KR20220052549A - Nano carbon battery for ESS wall and ESS wall comprising thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a nano-carbon battery for an ESS wall, and more specifically, to a nano-carbon battery for an ESS wall which has increased fire safety by including a negative electrode active material capable of controlling the crystal size of lead sulfate generated in a negative electrode during discharge, and an ESS wall including the same.

Description

ESS Wall용 나노카본 배터리 및 이를 포함하는 ESS wall {Nano carbon battery for ESS wall and ESS wall comprising thereof} Nano carbon battery for ESS wall and ESS wall including the same {Nano carbon battery for ESS wall and ESS wall comprising thereof}

본 발명은 ESS(Energy Storage System, ESS) Wall 용 나노카본 배터리 및 이를 포함하는 ESS wall에 대한 것으로, 보다 상세하게는 방전시 음극에서 생성되는 황산납염의 결정 크기를 제어할 수 있는 음극활물질을 포함하여 화재 안전성이 증대된 ESS Wall용 나노카본 배터리 및 이를 포함하는 ESS wall에 관한 것이다.The present invention relates to a nano-carbon battery for an ESS (Energy Storage System, ESS) wall and an ESS wall including the same, and more particularly, includes a negative electrode active material capable of controlling the crystal size of lead sulfate generated in the negative electrode during discharge Accordingly, it relates to a nano-carbon battery for an ESS wall with increased fire safety and an ESS wall including the same.

납축전지 시스템은 저비용 및 우수한 안전성 때문에 자동차용에 주로 적용되고 있다. 전형적인 이차 전지인 납축전지는 납을 음극으로 사용하고 표면상에 산화납을 갖는 납을 양극으로 사용하며, 묽은 황산에 상기 전극이 잠겨 있는 구조를 갖고 있다. 납축전지가 방전될 때에는, 음극 표면상의 납(Pb)은 황산이온과 반응하여 황산납(PbSO4)이 되며 전자를 방출한다. 이 전자를 받은 후에, 양극 표면상의 산화납(PbO2)은 황산과 반응하고 황산납이 된다. 이러한 반응을 통해서, 납축전지에 전류가 흐른다. 납축전지를 충전할 때는 방전시의 역반응이 일어난다. 따라서, 이차 전지는 충전과 방전을 반복하여 장기간 사용할 수 있는 이점을 갖게 된다. 하지만, 기존의 납축전지 방전 시 양극 및 음극에서 황산납은 활물질 내에 입자로 석출되고 용해도가 낮아서 쉽게 결정 상태로 성장하여 점차적으로 활성도를 잃어 사용할 수 없게 된다. 이는 사이클이 진행되면서, 부분 충전시의 성능을 떨어뜨리는 요인이 되는데, 특히 음극에 형성된 황산납이 지대한 영향을 미치게 된다. Lead-acid battery systems are mainly applied to automobiles because of their low cost and excellent safety. A lead-acid battery, which is a typical secondary battery, uses lead as an anode and lead having lead oxide on its surface as an anode, and has a structure in which the electrode is immersed in dilute sulfuric acid. When the lead-acid battery is discharged, lead (Pb) on the surface of the negative electrode reacts with sulfate ions to become lead sulfate (PbSO 4 ) and emits electrons. After receiving this electron, lead oxide (PbO 2 ) on the surface of the anode reacts with sulfuric acid to become lead sulfate. Through this reaction, current flows in the lead-acid battery. When charging a lead-acid battery, the reverse reaction occurs during discharging. Accordingly, the secondary battery has an advantage in that it can be used for a long period of time by repeating charging and discharging. However, when discharging the conventional lead-acid battery, lead sulfate is precipitated as particles in the active material at the positive and negative electrodes, and its solubility is low, so it easily grows into a crystalline state, and it gradually loses its activity and cannot be used. As the cycle progresses, it becomes a factor to degrade the performance during partial charging. In particular, lead sulfate formed on the negative electrode has a great effect.

