3 (C-750/Zn), it was confirmed that the elements of Zn, C, O and N were uniformly distributed.

EDS로부터 측정된 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 화학 조성은 하기 표 1에 정리하였다.Chemical compositions of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 measured from EDS are summarized in Table 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

제조된 각각의 애노드 전극은 XRD 분석을 수행하여 분석하였다. 도 3a는 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 측정된 XRD 패턴을 도시한 도면이고, 도 3b는 ZIF-8의 XRD 패턴을 시뮬레이션 한 도면이다.Each prepared anode electrode was analyzed by performing XRD analysis. 3A is a view showing the measured XRD patterns of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3 and Example 4, and FIG. 3B is a view simulating the XRD pattern of ZIF-8. am.

제조된 각각의 애노드 전극 모두 36.4°, 39.2° 및 43.8°에서 각각 (002), (100) 및 (101) 면에 해당하는 Zn의 특성 피크가 관찰되었고, 실시예 1의 경우, 5 내지 30°의 범위에서 특정 피크가 관찰되었는데 이는, 시뮬레이션한 ZIF-8의 피크와 일치함을 확인하였다. Characteristic peaks of Zn corresponding to (002), (100) and (101) planes were observed at 36.4°, 39.2°, and 43.8°, respectively, for each of the prepared anode electrodes, and in the case of Example 1, 5 to 30° A specific peak was observed in the range of , which was confirmed to be consistent with the simulated peak of ZIF-8.

또한, 실시예 2에서 관찰된 7.5°에서의 약한 피크로부터 ZIF-8의 탄소화가 일부 진행되었음을 알 수 있고, 실시예 3 내지 4에서는 ZIF-8의 피크와 유사한 피크가 관찰되지 않음에 따라 ZIF-8이 완전히 분해되었고, 질소가 도핑된 탄소구조가 형성되었음을 확인하였다.In addition, it can be seen from the weak peak at 7.5° observed in Example 2 that some carbonization of ZIF-8 progressed, and in Examples 3 to 4, a peak similar to that of ZIF-8 was not observed, so ZIF- 8 was completely decomposed, and it was confirmed that a carbon structure doped with nitrogen was formed.

제조된 각각의 애노드 전극의 구조는 라만분광법을 수행하여 추가 분석하였다.The structure of each prepared anode electrode was further analyzed by performing Raman spectroscopy.

도 4는 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 라만스펙트럼을 도시한 도면이다.4 is a view showing Raman spectra of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4;

도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1에서 관찰된 563cm-1에서의 라만 밴드는 산소 공공(vacancy)과 관련된 ZnO에서 A1(LO) 포논(phonon) 모드에 의한 것이고, 686, 1145 및 1459cm-1에서의 라만 밴드는 각각 이미다졸 링의 변형, C-N 스트레칭(stretching) 및 C-H 면의 밴딩(bending)으로부터 기인한 것이다. 추가적으로, C=C 스트레칭으로부터 기인한 라만 밴드는 1505cm-1에서 관찰됨을 확인하였다. 2928 및 3134cm-1에서 관찰된 라만 밴드는 C-H 스트레칭에 의한 것으로 각각 메틸 및 이미다졸 작용기의 결합에 의한 것이다.As shown in Fig. 4, the Raman band at 563 cm −1 observed in Example 1 is due to the A 1 (LO) phonon mode in ZnO related to oxygen vacancy, 686, 1145 and 1459 cm. The Raman bands at −1 result from deformation of the imidazole ring, CN stretching and bending of the CH plane, respectively. Additionally, it was confirmed that the Raman band resulting from the C=C stretching was observed at 1505 cm −1 . The Raman bands observed at 2928 and 3134 cm −1 are due to CH stretching and are due to bonding of methyl and imidazole functional groups, respectively.

실시예 2 내지 4에서는 ZnO와 ZIF-8과 관련된 라만 밴드가 관찰되지 않았고, 1328 및 1582cm-1에서 각각 D 및 G 밴드가 존재함을 확인하였다. 이로부터 다공성의 불규칙(disorderd) 흑연질 탄소(graphitic carbon)가 형성되었음을 알 수 있다.In Examples 2 to 4, Raman bands related to ZnO and ZIF-8 were not observed, and it was confirmed that D and G bands were present at 1328 and 1582 cm -1 , respectively. From this, it can be seen that porous and disordered graphitic carbon was formed.

