KR20220023081A - Zn anode with β-Polyvinylidene fluoride coating and aqueous Zn-ion batterie including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a zinc negative electrode having a beta-polyvinylidene fluoride coating layer and an aqueous zinc ion battery including the negative electrode. The zinc negative electrode having a beta-polyvinylidene fluoride coating layer of the present invention can further improve structural stability, electrochemical performance, and charge/discharge capacity of a secondary battery.

Description

베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 코팅층이 형성된 아연 음극 및 상기 음극을 포함하는 수계 아연 이온 전지 {Zn anode with β-Polyvinylidene fluoride coating and aqueous Zn-ion batterie including the same}A zinc anode with a beta-polyvinylidene fluoride coating layer formed thereon and an aqueous zinc ion battery including the anode {Zn anode with β-Polyvinylidene fluoride coating and aqueous Zn-ion battery including the same}

본 발명은 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) 코팅층이 형성된 아연 음극 및 상기 음극을 포함하는 수계 아연 이온 전지에 관한 것이다. 본 발명의 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 코팅층이 형성된 아연 음극은 구조적 안정성, 이차전지의 전기화학적 성능 및 충전·방전 용량을 보다 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a zinc negative electrode having a beta-polyvinylidene fluoride (β-PVDF) coating layer formed thereon and an aqueous zinc ion battery including the negative electrode. The zinc negative electrode with the beta-polyvinylidene fluoride coating layer of the present invention can further improve structural stability, electrochemical performance and charge/discharge capacity of a secondary battery.

이차전지는 방전뿐만 아니라 충전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말한다. 이차전지 중 대표적인 리튬 이차전지는 양극 활물질에 포함된 리튬이온이 전해질을 거쳐 음극으로 이동한 후 음극 활물질의 층상 구조 내로 삽입되며 (충전), 이 후 음극 활물질의 층상 구조 내로 삽입되었던 리튬 이온이 다시 양극으로 되돌아가는 (방전) 원리를 통해 작동한다. 이러한 리튬 이차전지는 현재 상용화되어 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 소형전원으로 사용되고 있으며, 하이브리드 자동차 등의 대형 전원으로도 사용 가능할 것으로 예측되고 있어, 그 수요가 증대될 것으로 예상된다. 그러나, 리튬 이차전지에서 양극활 물질로 주로 사용되는 복합금속산화물은 리튬 등의 희소금속원소를 포함하고 있어, 수요증대에 부응하지 못할 염려가 있다. 이에 따라, 공급량이 풍부하고 값싼 나트륨을 양극 활물질로 사용하는 나트륨 이차전지에 대한 연구가 진행되고 있지만, 나트륨 전지 시스템은 여전히 복잡한 안정성 문제 및 환경 문제를 지니고 있다. A secondary battery refers to a battery that can be used repeatedly because it can be charged as well as discharged. In a typical lithium secondary battery among secondary batteries, lithium ions contained in the positive electrode active material move to the negative electrode through the electrolyte, and then are inserted into the layered structure of the negative electrode active material (charging). It works through the principle of returning to the positive pole (discharge). These lithium secondary batteries are currently commercialized and used as small power sources for mobile phones and notebook computers, and are expected to be used as large power sources for hybrid vehicles, and the demand is expected to increase. However, since the composite metal oxide mainly used as a cathode active material in a lithium secondary battery contains a rare metal element such as lithium, there is a concern that it may not be able to meet the increase in demand. Accordingly, although research on a sodium secondary battery using abundant supply and cheap sodium as a cathode active material is being conducted, the sodium battery system still has complex stability problems and environmental problems.