한편, 납축전지 대안으로 충/방전 사이클이 우수한 EDLC(electricaldouble layer capacitor)가 개발 중이나 낮은 에너지 밀도 및 높은 가격이 문제가 되고 있다. On the other hand, an electrical double layer capacitor (EDLC) with excellent charge/discharge cycle is being developed as an alternative to lead-acid batteries, but low energy density and high price are a problem.

Pb/C 전지는 납축전지의 단점을 극복하기 위한 것으로 카본 활물질을 바인더(PTFE, CMC 등)와 함께 납 성분으로 구성된 그리드 위에 도포하여 제조된 음극을 사용하는 이차 전지 시스템이다. 일반적으로 Pb/C 전지에서 전해액은 황산을 쓰는데, 양극은 납축전지 양극과 같은 이산화납 전극이고, 음극은 활성탄을 이용한 커패시터 전극을 적용하게 되므로 양쪽 전극에서 일어나는 전극 반응은 다음과 같다.The Pb/C battery is a secondary battery system using a negative electrode manufactured by coating a carbon active material with a binder (PTFE, CMC, etc.) on a grid composed of lead components to overcome the disadvantages of lead-acid batteries. Generally, sulfuric acid is used as the electrolyte in Pb/C batteries, the positive electrode is a lead dioxide electrode like the positive electrode of a lead-acid battery, and the negative electrode is a capacitor electrode using activated carbon, so the electrode reaction occurring at both electrodes is as follows.

양극 : 1/2PbO2 + 1/2H2SO4 + H+ + e- ↔ 1/2PbSO4 + H2OAnode: 1/2PbO 2 + 1/2H 2 SO 4 + H + + e - ↔ 1/2PbSO 4 + H 2 O

음극 : (Cs -//H+) ↔ Cs + H+ + e- Cathode: (C s - //H + ) ↔ C s + H + + e -

전체반응 : 1/2PbO2 + 1/2H2SO4 + (Cs -//H+) ↔ 1/2PbSO4 + H2O + Cs Total reaction: 1/2PbO 2 + 1/2H 2 SO 4 + (C s - //H + ) ↔ 1/2PbSO 4 + H 2 O + C s

여기서, Cs는 전극표면에서 카본 원자이고, //는 각 층에 축전된 전하의 이중층을 의미하며, 매우 높은 표면적(1500㎡/g)을 가지고 있는 활성카본으로 구성된 전극은 전극 표면층에 산으로부터 기인된 수소 양이온인 프로톤이 축적된다. 즉, 충전과 방전동안 전지 타입의 이산화 납 전극에서는 패러딕 과정을 통해 전하가 이동하여 산화와 환원 반응으로 진행되는 반면에 커패시터로 작동되는 탄소 전극은 이중층에서 비패러딕 과정으로 전하가 축적 또는 방출되기 때문이다.Here, C s is a carbon atom on the electrode surface, // means a double layer of charges accumulated in each layer, and an electrode composed of activated carbon having a very high surface area (1500 m2/g) is formed from acid on the electrode surface layer. Protons, the resulting hydrogen cations, accumulate. That is, in the case of a battery-type lead dioxide electrode during charging and discharging, the charge moves through the paradoxical process and proceeds with oxidation and reduction reactions, whereas in the carbon electrode operated as a capacitor, the charge accumulates or discharges through a non-paradic process in the double layer. because it becomes

하지만, 현재까지 알려진 Pb/C 전지 또한 기존의 납축전지와 동일하게 셀구동시 일어나는 전기화학반응(산화/환원 반응)에 의해 발생하는 수소가스로 인해 전극사이가 벌어지는 문제점은 물론 생성된 PbSO4으로 인해 Pulsation 현상이 발생하는 등 전극활물질의 부피변화로 인한 문제점을 여전히 안고 있다. 즉 음극에서 PbSO4의 더 큰 결정 형성은 납축전지 시스템의 장수명 성능을 제한하기 때문이다. However, in the case of Pb/C batteries known so far, as with conventional lead-acid batteries, as well as the problem of gaps between the electrodes due to hydrogen gas generated by the electrochemical reaction (oxidation/reduction reaction) that occurs when the cell is driven, the generated PbSO 4 Due to this, there is still a problem due to the volume change of the electrode active material, such as a pulsation phenomenon. That is, the larger crystal formation of PbSO 4 in the negative electrode limits the long-life performance of the lead-acid battery system.