제조된 각각의 애노드 전극 표면의 화학적 상태는 XPS 분석을 통해 수행하였다. The chemical state of the surface of each prepared anode electrode was performed through XPS analysis.

도 5는 각각 애노드 전극의 XPS 서베이 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 앞선 ESD의 결과와 동일하게 Zn, O, N 및 C 원소가 존재함을 확인하였다.5 is a diagram illustrating XPS survey spectra of an anode electrode, respectively. As shown in FIG. 5 , it was confirmed that Zn, O, N and C elements were present in the same manner as the previous ESD results.

도 6은 실시예 1 내지 4에서 관찰된 C1s 피크의 고분해능(high-resolution) 스펙트럼을 도시한 도면이다.6 is a diagram showing high-resolution spectra of the C1s peak observed in Examples 1 to 4;

실시예 1의 경우 284.5 및 285.7eV에서 관찰된 피크로부터 각각 C-C 및 C-N 결합이 존재함을 확인하였고, 실시예 2 내지 4의 287.7eV에서 관찰된 피크로부터 C-O 및 C=O 결합의 존재를 확인하였다. 이러한 산소와의 결합이 존재하는 것은 ZIF-8이 분해되면서 잔류한 산소, ZnO로부터 불완전하게 변환된 ZiF-8에 포함된 산소 및 실시예 2 내지 4의 샘플의 핸들링 과정 중 공기 중 포함된 산소로부터 기인한 것일 수 있다.In the case of Example 1, it was confirmed that CC and CN bonds were present from the peaks observed at 284.5 and 285.7 eV, respectively, and the presence of CO and C = O bonds was confirmed from the peaks observed at 287.7 eV in Examples 2 to 4. . The presence of such a bond with oxygen is derived from oxygen remaining during the decomposition of ZIF-8, oxygen contained in ZiF-8 incompletely converted from ZnO, and oxygen contained in the air during the handling process of the samples of Examples 2 to 4 may be due to

실시예 1 내지 4에서 관찰된 C1s 피크의 디컨볼루션된 스펙트럼의 피크가 위치하는 바인딩 에너지와 조성은 하기 표 2에 나타내었다.The binding energy and composition at which the peaks of the deconvolved spectra of the C1s peaks observed in Examples 1 to 4 are located are shown in Table 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

도 7은 실시예 1 내지 4에서 관찰된 N1s 피크의 고분해능(high-resolution) 스펙트럼을 도시한 도면이다.7 is a diagram showing high-resolution spectra of the N1s peak observed in Examples 1 to 4;

도 7에 나타난 바와 같이, 질소는 피리딘-유사(pyridinic-N) 배열을 가지는 질소 유형 및 그라파이트-유사(graphitic-N) 배열을 가지는 질소 유형을 가짐을 확인하였고 N1s 피크의 디컨볼루션된 스펙트럼의 피크가 위치하는 바인딩 에너지와 조성은 하기 표 3에 나타내었다.As shown in FIG. 7 , it was confirmed that nitrogen has a nitrogen type having a pyridinic-N arrangement and a nitrogen type having a graphitic-N arrangement, and the deconvolved spectrum of the N1s peak is The binding energy and composition at which the peak is located are shown in Table 3 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

(실험예 2) 제조된 아연 애노드 전극의 wettability 확인 (Experimental Example 2) Confirmation of wettability of the prepared zinc anode electrode

아연의 도금-스트립핑(plating-stripping) 사이클 중 아연의 균일한 도금막 형성을 위해 필요한 제조된 각각의 전극 표면의 젖음성을 평가하였다. 젖음성의 평가는 수 접촉각(contact angle)을 측정하여 평가하였고 수 접촉각은 SEO Phoenix-I 시스템을 이용하여 측정하였다.During the zinc plating-stripping cycle, the wettability of the surface of each prepared electrode required for the formation of a uniform zinc plating film was evaluated. Wettability was evaluated by measuring the water contact angle, and the water contact angle was measured using the SEO Phoenix-I system.

도 8은 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 수 접촉각을 도시한 도면이다.8 is a view showing the water contact angle of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4.

도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4는 비교예 1 및 비교예 2 대비 낮은 수 접촉각을 가짐을 확인하였고 실시예 1 내지 4의 전극 표면이 친수성을 지닌 표면으로 개질되었음을 확인 하였다.As shown in FIG. 8 , it was confirmed that Examples 1 to 4 had a lower water contact angle compared to Comparative Examples 1 and 2, and it was confirmed that the electrode surfaces of Examples 1 to 4 were modified to have hydrophilic properties.