한편, 플렉서블 (flexible)을 넘어서 최근, 웨어러블 (wearable) 전자 기기에 대한 다양한 기술이 개발됨에 따라, 이차전지 역시 폭발의 위험성이 없으며 안정성이 높은 물질로 작동되는 이차전지에 대한 수요가 증대하고 있다. 이에 대하여, 수계 아연 이차전지 (Aqueous zinc ion battery, AZIB)는 다른 이차전지에 비하여 높은 안정성을 가지며, 친환경적이고, 독성이 적으며, 다른 알칼리 금속 대비 경제적이라는 장점을 가진다. 이와 같은 수계 아연 이차전지에서는 아연 음극이 알칼리 용액에 용해되어 충전·방전 반응 중에 아연의 용출 및 석출이 반복된다. 이로 인해 충전·방전 반응의 진행에 따라 극판의 형태가 변하게 되며, 용출된 아연은 충전시 균일하게 석출되지 않고 수지상으로 성장하며, 그 수지상 아연이 분리막을 관통하여 전지의 단락을 야기하는 문제를 일으키기 때문에 전지 수명이 짧다는 단점이 있다.On the other hand, as various technologies for wearable electronic devices have recently been developed beyond flexible, demand for secondary batteries that do not have a risk of explosion and are operated with materials with high stability is increasing. In contrast, an aqueous zinc ion battery (AZIB) has higher stability than other secondary batteries, is eco-friendly, has less toxicity, and is economical compared to other alkali metals. In such a water-based zinc secondary battery, the zinc anode is dissolved in an alkali solution, and the elution and precipitation of zinc are repeated during the charge/discharge reaction. Due to this, the shape of the electrode plate changes according to the progress of the charge/discharge reaction, and the eluted zinc does not precipitate uniformly during charging but grows into a dendritic form, and the dendrite zinc penetrates the separator to cause a short circuit of the battery. Therefore, there is a disadvantage in that the battery life is short.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 기술이 제시되었다. 먼저, 일본공개특허 제1985-185372호에서는 니켈/아연 이차전지의 충전·방전 횟수를 증가시키기 위해 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있도록 아연 전극에 In 및 Ti의 산화물과 수화물을 첨가한 니켈/아연 이차전지에 대해 개시하고 있다. 일본공개특허 제1987-108467호에서는 알칼리 아연 전지의 충전·방전 횟수를 증가시키기 위해 아연 전극에 인듐 메탈 및 인듐 산화물과 탈륨을 첨가한 아연 전극을 포함하고, 전해액에는 게르마늄 이온을 첨가한 알칼리 아연 전지에 대해 개시하고 있다. 일본공개특허 제1986-061366호에서는 알칼리 아연 전지에 있어서 아연 전극판의 변형을 방지하고 충전·방전 횟수를 증가시키기 위해 아연 전극에 불활성, 비전도성 유기 화합물을 첨가한 알칼리 아연 전지에 대해 개시하고 있다. 또한, PCT/US2004/026859에서는 니켈/아연 이차전지의 음극에 수지상 결정이 형성되는 것을 방지하기 위하여 분리막층을 사용하고 수산화칼륨 전해액에 붕산염과 불화물을 포함시킨 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 대해 개시하고 있다. 나아가, 미국특허 제6,649,305호에서는 산화아연의 전도성이 매우 낮은 것을 문제점으로 지적하면서, 이러한 문제점을 개선하는 방법으로 전도성 세라믹의 사용을 제안하고 있다. In order to solve this problem, the following techniques have been proposed. First, in Japanese Patent Laid-Open No. 1985-185372, a nickel/zinc secondary battery in which oxides and hydrates of In and Ti are added to a zinc electrode so as to maintain a high energy density in order to increase the number of times of charging and discharging of a nickel/zinc secondary battery. is disclosed about Japanese Patent Laid-Open No. 1987-108467 discloses an alkaline zinc battery in which indium metal, indium oxide, and thallium are added to a zinc electrode in order to increase the number of charging and discharging of the alkaline zinc battery, and germanium ions are added to the electrolyte solution. is disclosed about Japanese Patent Laid-Open No. 1986-061366 discloses an alkaline zinc battery in which an inert, non-conductive organic compound is added to a zinc electrode in order to prevent deformation of the zinc electrode plate and increase the number of charging and discharging in an alkaline zinc battery. . In addition, PCT/US2004/026859 describes a method for manufacturing a nickel/zinc secondary battery in which a separator layer is used to prevent dendrites from forming on the negative electrode of a nickel/zinc secondary battery and borate and fluoride are included in potassium hydroxide electrolyte. is starting Furthermore, US Patent No. 6,649,305 points out that the conductivity of zinc oxide is very low as a problem, and proposes the use of a conductive ceramic as a method of improving this problem.

1. 일본공개특허 제1985-185372호1. Japanese Patent Laid-Open No. 1985-185372 2. 일본공개특허 제1987-108467호2. Japanese Patent Laid-Open No. 1987-108467 3. 국제특허출원 PCT/US2004/0268593. International Patent Application PCT/US2004/026859 4. 미국특허 제6,649,305호4. US Patent No. 6,649,305

아연 이차전지에 있어서 아연의 용해 및 석출 반응에 의한 충전·방전 사이클이 진행됨에 따라, 아연 음극의 형상이 변화하고, 충전·방전 아연의 수지상 결정의 성장이 발생하여 분리막을 뚫고 양극과 접촉하여 단락이 발생하여 수명이 단축된다. 이러한 아연의 수지상 결정, 즉, 아연 덴드라이트 (dendrite)의 성장은 이차전지의 수명 단축의 중요한 원인 중의 하나이다. In a zinc secondary battery, as the charge/discharge cycle by the dissolution and precipitation reaction of zinc proceeds, the shape of the zinc negative electrode changes, and the growth of charge/discharge zinc dendrites occurs, which penetrates the separator and contacts the positive electrode, causing a short circuit. This will shorten the lifespan. The growth of such zinc dendrites, that is, zinc dendrites, is one of the important causes of shortening the lifespan of secondary batteries.

이에 본 발명자들은 아연 이차전지의 음극에서 발생하는 아연 덴드라이트의 성장을 억제하여 이차전지의 수명을 증가시키기 위하여 예의 노력한 결과, 아연 금속 음극에 강유전체 고분자인 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF)를 코팅하는 경우 아연 덴드라이트의 형성이 개선되어 충전·방전 안정성이 향상된 아연 이차전지를 제조할 수 있음을 확인한 후, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. Accordingly, the inventors of the present inventors made diligent efforts to increase the lifespan of a secondary battery by inhibiting the growth of zinc dendrites generated in the negative electrode of a zinc secondary battery. As a result, a ferroelectric polymer, beta-polyvinylidene (β-Polyvinylidene) fluoride, β-PVDF), the formation of zinc dendrites is improved, and after confirming that a zinc secondary battery with improved charge/discharge stability can be manufactured, the present invention has been completed.

본 발명은 아연 금속 음극 표면에 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 수계 아연 이차전지용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a negative electrode for an aqueous zinc secondary battery, characterized in that a beta-polyvinylidene fluoride (β-PVDF) coating layer is formed on the surface of a zinc metal negative electrode.

본 발명은 또한 (A) 용매에 용해된 폴리비닐리덴 플루오라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF) 기반 고분자 용액을 아연 금속 위에 도포하는 단계; 및 (B) 상기 아연 금속 위에 도포된 PVDF 기반의 고분자 용액에서 용매를 증발시키는 단계를 포함하는 β-PVDF 코팅층이 형성된 수계 아연 이차전지용 음극의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention also comprises the steps of (A) applying a polyvinylidene fluoride (PVDF)-based polymer solution dissolved in a solvent on zinc metal; and (B) evaporating the solvent from the PVDF-based polymer solution applied on the zinc metal.