따라서, 납 황산염 생성시 결정 크기 성장을 제어할 수 있는 새로운 전극활물질이 필요하다. Therefore, there is a need for a new electrode active material capable of controlling the crystal size growth during lead sulfate production.

반면, 에너지 저장시스템(Energy Storage System, ESS)이란, 생산된 전기를 저장장치(배터리 등)에 저장했다가 전력이 필요할 때 공급함으로써 에너지 효율을 높이는 시스템을 말한다. 안정적인 전력 공급을 위해 다양한 ESS 연구가 진행되고 있으며, 최근에는 별도의 공간에 ESS를 구비하지 않고, ESS가 내장되어 건물의 내외장재로 사용될 수 있는 ESS wall에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, an energy storage system (ESS) refers to a system that increases energy efficiency by storing generated electricity in a storage device (battery, etc.) and supplying power when needed. Various ESS research is being conducted for stable power supply, and recently, research on ESS wall that can be used as interior and exterior materials of a building is being actively conducted without ESS in a separate space.

그러나 종래, ESS wall은 리튬기반 배터리가 에너지 저장장치로서 내장된 것으로, 리튬기반 배터리에 의해 자체 폭발 및 사용관리에 의한 화재 위험도가 매우 높음에 따라 안정적으로 사용하기 어려워, 실질적으로 건물의 내외장재로 사용되기 곤란하다는 문제점이 있다.However, conventionally, the ESS wall has a lithium-based battery built-in as an energy storage device, and it is difficult to use stably as the risk of fire due to self-explosion and use management is very high due to the lithium-based battery. There is a problem that it is difficult to become.

특허공개번호 제 10-2018-0049607 호Patent Publication No. 10-2018-0049607

본 발명의 목적은 방전시 생성되는 황산납의 결정크기를 효과적으로 제어하고 증가된 패러데이 전기 화학 공정을 제공하는 음극활물질를 포함하는 ESS wall용 배터리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a battery for an ESS wall including an anode active material that effectively controls the crystal size of lead sulfate generated during discharge and provides an increased Faraday electrochemical process.

본 발명의 다른 목적은 상술된 신규활물질을 포함함으로써 장기 운전 중, 고율 부분 충전 상태(HRPSoC)와 고용량 성능의 구현이 가능하고, 충방전 용량 성능을 더욱 향상시키며 장수명 성능을 제공할 수 있는 ESS wall 용 배터리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to include the above-described novel active material, so that during long-term operation, high-rate partial state of charge (HRPSoC) and high-capacity performance can be implemented, and ESS wall that can further improve charge/discharge capacity performance and provide long-life performance to provide batteries for

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다. The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the object of the invention that can be recognized by those of ordinary skill in the art from the description of the detailed description of the invention to be described later may also be included. .

본 발명에 따른 ESS wall 용 배터리는 다수의 기공이 형성된 다공성 탄소소재; 및 상기 기공에 형성된 납 나노입자;를 함유하는 음극활물질을 포함한다.The battery for an ESS wall according to the present invention includes a porous carbon material having a plurality of pores; and a negative electrode active material containing; and lead nanoparticles formed in the pores.

본 발명의 일 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 있어서, 상기 다공성 탄소소재는 활성탄, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.In the battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention, the porous carbon material may be any one or two or more selected from the group consisting of activated carbon, carbon nanotubes, and carbon nanofibers.

본 발명의 일 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 있어서, 상기 활성탄의 비표면적(BET) 기공 총부피는 0.1m3/g 내지 2.0m3/g 일 수 있다.In the battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention, the specific surface area (BET) total pore volume of the activated carbon may be 0.1 m 3 /g to 2.0 m 3 /g.