실시예 1 내지 4의 전극 표면이 친수성의 특성을 지님에 따라 전해질 상의 이온이 아연-이온 전지용 애노드 전극으로 쉽게 접근할 수 있음을 의미하고, 이는 높은 효율의 도금-스트립핑(plating-stripping) 성능을 가질 뿐 아니라, 균일한 도금막을 형성할 수 있어 아연 덴드라이트의 형성을 효과적으로 억제할 수 있다.As the electrode surfaces of Examples 1 to 4 have hydrophilic properties, it means that ions on the electrolyte can easily access the anode electrode for a zinc-ion battery, which is a high-efficiency plating-stripping performance In addition to having a , it is possible to form a uniform plating film, it is possible to effectively suppress the formation of zinc dendrites.

(실험예 3) 제조된 아연 애노드 전극의 전기화학적 특성 확인 (Experimental Example 3) Confirmation of electrochemical properties of the prepared zinc anode electrode

애노드 전극의 도금-스트립핑(plating-stripping) 성능 시험은 2전극(two-electrode) 및 3전극(three-electrode) 실험에 의해 수행되었다.The plating-stripping performance test of the anode electrode was performed by two-electrode and three-electrode experiments.

먼저, 2전극 실험에서 스테인리스 스틸 전류 수집기(current collector)를 상대전극으로 적용하였고, 실험은 1M의 ZnSO4 수계 전해액에서 수행되었다.First, in the two-electrode experiment, a stainless steel current collector was applied as a counter electrode, and the experiment was performed in 1M ZnSO 4 aqueous electrolyte solution.

도 9a는 2전극 실험에서 0.2mV/s의 주사속도로 진행한 순환 전압 전류곡선(cyclic voltammetry, CV)의 프로파일을 도시한 도면이다. 도 9a에 나타나바와 같이, 모든 애노드 전극은 유사한 CV 프로파일을 가짐을 확인하였고, 높은 전류 밀도를 제공함을 확인하였으며, 이로부터 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 전극은 애노드 전극의 재료로써 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다.9A is a diagram illustrating a profile of a cyclic voltammetry (CV) curve performed at a scan rate of 0.2 mV/s in a two-electrode experiment. As shown in Fig. 9a, it was confirmed that all anode electrodes had a similar CV profile, and it was confirmed that they provided a high current density, from which Comparative Examples 1, 2, Example 1, Example 2, and Example 3 And it can be seen that the electrode of Example 4 has excellent performance as a material of the anode electrode.

또한, Zn 호일을 기준전극으로, 흑연(graphite) 호일을 상대전극으로 구성한 3전극 시스템에서 애노드 전극의 CV 프로파일을 측정하였다. 실험은 1M의 ZnSO4 수계 전해액에서 0 내지 2V 범위내에서 20mV/s의 주사속도로 300사이클 동안 반복하여 측정하였다. 그 결과, 모든 애노드 전극이 동일한(identical) CV 프로파일을 보임을 확인하였다(도 9b).In addition, the CV profile of the anode electrode was measured in a three-electrode system comprising a Zn foil as a reference electrode and a graphite foil as a counter electrode. The experiment was repeated for 300 cycles at a scanning rate of 20 mV/s within the range of 0 to 2V in 1M of ZnSO 4 aqueous electrolyte. As a result, it was confirmed that all anode electrodes showed the same (identical) CV profile (FIG. 9b).

추가적으로, 비교예 1 및 실시예 4의 애노드 전극의 동시 비교를 위하여 실시예 4를 제조함에있어, 아연 호일(Zn foil)의 중앙 부분을 캡톤(Kapton) 테이프를 부착한 후 개조된 애노드 전극을 제조하였다. 도 9c는 개조된 애노드 전극의 모식도이고, 도 9d는 개조된 애노드 전극의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. Additionally, in preparing Example 4 for simultaneous comparison of the anode electrodes of Comparative Examples 1 and 4, a modified anode electrode was prepared after attaching a Kapton tape to the central part of the zinc foil did. Fig. 9c is a schematic diagram of a modified anode electrode, and Fig. 9d shows an SEM image of the modified anode electrode.