본 발명은 또한 양극; 아연 금속 음극 표면에 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) 코팅층이 형성된 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 수계 전해질을 포함하는 수계 아연 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention also relates to an anode; a cathode in which a beta-polyvinylidene fluoride (β-PVDF) coating layer is formed on a surface of a zinc metal anode; and an aqueous electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.

본 발명의 β-PVDF 코팅층이 형성된 아연 이차전지용 음극은 bare 아연 음극 또는 α-PVDF 코팅층이 형성된 아연 음극을 사용하는 경우에 비하여 음극의 구조적 안정성, 이차전지의 전기화학적 성능 및 충전·방전 용량을 보다 향상시킬 수 있다. 구체적으로, β-PVDF 코팅층이 형성된 아연 이차전지용 음극을 포함하는 대칭 전지에서 2000 시간의 작동에서도 매우 낮은 과전위(400mV)가 유지되었으며, full cell 성능 측정에서도 4000 회의 사이클의 충전·방전 동안에서 용량이 안정적으로 유지되는 것으로 확인되었다. The negative electrode for a zinc secondary battery with a β-PVDF coating layer of the present invention has higher structural stability, electrochemical performance, and charging/discharging capacity of the secondary battery compared to the case of using a bare zinc negative electrode or a zinc negative electrode with an α-PVDF coating layer. can be improved Specifically, a very low overpotential (400mV) was maintained even after 2000 hours of operation in a symmetrical battery including a zinc secondary battery negative electrode with a β-PVDF coating layer formed, and the capacity during 4000 cycles of charging and discharging was also observed in full cell performance measurement. was found to be stable.

도 1은 실시예 1에 따른 β-PVDF 및 비교예 1에 따른 α-PVDF의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 2는 실시예 1에 따른 PVDF @ Zn, 비교예 1에 따른 α-PVDF@Zn 및 비교예 2에 따른 bare Zn을 포함하는 대칭형 전지에서의 stripping/plating 거동 및 배터리의 사이클링 안정성을 평가한 결과를 나타낸다.
도 3은 실시예 1에 따른 PVDF @ Zn, 비교예 1에 따른 α-PVDF@Zn 및 비교예 2에 따른 bare Zn 음극의 500 회의 충전·방전 사이클링 후의 특성을 나타낸다.
도 4는 실시예 1에 따른 PVDF @ Zn, 비교예 1에 따른 α-PVDF@Zn 및 비교예 2에 따른 bare Zn을 포함하는는 full-cell에서의 전기화학적 성능 평가 결과를 나타낸다.
1 shows the XRD patterns of β-PVDF according to Example 1 and α-PVDF according to Comparative Example 1. FIG.
2 is a result of evaluating stripping/plating behavior and cycling stability of a symmetrical battery including PVDF @ Zn according to Example 1, α-PVDF@Zn according to Comparative Example 1, and bare Zn according to Comparative Example 2 indicates
3 shows the characteristics of PVDF @ Zn according to Example 1, α-PVDF@Zn according to Comparative Example 1, and bare Zn negative electrode according to Comparative Example 2 after 500 charge/discharge cycling.
4 shows the electrochemical performance evaluation results in a full-cell including PVDF @ Zn according to Example 1, α-PVDF@Zn according to Comparative Example 1, and bare Zn according to Comparative Example 2. FIG.

아하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 아연 금속 음극 표면에 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 수계 아연 이차전지용 음극에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다.Aha, a negative electrode for a water-based zinc secondary battery, characterized in that a coating layer of beta-polyvinylidene fluoride (β-PVDF) is formed on the surface of a zinc metal negative electrode according to a specific embodiment of the present invention. do. However, this is presented as an example of the invention, thereby not limiting the scope of the invention, it is apparent to those skilled in the art that various modifications to the embodiment are possible within the scope of the invention.

본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.Throughout this specification, unless otherwise specified, "including" or "containing" refers to including any component (or component) without particular limitation, and excludes the addition of other components (or components). cannot be construed as

제1구현예에 따르면, According to the first embodiment,

본 발명은 아연 금속 음극 표면에 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 수계 아연 이차전지용 음극을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a negative electrode for an aqueous zinc secondary battery, characterized in that a beta-polyvinylidene fluoride (β-PVDF) coating layer is formed on the surface of a zinc metal negative electrode.

본 발명에 따른 수계 아연 이차전지용 음극에 있어서, 상기 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 코팅층의 두께는 0.05 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 한다. In the negative electrode for an aqueous zinc secondary battery according to the present invention, the beta-polyvinylidene fluoride coating layer has a thickness of 0.05 to 10 μm.

제2구현예에 따르면, According to the second embodiment,

본 발명은 the present invention

(A) 용매에 용해된 폴리비닐리덴 플루오라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF) 기반 고분자 용액을 아연 금속 위에 도포하는 단계; 및 (A) applying a polyvinylidene fluoride (PVDF)-based polymer solution dissolved in a solvent on zinc metal; and

(B) 상기 아연 금속 위에 도포된 PVDF 기반의 고분자 용액에서 용매를 증발시키는 단계를 포함하는, β-PVDF 코팅층이 형성된 수계 아연 이차전지용 음극의 제조 방법을 제공하고자 한다. (B) To provide a method of manufacturing a negative electrode for a water-based zinc secondary battery having a β-PVDF coating layer, comprising the step of evaporating the solvent from the PVDF-based polymer solution applied on the zinc metal.