본 발명의 일 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 있어서, 상기 다공성 탄소소재 및 상기 납 나노입자는 90:10 내지 50:50의이 포함될 수 있다.In the battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention, the porous carbon material and the lead nanoparticles may be included in a ratio of 90:10 to 50:50.

본 발명의 일 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 있어서, 상기 납 나노입자는 1 내지 1000nm의 크기를 갖고 상기 다공성 탄소소재에 균일하게 담지될 수 있다.In the battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention, the lead nanoparticles have a size of 1 to 1000 nm and may be uniformly supported on the porous carbon material.

본 발명에 따른 ESS wall은 상기한 ESS wall 용 배터리를 포함한다.The ESS wall according to the present invention includes the above-described battery for the ESS wall.

본 발명은 방전시 생성되는 황산납의 결정크기를 효과적으로 제어하고 증가된 패러데이 전기 화학 성능을 제공할 수 있다. The present invention can effectively control the crystal size of lead sulfate produced during discharge and provide increased Faraday electrochemical performance.

또한, 본 발명은 신규활물질을 포함함으로써 장기 운전 중, 고율 부분충전 상태(HRPSoC)와 고용량 성능의 구현이 가능하고, 충방전 용량 성능을 더욱 향상시키며 장수명 성능 및 고안전성을 제공할 수 있다. In addition, the present invention can realize high-rate partial charge state (HRPSoC) and high-capacity performance during long-term operation by including the novel active material, further improve charge/discharge capacity performance, and provide long-life performance and high safety.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited only to the range mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effect of the invention that can be recognized by those of ordinary skill in the art from the description of the specific content for the implementation of the invention to be described later is also of course included

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS wall 용 나노카본 배터리를 포함하는 ESS wall의 구조를 간략하게 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 포함되는 음극활물질 제조방법의 모식도를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 포함되는 음극활물질의 비 표면적 및 기공 크기 분포 측정 결과가 도시된 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 포함되는 음극활물질의 고해상도 주사 전자 현미경(HR-SEM) 및 에너지 분산 X 선 분광법(EDAX)가이 도시된 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 포함되는 음극활물질의 TEM사진(a 내지 h), STEM 이미지(j), 및 EDX 매핑(k 탄소, l 납)결과 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 ESS wall 용 배터리에 포함되는 음극활물질이 포함된 나노카본 배터리(납축전지)에서 1C 속도에서 방전 성능 특성을 나타낸 결과 그래프이다.
도 8은 나노카본 배터리(납축전지)에서 ESS wall 용 배터리에 포함되는 음극활물질로 본 발명의 실시예에 따른 납축전지용 음극활물질이 도입된 경우와 활성탄이 도입된 경우 0.05 및 0.1C 속도에서 성능 비교결과그래프이다.
1 is a schematic diagram schematically illustrating the structure of an ESS wall including a nano-carbon battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a method for manufacturing an anode active material included in a battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are graphs showing measurement results of specific surface area and pore size distribution of a negative active material included in a battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention.
5 is a high-resolution scanning electron microscope (HR-SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDAX) of the negative active material included in the battery for the ESS wall according to an embodiment of the present invention is a graph showing the.
6 is a TEM photograph (a to h), STEM image (j), and EDX mapping (k carbon, l lead) result photograph of a negative active material included in a battery for an ESS wall according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the discharge performance characteristics at 1C rate in a nano-carbon battery (lead acid battery) containing an anode active material included in the battery for ESS wall according to an embodiment of the present invention.
8 is a nano-carbon battery (lead-acid battery) as a negative active material included in a battery for an ESS wall when the negative active material for a lead-acid battery according to an embodiment of the present invention is introduced and when activated carbon is introduced, performance at 0.05 and 0.1C rates; This is a comparison graph.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the description of the invention exists, but is not limited to one or more other It should be understood that this does not preclude the possibility of addition or presence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분 야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석 되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present invention. does not

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.In interpreting the components, it is construed as including an error range even if there is no separate explicit description. In particular, when the terms "about", "substantially", etc. of degree are used, they may be construed as being used in a sense at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented. .