즉, 비교예 1(Zn) 및 실시예 4(C-840/Zn)가 공존(co-existance)하는 애노드 전극을 앞서 실시한 3전극 시스템과 동일한 방법으로 300사이클 동안 반복 실험 후 모폴로지의 변화를 분석하였다(도 9e).That is, the anode electrode in which Comparative Example 1 (Zn) and Example 4 (C-840 / Zn) co-existance was analyzed in the same way as the three-electrode system performed above, after repeated experiments for 300 cycles. (Fig. 9e).

도 9e에 도시된 바와 같이, 개조된 전극의 중앙 부분 즉, Zn 영역은 상대적으로 큰 사이즈의 날카로운 아연 플레이크(flake)의 형성이 관찰된 반면, 개조된 전극의 외곽 부분 즉, C-840/Zn 영역은 덴드라이트형의 아연 플레이크의 성장은 관찰되지 않았으며, 이로부터 실시예 4(C-840/Zn)는 아연 덴드라이트의 성장 억제 및 아연 부식으로부터의 보호에 있어 우수한 효과가 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 9E , formation of sharp zinc flakes of relatively large size was observed in the central portion of the modified electrode, that is, the Zn region, while the outer portion of the modified electrode, that is, C-840/Zn In the region, the growth of dendrite-type zinc flakes was not observed, and from this, it can be seen that Example 4 (C-840/Zn) had an excellent effect in inhibiting the growth of zinc dendrites and protecting from zinc corrosion. have.

(실험예 4) 제조된 아연 애노드 전극의 장기적인(long-term) 전기화학적 성능 및 안정성 확인 (Experimental Example 4) Confirmation of long-term electrochemical performance and stability of the prepared zinc anode electrode

2M의 ZnSO4 전해액에서 대칭 셀(symmetrical cell)을 이용하여 애노드 전극의 장기적인(long-term) 전기화학적 성능 및 안정성을 조사하였다. 도 10a 및 도 10b는 1 내지 10mA/cm2 범위의 전류밀도와 1 내지 10mAh/cm2의 용량(capacity) 범위에서 각각의 애노드 전극의 사이클 안정성을 나타내는 도면이다.Long-term electrochemical performance and stability of the anode electrode were investigated using a symmetrical cell in 2M ZnSO 4 electrolyte. 10A and 10B are diagrams showing the cycle stability of each anode electrode in a current density ranging from 1 to 10 mA/cm 2 and a capacity ranging from 1 to 10 mAh/cm 2 .

아연 도금-스트립핑(plating-stripping)의 200 사이클 동안에 1mA/cm2 전류밀도 및 1mAh/cm2의 용량에서 Zn 셀(Zn ∥ Zn)은 작은 전압 파동(fluctuation)이 관찰되었고, 비교예 2 및 실시예 1 내지 4로 구성된 각각의 대칭 셀은 높은 안정성을 가짐을 확인하였다. 전류밀도를 2mA/cm2 로 증가하였을 때, Zn 셀은 단락(short circuit)이 일어났고, 150사이클 이후에 전지 불량(fail)이 일어남을 확인하였다. 반면에 다른 애노드 전극으로 구성된 각각의 대칭 셀은 여전히 높은 안정성을 나타내었다.During 200 cycles of zinc plating-stripping, small voltage fluctuations were observed in the Zn cells (Zn | Zn) at a current density of 1 mA/cm 2 and a capacity of 1 mAh/cm 2 , Comparative Example 2 and It was confirmed that each of the symmetric cells of Examples 1 to 4 had high stability. When the current density was increased to 2mA/cm 2 , a short circuit occurred in the Zn cell, and it was confirmed that the battery failed after 150 cycles. On the other hand, each symmetrical cell composed of different anode electrodes still showed high stability.

5mA/cm2의 높은 전류 밀도에서는 Zn 셀은 75 사이클 이 후에 fail이 일어났고, ZnO/Zn 셀은 162 사이클 이 후에 fail이 일어났으나, 실시예 1 내지 4로 구성된 각각의 대칭 셀은 여전히 높은 안정성을 보임을 확인하였다.At a high current density of 5mA/cm 2 , the Zn cell failed after 75 cycles, and the ZnO/Zn cell failed after 162 cycles. It was confirmed that stability was shown.