본 발명에 따른 수계 전해액 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 용매는 디메틸포름아미드 (DMF), 디메틸 아세트아미드 (DMAc), 디메틸 술폭시드 (DMSO), N-메틸피롤리돈 (NMP), 헥사메틸포스포아미드 (HMPA), 아세톤 및 2-부타논으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 한다. In the method for manufacturing a negative electrode for an aqueous electrolyte lithium secondary battery according to the present invention, the solvent is dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), It is characterized in that at least one selected from hexamethylphosphoamide (HMPA), acetone and 2-butanone.

본 발명에 따른 수계 전해액 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 고분자는 강유전 고분자 (ferroelectric polymer)인 것을 특징으로 한다. 상기 강유전 고분자는 PVDF 단일 중합체 또는 PVDF와 트라이플루오로에틸렌(trifluoroethylene, TrFE)의 공중합체인 P(VDF-TrFE)인 것을 특징으로 한다. In the method for manufacturing a negative electrode for an aqueous electrolyte lithium secondary battery according to the present invention, the polyvinylidene fluoride-based polymer is a ferroelectric polymer. The ferroelectric polymer is characterized in that it is a PVDF homopolymer or P(VDF-TrFE), which is a copolymer of PVDF and trifluoroethylene (TrFE).

본 발명에 따른 수계 전해액 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 PVDF 기반의 고분자 용액을 도포하는 방법은 열증착법 (thermal evaporation method)을 포함하는 진공 증착법, 스핀 코팅 (spin coating), 롤 코팅 (roll coating), 분무 코팅 (spray coating) 또는 프린팅 (printing)인 것을 특징으로 한다. In the method for manufacturing a negative electrode for an aqueous electrolyte lithium secondary battery according to the present invention, the method for applying the PVDF-based polymer solution is vacuum deposition including thermal evaporation method, spin coating, roll coating ( roll coating), spray coating or printing.

본 발명에 따른 수계 전해액 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (B)는 55 내지 65℃에서 50 내비 100분 동안 수행되는 것을 특징으로 한다. 바람직하기는 상기 단계 (B)는 60℃에서 90분 동안 수행되는 것을 특징으로 한다. In the method for manufacturing a negative electrode for an aqueous electrolyte lithium secondary battery according to the present invention, the step (B) is characterized in that it is performed at 55 to 65 ℃ for 50 nabi 100 minutes. Preferably, the step (B) is characterized in that it is carried out at 60 ℃ for 90 minutes.

제3구현예에 따르면, According to the third embodiment,

본 발명은 the present invention

(A) 양극;(A) anode;

(B) 아연 금속 음극 표면에 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) 코팅층이 형성된 음극; 및 (B) an anode having a beta-polyvinylidene fluoride (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) coating layer formed on a surface of a zinc metal anode; and

(C) 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 수계 전해질을 포함하는 수계 아연 이차전지를 제공하고자 한다. (C) to provide an aqueous zinc secondary battery including an aqueous electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.

본 발명에 따른 수계 아연 이차전지에 있어서, 상기 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. In the aqueous zinc secondary battery according to the present invention, the secondary battery is characterized in that it further comprises a separator between the positive electrode and the negative electrode.

본 발명에 따른 수계 아연 이차전지에 있어서, 상기 수계 전해질은 수계 용매 및 금속염을 함유하는 것을 특징으로 한다. 상기 수계 용매는 물일 수 있다. 상기 금속염은 ZnSO4, Zn(NO3)2, Zn(CF3SO3)2 및 이의 혼합물일 수 있다. In the aqueous zinc secondary battery according to the present invention, the aqueous electrolyte is characterized in that it contains an aqueous solvent and a metal salt. The aqueous solvent may be water. The metal salt may be ZnSO 4 , Zn(NO 3 ) 2 , Zn(CF 3 SO 3 ) 2 , and mixtures thereof.

본 발명의 β-PVDF 코팅층이 형성된 아연 이차전지용 음극은 β-PVDF 코팅층에 의해 Zn stripping/plating 공정이 조절되어 부식이 억제될 수 있다. 따라서, β-PVDF 코팅층이 형성된 아연 이차전지용 음극은 bare 아연 음극 또는 α-PVDF 코팅층이 형성된 아연 음극을 사용하는 경우에 비하여 음극의 구조적 안정성, 이차전지의 전기화학적 성능 및 충전·방전 용량을 보다 향상시킬 수 있다. In the negative electrode for a zinc secondary battery having a β-PVDF coating layer of the present invention, the Zn stripping/plating process is controlled by the β-PVDF coating layer, so that corrosion can be suppressed. Therefore, the negative electrode for a zinc secondary battery with a β-PVDF coating layer improves the structural stability of the negative electrode, the electrochemical performance of the secondary battery, and the charging/discharging capacity compared to the case of using a bare zinc negative electrode or a zinc negative electrode with an α-PVDF coating layer. can do it

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred experimental examples according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

<실시예> <Example>

실시예 1. β-PVDF @ Zn 음극의 제조Example 1. Preparation of β-PVDF @ Zn Anode

N,N-디메틸아세트아미드 (DMAc, 99 %, Sigma-Aldrich) 용매에 10 wt%의 PVDF (Sigma-Aldrich, Mw ~ 534,000)을 첨가하여 12 시간 동안 자기 교반 하여 용해시켰다. Zn 포일을 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온수에서 초음파 처리로 세척한 다음 압축 공기로 건조시켰다. 상기 PVDF가 용해된 용액을 30 초 동안 5000 rpm의 일정한 속도로 Zn 포일 (직경 12mm)에 스핀-코팅하였다. 그 다음, 밀폐된 시스템 내의 핫 플레이트에서 60℃에서 90 분 동안 용매를 천천히 증발시켜 β-PVDF 코팅된 Zn 음극을 제조하였다. 10 wt% of PVDF (Sigma-Aldrich, Mw ~ 534,000) was added to N,N-dimethylacetamide (DMAc, 99%, Sigma-Aldrich) solvent and dissolved by magnetic stirring for 12 hours. The Zn foils were washed by sonication in acetone, isopropyl alcohol and deionized water and then dried with compressed air. The PVDF solution was spin-coated on a Zn foil (diameter 12 mm) at a constant speed of 5000 rpm for 30 seconds. Then, the solvent was slowly evaporated at 60° C. for 90 minutes on a hot plate in a closed system to prepare a β-PVDF coated Zn anode.