전류밀도를 10mA/cm2로 증가하였을 때, Zn 셀은 열위한 전기화학적 성능을 보이고, 72 사이클 이 후에 단락이 확인되었으며, ZnO/Zn 셀은 162 사이클 이 후에 fail이 일어났다. 반면에, 실시예 1 내지 2는 작은 분극(polarization)의 증가가 관찰되었으나, 높은 안정성을 보였고, 실시예 3 내지 4는 여전히 높은 안정성을 가짐을 확인하였다. 이와같이, 실시예 1 내지 4로 구성된 각각의 대칭 셀은 비교예 1 이나 비교예 2로 구성된 대칭 셀 대비 높은 안정성을 가짐을 알 수 있다.When the current density was increased to 10mA/cm 2 , the Zn cell showed thermal electrochemical performance, a short circuit was confirmed after 72 cycles, and the ZnO/Zn cell failed after 162 cycles. On the other hand, Examples 1 and 2 showed a small increase in polarization, but showed high stability, and it was confirmed that Examples 3 to 4 still had high stability. As such, it can be seen that each of the symmetric cells of Examples 1 to 4 has higher stability than the symmetric cells of Comparative Example 1 or Comparative Example 2.

추가적으로, 아연 도금-스트립핑(plating-stripping)의 사이클 이후의 각각의 애노드 전극 표면의 모폴로지를 관찰하였다.Additionally, the morphology of each anode electrode surface after a cycle of plating-stripping was observed.

도 11a, 도 11b, 도 11c, 도 11d, 도 11e 및 도 11f는 각각 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4로 구성된 각각의 대칭 셀의 아연 도금-스트립핑(plating-stripping)의 사이클 이 후에 측정된 각각의 애노드 전극의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.11A, 11B, 11C, 11D, 11E, and 11F show the zinc of each symmetric cell composed of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Example 3 and Example 4, respectively. It is a diagram showing an SEM image of each anode electrode measured after a plating-stripping cycle.

도 11a에 도시된 바와 같이, 사이클 이 후의 비교예 1은 큰 사이즈의 날카로운 아연 플레이크로 표면을 갖는 모폴로지가 관찰되었고, 비교예 2의 표면 역시 아연 플레이크의 형성이 관찰되었으며(도 11b), 이는, 대칭 셀에서 단락을 유도하고 결국에는 대칭 셀의 fail이 일어나 안정적이지 못하다는 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 11a, after the cycle, Comparative Example 1 had a morphology having a surface with large-sized sharp zinc flakes, and the surface of Comparative Example 2 was also observed to form zinc flakes (Fig. 11b), which was, It can be seen that a short circuit is induced in the symmetric cell and eventually the symmetric cell fails, which is not stable.

이와는 대조적으로, 사이클 이 후의 실시예 1의 전극 표면은 아연 플레이크 없이 평탄하고 균일한 표면을 가짐을 확인하였다. 또한, 사이클 이 후의 실시예 2 내지 3의 표면의 관찰 결과 다공성의 탄소 층이 유지됨을 확인하였고, 아연 덴드라이트의 형성 또한 발견되지 않았다. 실시예 1 내지 4의 애노드 전극이 갖는 다공성의 특징으로 인해 아연의 도금-스트립핑(plating-stripping)과정 중에 애노드 전극에서의 전해액에 함유된 아연 양이온의 분포를 일정하게 하여 아연 덴드라이트의 형성을 효과적으로 억제할 수 있는 것이다. In contrast, it was confirmed that the electrode surface of Example 1 after the cycle had a flat and uniform surface without zinc flakes. In addition, as a result of observation of the surfaces of Examples 2 to 3 after the cycle, it was confirmed that the porous carbon layer was maintained, and the formation of zinc dendrites was also not found. Due to the characteristic of porosity of the anode electrodes of Examples 1 to 4, during the zinc plating-stripping process, the distribution of zinc cations contained in the electrolyte solution in the anode electrode is uniformly distributed to prevent the formation of zinc dendrites. that can be effectively suppressed.

(실험예 5) 제조된 아연 애노드 전극을 포함하는 수계 아연-이온 전지(ZIB)의 성능 평가(Experimental Example 5) Performance evaluation of an aqueous zinc-ion battery (ZIB) including a prepared zinc anode electrode

애노드 전극의 안정성 및 수명 평가를 위해 캐소드 전극 재료로 MnO2 나노와이어를 적용하고, 각각의 제조된 애노드 전극을 포함하는 수계 아연-이온 전지(ZIB)에서 효율을 평가하였다. To evaluate the stability and lifespan of the anode electrode, MnO 2 nanowire was applied as a cathode electrode material, and the efficiency was evaluated in an aqueous zinc-ion battery (ZIB) including each prepared anode electrode.