비교예 1. α-PVDF 코팅된 Zn 음극의 제조Comparative Example 1. Preparation of α-PVDF-coated Zn anode

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Zn 포일에 PVDF 용액을 스핀-코팅한 이후에, 개방 환경에서 60 분 동안 90℃에서 용매를 신속하게 증발시켜 α-PVDF 코팅된 Zn 음극을 제조하였다. After spin-coating the PVDF solution on the Zn foil in the same manner as in Example 1, the solvent was rapidly evaporated at 90° C. for 60 minutes in an open environment to prepare an α-PVDF-coated Zn anode.

비교예 2. bare Zn 음극Comparative Example 2. bare Zn cathode

PVDF가 코팅되지 않은 Zn 포일을 사용하였다. Zn foil not coated with PVDF was used.

<실험예><Experimental example>

실험예 1. PVDF @ Zn 음극의 특성 확인Experimental Example 1. Characterization of PVDF @ Zn cathode

상기 실시예 1에 따른 β-PVDF 및 비교예 1에 따른 α-PVDF의 X-ray diffraction (XRD) 패턴을 Cu Kα 방사선 (λ = 0.15406 nm)과 함께 Rigaku D/MAX-2200 X-ray diffractometer를 사용하여 확인하였다. 결정상은 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR) (Vertex 70, Bruker, Germany)을 사용하여 추가로 분석하였다. The X-ray diffraction (XRD) patterns of β-PVDF according to Example 1 and α-PVDF according to Comparative Example 1 were analyzed using a Rigaku D/MAX-2200 X-ray diffractometer with Cu Kα radiation (λ = 0.15406 nm). was used to confirm. The crystalline phase was further analyzed using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) (Vertex 70, Bruker, Germany).

그 결과, 실시예 1에 따른 β-PVDF 코팅층의 상단 표면은 나노미터 크기의 반구가 서로 상호 연결된 형태로 나타났으며, 코팅층의 두께는 ~ 10 μm로 측정되었다. 실시예 1에 따른 β-PVDF 코팅층의 XRD 2θ는 20.8에서 피크가 나타났고, 비교예 1에 따른 α-PVDF 코팅층의 XRD 2θ는 17.6, 18.3 및 19.9에서 피크가 나타났으며, 실시예 1에 따른 β-PVDF 코팅층의 FTIR 밴드는 510, 840, 1062, 1227 및 1400cm-1에서 피크가 나타났고, 비교예 1에 따른 α-PVDF 코팅층의 FTIR 밴드는 530, 614, 764, 795, 873, 976, 1176, 1380cm-1에서 피크가 나타났다 (도 1). 따라서, Zn 포일 상에 실시예 1에 따른 β-PVDF 코팅층 및 비교예 1에 따른 α-PVDF 코팅층이 안정적으로 형성되었음이 확인되었다. As a result, the top surface of the β-PVDF coating layer according to Example 1 appeared in the form of nanometer-sized hemispheres interconnected with each other, and the thickness of the coating layer was measured to be ~10 μm. The XRD 2θ of the β-PVDF coating layer according to Example 1 showed a peak at 20.8, and the XRD 2θ of the α-PVDF coating layer according to Comparative Example 1 showed peaks at 17.6, 18.3 and 19.9, and according to Example 1 The FTIR bands of the β-PVDF coating layer showed peaks at 510, 840, 1062, 1227 and 1400 cm -1 , and the FTIR bands of the α-PVDF coating layer according to Comparative Example 1 were 530, 614, 764, 795, 873, 976, A peak appeared at 1176, 1380 cm -1 (FIG. 1). Therefore, it was confirmed that the β-PVDF coating layer according to Example 1 and the α-PVDF coating layer according to Comparative Example 1 were stably formed on the Zn foil.

실험예 2. PVDF @ Zn 음극을 포함하는 대칭형 전지에서의 성능 특성Experimental Example 2. Performance characteristics in a symmetrical battery including PVDF @ Zn negative electrode

CR2032 코인 전지를 사용하여 대칭형 full-cell을 제조하고 stripping/plating 거동 및 배터리의 사이클링 안정성을 관찰하였다. 대칭형 full-cell은 유리 섬유 분리막과 결합된 2개의 실시예 1에 따른 β-PVDF@Zn 포일 및 2M ZnSO4 수용액으로 구성하였다. 한편, 비교예 1에 따른 α-PVDF@Zn 포일 및 비교예 2에 따른 bare Zn 포일을 포함하는 대칭 전지도 제조하였다. 상기 전지들을 WBCS battery cycler (WBCS3000, WonATech)에서 다양한 면적 용량으로 다양한 전류 밀도에서 정전류 방식(galvanostatic) 충전/방전 사이클링에 적용하였다. A symmetrical full-cell was prepared using a CR2032 coin cell and the stripping/plating behavior and cycling stability of the battery were observed. The symmetrical full-cell was composed of two β-PVDF@Zn foils according to Example 1 and 2M ZnSO 4 aqueous solution combined with a glass fiber separator. On the other hand, a symmetrical battery including the α-PVDF@Zn foil according to Comparative Example 1 and the bare Zn foil according to Comparative Example 2 was also prepared. The batteries were subjected to galvanostatic charge/discharge cycling at various current densities with various areal capacities in a WBCS battery cycler (WBCS3000, WonATech).

그 결과, 0.25mA cm-2로 순환할 때 면적 용량이 0.05mAh cm-2인 경우, β-PVDF @ Zn 대칭형 full-cell은 79mV의 초기 과전위를 나타냈으며, 상기 과전위는 첫번째 단계가 끝날때 ~ 48mV까지 급격하게 감소하였고, 후속 사이클에서 40mV의 지속적으로 낮은 과전위를 나타내어 β-PVDF @ Zn에서 Zn stripping/plating이 유리하게 가역적임이 확인되었다. 더욱이, α-PVDF @ Zn 대칭형 full-cell 및 bare Zn 대칭형 full-cell의 경우 각각 약 1300 시간 및 350 시간 이후에는 불안정한 사이클링 성능을 나타낸 반면, β-PVDF @ Zn 대칭형 full-cell에서 80mV의 지속적으로 미미한 편광으로 stripping/plating이 2000 시간을 초과하는 경우에도 잘 작동하여 훌륭한 장기 stripping/plating 안정성을 갖는 것으로 확인되었다 (도 2). As a result, when the area capacity is 0.05 mAh cm -2 when cycling at 0.25 mA cm -2 , the β-PVDF @ Zn symmetric full-cell exhibited an initial overpotential of 79 mV, and the overpotential is the end of the first stage. Zn stripping/plating was advantageously reversible in β-PVDF @ Zn by showing a continuously low overpotential of 40 mV in the subsequent cycle. Moreover, the α-PVDF @ Zn symmetric full-cell and the bare Zn symmetric full-cell showed unstable cycling performance after about 1300 and 350 hours, respectively, whereas the β-PVDF @ Zn symmetric full-cell showed an unstable cycling performance of 80mV. It was confirmed to have excellent long-term stripping/plating stability by working well even when stripping/plating exceeds 2000 hours with insignificant polarization (FIG. 2).

실험예 3. PVDF @ Zn 음극의 500 회의 충전·방전 사이클링 후의 특성 확인Experimental Example 3. Confirmation of characteristics of PVDF @ Zn cathode after 500 charge/discharge cycling

bare Zn, α-PVDF @ Zn 및 β-PVDF @ Zn 전극에 대한 morphology는 500 번의 stripping/plating cycle 후에 확인하였다. 사이클링 전의 bare Zn는 조밀하고 광택이 나는 표면을 가졌으나, 사이클링 후에는 불규칙한 Zn 증착/용해로 인해 날카로운 엣지와 함께 최대 ~ 10 μm까지 성장한 일부 입자를 갖는 거대한 Zn 플레이크 형성되었다. α-PVDF @ Zn의 경우에도 500 번의 사이클링 후에 소형 Zn 플레이크가 산발적으로 형성되는 것으로 나타났다. 반면, β-PVDF @ Zn의 경우, 500 번의 사이클링 후에도 외부 상단 표면은 여전히 매끄럽고 컴팩트한 형태를 유지하는 것으로 나타났으며 β-PVDF 코팅을 제거한 Zn 포일의 경우에도 약간의 균열은 있었지만 매끄럽고 평평한 표면을 갖는 것으로 확인되었다 (도 3) Morphology of bare Zn, α-PVDF @ Zn, and β-PVDF @ Zn electrodes was confirmed after 500 stripping/plating cycles. Bare Zn before cycling had a dense and glossy surface, but after cycling, gigantic Zn flakes were formed with some grains growing up to ~10 μm with sharp edges due to irregular Zn deposition/dissolution. Even in the case of α-PVDF@Zn, small Zn flakes were found to form sporadically after 500 cycles. On the other hand, in the case of β-PVDF @ Zn, the outer top surface still maintained a smooth and compact shape after 500 cycles. It was confirmed to have (Fig. 3)

실험예 4. PVDF @ Zn 음극을 포함하는 full-cell에서의 성능 특성Experimental Example 4. Performance characteristics in full-cell including PVDF @ Zn anode