이 때, MnO2 나노와이어는 70 mL의 탈이온수에 10mM의 KMnO4 및 10mM의 NH4Cl을 용해시킨 후, 용액을 100mL 테플론라이너 수열합성반응기(PTFE-lined hydrothermal reactor)넣어 16시간동안 150℃의 온도로 유지시켰다. 자연적으로 상온까지 냉각된 결과물을 탈이온수로 세척한후 80℃ 온도의 오븐에서 6시간동안 건조하여 수득하였다.At this time, the MnO 2 nanowire was dissolved in 10 mM KMnO 4 and 10 mM NH 4 Cl in 70 mL of deionized water, and then the solution was put into a 100 mL Teflon-lined hydrothermal reactor and 150° C. for 16 hours. was maintained at a temperature of The resultant, naturally cooled to room temperature, was washed with deionized water and dried in an oven at 80° C. for 6 hours.

이 후, 캐소드 전극은 앞서 수득한 MnO2 나노와이어, 카본 블랙(Super P) 및 PTFE 바인더를 8:1:1의 중량비로 혼합한 후 에탄올을 이용하여 혼합 슬러리를 제조한 다음 8mm 직경의 디스크 형상으로 제조 후 80℃의 진공 오븐에서 12시간동안 건조하여 제조하였다.After that, the cathode electrode was prepared by mixing the MnO 2 nanowires obtained above, carbon black (Super P) and a PTFE binder in a weight ratio of 8:1:1, and then using ethanol to prepare a mixed slurry, and then a disk shape with a diameter of 8mm After preparation, it was prepared by drying in a vacuum oven at 80° C. for 12 hours.

최종적으로, 앞서 제조된 캐소드 전극, 2M의 ZnSO4 및 0.1M의 MnSO4을 포함하는 수계 전해질 및 각각의 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4를 애노드 전극으로 구성하여 각각의 수계 ZIB를 제조하였다.Finally, the cathode electrode prepared above, an aqueous electrolyte containing 2M of ZnSO 4 and 0.1M of MnSO 4 , and each of Comparative Examples 1, 2, 1, 2, 3 and 4 was constituted as an anode electrode to prepare each aqueous ZIB.

도 12a는 제조된 각각의 수계 ZIB의 CV 프로파일을 도시한 도면이다. CV는 1.0 내지 2.0V의 범위에서 0.1mV/s의 주사속도로 수행되었다.12A is a diagram showing the CV profile of each water-based ZIB prepared. CV was performed at a scan rate of 0.1 mV/s in the range of 1.0 to 2.0 V.

도 12a에 나타난 바와 같이, 각각의 수계 ZIB에서 유사한 CV 프로파일이 관찰되었고, 확인된 높은 전류 응답성은 CV 수행동안의 아연의 증착 및 분해의 빠른 키네틱에서 기인한 것임을 알 수 있다. 또한, 1.25 및 1.38V에서 확인된 두 개의 환원 피크는 MnO2 캐소드 전극으로 삽입된 아연 이온으로부터 기인한 것으로 Mn4+가 Mn3+상태로 환원되고, 이어서 Mn2+상태로 환원된 결과이다.As shown in Fig. 12a, similar CV profiles were observed for each water-based ZIB, and it can be seen that the confirmed high current responsiveness is due to the rapid kinetics of zinc deposition and decomposition during CV performance. In addition, the two reduction peaks identified at 1.25 and 1.38V originate from zinc ions inserted into the MnO 2 cathode electrode, and are the result of reduction of Mn 4+ to the Mn 3+ state, followed by reduction to the Mn 2+ state.

도 12b, 도 12c 및 도 12d는 각각의 수계 ZIB의 사이클 성능을 각각의 current rate(C-rate) 0.1, 0.5 및 1C에서 나타낸 도면이다. 여기서, C-rate는 전지의 충·방전 시 다양한 사용조건하에서의 전류값 설정 및 전지의 가능 사용시간을 예측하거나 표기하기 위한 단위이다.12B, 12C and 12D are diagrams showing the cycle performance of each water-based ZIB at each current rate (C-rate) 0.1, 0.5, and 1C. Here, the C-rate is a unit for predicting or indicating the current value setting and the possible use time of the battery under various usage conditions during charging and discharging of the battery.

실시예 1 내지 4를 애노드 전극을 포함하는 각각의 수계 ZIB는 우수한 사이클 성능 및 높은 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)을 나타내는 것을 확인하였다.In Examples 1 to 4, it was confirmed that each of the aqueous ZIBs including the anode electrode exhibited excellent cycle performance and high Coulombic efficiency (CE).

비교예 1을 애노드 전극으로 포함하는 수계 ZIB는 1.0의 C-rate에서 700 사이클 이 후에 fail이 일어났고 이는 형성된 아연 덴드라이트로부터 기인한 것임을 알 수 있다. 또한, 비교예 2를 애노드 전극으로 포함하는 수계 ZIB에서도 아연 덴드라이트의 성장은 관찰되었다.Water-based ZIB including Comparative Example 1 as an anode electrode failed after 700 cycles at a C-rate of 1.0, which can be seen from the formed zinc dendrite. In addition, the growth of zinc dendrites was also observed in the aqueous ZIB including Comparative Example 2 as an anode electrode.

이로부터, 실시예 1 내지 4를 애노드 전극을 포함하는 각각의 수계 ZIB는 다양한 C-rate에서 우수한 장기 수명성을 가짐을 확인하였고, 이는 실시예 1 내지 4의 애노드 전극이 수계 ZIB 전지의 fail을 일으키는 아연 덴드라이트의 성장을 효과적으로 억제할 수 있고, 아연 부식과 같은 부작용을 효과적으로 방지할수 있기 때문이다. From this, it was confirmed that Examples 1 to 4 each water-based ZIB including the anode electrode has excellent long-term lifespan at various C-rates, which means that the anode electrode of Examples 1 to 4 is the fail of the water-based ZIB battery. This is because it can effectively inhibit the growth of zinc dendrites that cause zinc dendrites and effectively prevent side effects such as zinc corrosion.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific matters and limited examples and drawings, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (20)