V2O5/C 양극을 제조하기 위하여, N-메틸피롤리돈 (NMP)에 상기 수득된 V2O5/C 분말 (활성 물질), 아세틸렌 블랙 및 PVDF를 70:15:15의 중량비로 함께 혼합하였다. 그 다음, 추가 NMP를 일정한 자기 교반하에 혼합물에 떨어뜨려 잘 분산된 코팅 슬러리를 생성하였다. 상기 슬러리를 닥터 블레이드 방법을 채택하여 티타늄 호일에 주조하고 마지막으로 60℃에서 밤새 진공 건조시켰다. 2 M ZnSO4 수성 전해질을 갖는 코인 전지에서 각각 V2O5/C 양극, 유리 섬유 분리막 및 β-PVDF@Zn, α-PVDF@Zn, bare Zn을 이용하여 β-PVDF@Zn | V2O5/C, α-PVDF@Zn | V2O5/C 및 bare Zn | V2O5 full-cell 배터리를 제조하였다. full cell cyclic voltammetry (CV) 측정은 ZIVE MP1 (WonATech)을 사용하여 0.2mV s-1의 스캔 속도로 0.4 및 1.6V (vs. Zn / Zn2+)에서 수행하였다. cyclic performance는 1 Ag-1의 전류 밀도에서 측정하였다. 또한 0.1, 1, 2, 4, 8 Ag-1의 다양한 전류 속도를 적용하여 rate performance을 측정하였다. full cell에서의 특정 충전 및 방전 용량은 활성 양극 물질의 질량을 기준으로 계산하였다. Zn 핵형성 거동을 조사하기 위해 Zn|Cu half-cell을 작업 전극으로 pristine, α-PVDF 및 β-PVDF 코팅 Cu와 상대 전극으로 Zn 호일로 어샘블리하였다. To prepare a V 2 O 5 /C positive electrode, the obtained V 2 O 5 /C powder (active material), acetylene black and PVDF were mixed in N-methylpyrrolidone (NMP) in a weight ratio of 70:15:15 mixed together. Additional NMP was then dropped into the mixture under constant magnetic stirring to produce a well-dispersed coating slurry. The slurry was cast on titanium foil by adopting a doctor blade method and finally vacuum dried at 60° C. overnight. In coin cells with 2 M ZnSO 4 aqueous electrolyte, respectively V 2 O 5 /C Anode, glass fiber separator and β-PVDF@Zn | V 2 O 5 /C, α-PVDF@Zn | V 2 O 5 /C and bare Zn | A V 2 O 5 full-cell battery was prepared. Full cell cyclic voltammetry (CV) measurements were performed at 0.4 and 1.6V (vs. Zn / Zn 2+ ) with a scan rate of 0.2 mV s −1 using ZIVE MP1 (WonATech). Cyclic performance was measured at a current density of 1 Ag -1 . In addition, rate performance was measured by applying various current rates of 0.1, 1, 2, 4, 8 Ag -1 . Specific charge and discharge capacities in the full cell were calculated based on the mass of the active positive electrode material. To investigate the Zn nucleation behavior, Zn|Cu half-cells were assembled with pristine, α-PVDF and β-PVDF-coated Cu as working electrodes and Zn foil as counter electrodes.

그 결과, 초기 사이클의 경우 ~ 0.59/0.78에서 두 개의 redox 피크가 잘 관찰된 후 각 전지에서 0.9V 내지 1.1V로부터 분기되는 훨씬 더 둔한 환원/산화 피크 쌍이 나타났다 (도 4a). 그러나 3회 사이클 이후, 이러한 프로파일의 모든 피크는 Zn2+의 2-단계 인터칼레이션/디인터칼레이션 프로세스에 해당하는 거의 동일한 위치 (각각 0.59/0.78 및 0.89/1.14)에서 수렴되는 것으로 나타났다 (도 4b). 정전류 충전·방전 분석 결과, β-PVDF @ Zn | V2O5 / C 배터리의 첫 번째 방전 용량은 256mAh g-1로 α-PVDF @ Zn | V2O5 / C 및 bare Zn | V2O5 / C 배터리 각각의 방전 용량 196mAh g-1 및 185mAh g-1을 압도하는 것으로 확인되었으며, 놀랍게도 β-PVDF @ Zn | V2O5 / C 배터리의 방전·충전 프로파일 곡선은 약간의 용량의 증가 (269mAh g-1)와 함께 20 회의 사이클 이후에도 원래의 모양을 유지하며 놀라운 주기적 안정성을 나타내었다. 또한, β-PVDF @ Zn 음극을 사용하는 배터리는 0.1, 1, 2, 4 및 8A g-1의 전류 밀도에서 각각 276, 267, 253, 220, 154 mAh g-1의 방전 용량을 나타내었으며, 그 다음 전류 밀도를 갑자기 1A g-1로 떨어트린 경우에도 상기 방전 용량은 전류 속도를 증가시키는 각 기간 동안 20 회의 사이클 이후에도 즉시 265mAh g-1로 되돌아가는 것으로 확인되었다 (도 4c). 마지막으로, 1A g-1의 전류 속도로 장기 사이클링 수명을 평가한 결과, β-PVDF @ Zn 전지의 방전 용량은 최대 252mAh g-1로 시작한 반면, bare 및 α-PVDF @ Zn 전지는 각각 150 및 175mAh g-1으로 감소하였으며, 특히 α-PVDF @ Zn 배터리는 200 회의 사이클 이후에 방전 용량이 급락하였으며, 베어 Zn 배터리는 800 사이클 후 50 ~ 25 mAh g-1에서 압도적인 싱크가 나타내고, 결국 1200 회의 사이클에 가까워지면서 방전 용량이 사라지는 것으로 확인되었다. 그러나, 본 발명에 따른 β-PVDF @ Zn 배터리의 방전 용량은 점진적으로 감소하였으며, 2000 회의 사이클 이후에도 전지가 손상되는 일 없이 꾸준히 약 60 mAh g-1의 방전 용량을 갖는 것으로 나타났다 (도 4d). 따라서, 아연 음극을 β-PVDF로 코팅한느 경우 전지의 속도와 충전·방전 성능을 현저히 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 수명이 긴 AZIB를 제조할 수 있음이 입증되었다. As a result, in the initial cycle, two redox peaks were well observed at ~0.59/0.78, and then a much duller reduction/oxidation peak pair branching from 0.9V to 1.1V in each cell appeared (Fig. 4a). However, after 3 cycles, all peaks of this profile appeared to converge at almost identical positions (0.59/0.78 and 0.89/1.14, respectively) corresponding to the two-step intercalation/deintercalation process of Zn 2+ ( Fig. 4b). Constant current charge/discharge analysis result, β-PVDF @ Zn | The first discharge capacity of the V 2 O 5 /C battery is 256 mAh g -1 , with α-PVDF @ Zn | V 2 O 5 / C and bare Zn | It was confirmed that the discharge capacities of the V 2 O 5 /C batteries, respectively, of 196 mAh g -1 and 185 mAh g -1 , were overwhelmed, and surprisingly, β-PVDF @ Zn | The discharge/charge profile curve of the V 2 O 5 / C battery showed surprising cyclic stability while maintaining its original shape even after 20 cycles with a slight increase in capacity (269mAh g -1 ). In addition, the batteries using the β-PVDF @ Zn cathode exhibited discharge capacities of 276, 267, 253, 220 and 154 mAh g -1 at current densities of 0.1, 1, 2, 4 and 8A g -1 , respectively, Then, even when the current density was suddenly dropped to 1A g −1 , it was confirmed that the discharge capacity immediately returned to 265 mAh g −1 even after 20 cycles during each period of increasing the current rate ( FIG. 4c ). Finally, as a result of evaluating the long-term cycling life at a current rate of 1A g -1 , the discharge capacity of the β-PVDF @ Zn cells started up to 252 mAh g -1 , whereas the bare and α-PVDF @ Zn cells were 150 and 150 mAh g -1 , respectively. decreased to 175 mAh g -1 , and in particular, the α-PVDF @ Zn battery had a sharp drop in discharge capacity after 200 cycles, and the bare Zn battery showed an overwhelming sink at 50 to 25 mAh g -1 after 800 cycles, eventually leading to 1200 cycles. It was confirmed that the discharge capacity disappears as the meeting cycle approaches. However, the discharge capacity of the β-PVDF @ Zn battery according to the present invention was gradually decreased, and it was found to have a discharge capacity of about 60 mAh g −1 steadily without damage to the battery even after 2000 cycles ( FIG. 4d ). Therefore, it has been proven that, when the zinc anode is coated with β-PVDF, the battery speed and charge/discharge performance can be significantly improved, and thus, AZIB with a long lifespan can be manufactured.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the content of the present invention, for those of ordinary skill in the art, it is clear that this specific description is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present invention be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (10)

아연 금속 음극 표면에 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 (β-Polyvinylidene fluoride, β-PVDF) 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 수계 아연 이차전지용 음극.
A negative electrode for a water-based zinc secondary battery, characterized in that a beta-polyvinylidene fluoride (β-PVDF) coating layer is formed on the surface of the zinc metal negative electrode.
제1항에 있어서,
상기 베타-폴리비닐리덴 플루오라이드 코팅층의 두께는 0.05 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 것인, 수계 아연 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The beta-polyvinylidene fluoride coating layer has a thickness of 0.05 to 10 μm, characterized in that it is an anode for a water-based zinc secondary battery.
(A) 용매에 용해된 폴리비닐리덴 플루오라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF) 기반 고분자 용액을 아연 금속 위에 도포하는 단계; 및
(B) 상기 아연 금속 위에 도포된 PVDF 기반의 고분자 용액에서 용매를 증발시키는 단계를 포함하는, β-PVDF 코팅층이 형성된 수계 아연 이차전지용 음극의 제조 방법.
(A) applying a polyvinylidene fluoride (PVDF)-based polymer solution dissolved in a solvent on zinc metal; and
(B) A method of manufacturing a negative electrode for an aqueous zinc secondary battery having a β-PVDF coating layer, comprising the step of evaporating the solvent from the PVDF-based polymer solution applied on the zinc metal.
제3항에 있어서,
상기 용매는 디메틸포름아미드 (DMF), 디메틸 아세트아미드 (DMAc), 디메틸 술폭시드 (DMSO), N-메틸피롤리돈 (NMP), 헥사메틸포스포아미드 (HMPA), 아세톤 및 2-부타논으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 것인, 방법.
4. The method of claim 3,
The solvent is from dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), hexamethylphosphoamide (HMPA), acetone and 2-butanone. The method, characterized in that one or more selected.
제3항에 있어서,
상기 강유전 고분자는 PVDF 단일 중합체 또는 PVDF와 트라이플루오로에틸렌(trifluoroethylene, TrFE)의 공중합체인 P(VDF-TrFE)인 것을 특징으로 하는 것인, 방법.
4. The method of claim 3,
The method, characterized in that the ferroelectric polymer is P(VDF-TrFE), which is a PVDF homopolymer or a copolymer of PVDF and trifluoroethylene (TrFE).
제3항에 있어서,
상기 PVDF 기반의 고분자 용액을 도포하는 방법은 열증착법 (thermal evaporation method)을 포함하는 진공 증착법, 스핀 코팅 (spin coating), 롤 코팅 (roll coating), 분무 코팅 (spray coating) 또는 프린팅 (printing)인 것을 특징으로 하는 것인, 방법.
4. The method of claim 3,
The method for applying the PVDF-based polymer solution is vacuum deposition including a thermal evaporation method, spin coating, roll coating, spray coating, or printing. characterized in that the method.
제3항에 있어서,
상기 단계 (B)는 55 내지 65℃에서 50 내비 100분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 것인, 방법.
4. The method of claim 3,
The method, characterized in that the step (B) is carried out at 55 to 65 ℃ 50 for 100 minutes.
제7항에 있어서,
상기 단계 (B)는 60℃에서 90분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 것인, 방법.
8. The method of claim 7,
The method, characterized in that the step (B) is carried out at 60 ℃ for 90 minutes.
(A) 양극;
(B) 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 음극; 및
(C) 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 수계 전해질을 포함하는 수계 아연 이차전지.
(A) anode;
(B) an anode manufactured by the method according to any one of claims 3 to 8; and
(C) an aqueous zinc secondary battery comprising an aqueous electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.
제9항에 있어서,
상기 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 수계 아연 이차전지.
10. The method of claim 9,
The secondary battery is characterized in that it further comprises a separator between the positive electrode and the negative electrode, a water-based zinc secondary battery.
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