a) 아연 기재의 일 표면을 산화시켜 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 제조하는 단계; 및
b) 상기 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체를 전구체 수용액에 침지시킨 후 건조하여 아연 기재상에 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체(Zn-metal-organic framework, Zn-MOF)를 제조하는 단계;를 포함하는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
a) preparing a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite by oxidizing one surface of a zinc substrate; and
b) The zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite was immersed in a precursor aqueous solution and dried to prepare a porous metal-organic framework (Zn-MOF) containing zinc on a zinc substrate A method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery comprising;
제 1항에 있어서,
상기 금속-유기물 골격체는 산화아연-아연(ZnO/Zn)복합체의 표면에서 직접적으로 성장하여 형성된 모놀리식 층(monolithic layer)인 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal-organic framework is a zinc oxide-zinc (ZnO/Zn) composite, which is a monolithic layer formed by growing directly on the surface of a zinc-ion battery.
제 2항에 있어서,
상기 금속-유기물 골격체는 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework, ZIF)인 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The metal-organic framework is a zeolitic imidazolate framework (ZIF), a method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery.
제 3항에 있어서,
상기 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체는 ZIF-8인 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The zeolite-type imidazolate structure is ZIF-8, a method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery.
제 1항에 있어서,
상기 전구체 수용액은 이미다졸계 전구체를 포함하는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The precursor aqueous solution is a zinc-ion method for producing an anode electrode for a battery containing an imidazole-based precursor.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 금속-유기물 골격체는 마이크로 기공을 포함하는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The porous metal-organic framework is a method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery comprising micropores.
제 1항에 있어서,
상기 b)단계 이후, 열분해하는 단계를 더 포함하는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
After step b), the method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery further comprising the step of thermally decomposing.
제 7항에 있어서,
상기 열분해시 가열속도(heating rate)는 50 내지 90 ℃/s인 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
8. The method of claim 7,
A method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery wherein the heating rate during the thermal decomposition is 50 to 90 °C/s.
제 8항에 있어서,
상기 열분해는 500 내지 900℃ 온도 범위에서 수행되는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The thermal decomposition is carried out in a temperature range of 500 to 900 ℃ zinc-ion method of manufacturing an anode electrode for a battery.
제 9항에 있어서,
상기 열분해는 1 내지 10분 동안 수행되는 아연-이온 전지용 애노드 전극의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The pyrolysis is performed for 1 to 10 minutes. A method of manufacturing an anode electrode for a zinc-ion battery.
아연 금속 기재; 및
상기 아연 금속 기재 상에 위치하고, 아연을 포함하는 다공성 금속-유기물 골격체 층;을 포함하되,
상기 다공성 금속-유기물 골격체 층의 표면은 친수성인 것을 특징으로 하는 아연-이온 전지용 애노드 전극.
zinc metal substrate; and
A porous metal-organic framework layer located on the zinc metal substrate and containing zinc; including,
The anode electrode for a zinc-ion battery, characterized in that the surface of the porous metal-organic framework layer is hydrophilic.
제 11항에 있어서,
상기 친수성 금속-유기물 골격체 층은 하기 식 1을 만족하는 아연-이온 전지용 애노드 전극.
(식 1)
θ1 = xθ2 (1.1 ≤ x ≤ 1.4)
(상기 식 1의 θ1은 상기 아연 금속 기재의 수 접촉각이고, θ2는 금속-유기물 골격체 층의 수 접촉각이다)
12. The method of claim 11,
The hydrophilic metal-organic framework layer is a zinc-ion battery anode electrode satisfying Equation 1 below.
(Equation 1)
θ 1 = xθ 2 (1.1 ≤ x ≤ 1.4)
1 in Equation 1 is the water contact angle of the zinc metal substrate, and θ 2 is the water contact angle of the metal-organic framework layer)
제 11항에 있어서,
상기 금속-유기물 골격체는 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework, ZIF)인 아연-이온 전지용 애노드 전극.
12. The method of claim 11,
The metal-organic framework is a zeolitic imidazolate framework (ZIF) anode electrode for a zinc-ion battery.
제 13항에 있어서,
상기 제올라이트형 이미다졸레이트 구조체는 ZIF-8인 아연-이온 전지용 애노드 전극.
14. The method of claim 13,
The zeolite-type imidazolate structure is ZIF-8 zinc-ion battery anode electrode.
아연 금속 기재; 및
상기 아연 금속 기재 상에 위치하고, 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층;을 포함하는 아연-이온 전지용 애노드 전극.
zinc metal substrate; and
A zinc-ion battery anode electrode comprising a; located on the zinc metal substrate, a porous carbon layer doped with nitrogen.
제 15항에 있어서,
상기 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 금속-유기물 골격체를 열분해하여 제조된 것인 아연-이온 전지용 애노드 전극.
16. The method of claim 15,
The nitrogen-doped porous carbon layer is a zinc-ion battery anode electrode prepared by thermal decomposition of the metal-organic framework.
제 16항에 있어서,
상기 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 5 내지 25 원자%의 질소를 함유하는 아연-이온 전지용 애노드 전극.
17. The method of claim 16,
The porous carbon layer doped with nitrogen contains 5 to 25 atomic% of nitrogen as an anode electrode for a zinc-ion battery.
제 15항에 있어서,
상기 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층은 하기 식 2를 만족하는 아연-이온 전지용 애노드 전극.
(식 2)
θ1 = xθ2 (1.5 ≤ x ≤ 4.0)
(상기 식 2의 θ1은 상기 아연 금속 기재의 수 접촉각이고, θ2는 질소가 도핑된 다공성의 탄소 층의 수 접촉각이다)
16. The method of claim 15,
The nitrogen-doped porous carbon layer satisfies Equation 2 below: an anode electrode for a zinc-ion battery.
(Equation 2)
θ 1 = xθ 2 (1.5 ≤ x ≤ 4.0)
1 in Equation 2 is the water contact angle of the zinc metal substrate, and θ 2 is the water contact angle of the porous carbon layer doped with nitrogen)
제 15항에 있어서,
상기 다공성의 탄소 층은 매크로 기공을 포함하는 아연-이온 전지용 애노드 전극.
16. The method of claim 15,
The porous carbon layer is a zinc-ion battery anode electrode comprising macro pores.
제 11항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 따른 아연-이온 전지용 애노드 전극을 포함하는 재충전이 가능한 수계 아연-이온 전지.A rechargeable water-based zinc-ion battery comprising the anode electrode for a zinc-ion battery according to any one of claims 11 to 19.
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