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, 'immediately' or 'directly' when a temporal precedence is described as 'after', 'following', 'after', 'before', etc. This includes cases that are not continuous unless this is used.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein, and like reference numerals indicate like elements in different forms.

본 발명의 기술적 특징은 황산납의 산화/환원 가역성을 향상시켜 납축전지 방전시 생성되는 황산납의 결정크기를 효과적으로 제어하고 증가된 패러데이 전기 화학 성능을 제공할 수 있는 음극활물질를 포함하는 ESS wall 용 나노카본 배터리에 있다.The technical feature of the present invention is to improve the oxidation/reduction reversibility of lead sulfate to effectively control the crystal size of lead sulfate generated during discharge of a lead acid battery and to provide an increased Faraday electrochemical performance. is in

즉, 납(Pb) 전구체를 다공성 탄소소재 담지체의 미세 기공에 삽입시켜 환원시킴으로써 납 나노입자가 탄소소재의 미세기공에 도입된 음극활물질을 제조하게 되면, 배터리의 방전 과정에서 황산납염(PbSO4)의 결정 크기를 제어하고, 납(Pb) 나노 입자와 탄소소재 담지체 사이의 계면 반응에서 향상된 전기 화학적 활성으로 인해 증가된 패러데이 전기 화학 성능을 제공하며, 나노 크기의 납(Pb)을 도입한 탄소소재 담지체 구조로 인해 더 높은 전기 전도도 및 전기 화학적 활성 표면적을 얻을 수 있기 때문이다. That is, when the negative electrode active material in which lead nanoparticles are introduced into the micropores of the carbon material is prepared by reducing the lead (Pb) precursor by inserting it into the micropores of the porous carbon material carrier, lead sulfate salt (PbSO 4 ), provides increased Faraday electrochemical performance due to enhanced electrochemical activity in the interfacial reaction between lead (Pb) nanoparticles and a carbon material carrier, and nano-sized lead (Pb) is introduced. This is because higher electrical conductivity and electrochemically active surface area can be obtained due to the carbon material support structure.

본 발명의 음극활물질은 기공이 형성된 다공성 탄소소재; 및 상기 기공에 형성된 납 나노입자;를 포함한다. The anode active material of the present invention includes a porous carbon material having pores; and lead nanoparticles formed in the pores.

여기서, 다공성 탄소소재는 내부에 빈 공간을 갖는 다공성 탄소소재이기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 활성탄, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 일 구현예로서, 다공성 탄소소재가 활성탄인 경우, 나노크기 및 메조크기의 기공이 다수 형성된 것으로 BET 표면적이 200m2/g 이상이면서 BET 기공 총 부피가 0.1~2.0 cm3/g일 수 있다. BET 기공 총부피는 0.1cm3/g 미만 시에는 금속산화물의 담지량이 낮아 고용량의 전극소재의 제조가 어려운 문제점이 있으며, 2.0cm3/g 초과 시에는 다공성 탄소소재 표면에 너무 많은 함량의 납 나노입자가 형성되므로 납 나노입자가 응집하여 크기가 1000nm를 초과하여 커지게 되므로, 통상적인 방전과정에서 납 활물질이 황산납(PbSO4)으로 변환되면서 부피 팽창을 야기하는 문제점을 개선할 수 없기 때문이다. 이와 같이, 다공성 탄소소재에서 중간 공극과 미세 공극의 공존은 다공성탄소소재와 그 내부 기공에 형성된 납(Pb) 나노입자를 포함하는 음극활물질이 포함된 음극을 가진 납산 배터리 작동 중 크고 빠른 이온 수송 및 전도성에 유리하다.Here, the porous carbon material is not limited as long as it is a porous carbon material having an empty space therein, but as an embodiment may be any one or two or more selected from the group consisting of activated carbon, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. As an embodiment, when the porous carbon material is activated carbon, a plurality of nano-sized and meso-sized pores are formed, and the BET surface area is 200 m 2 /g or more and the total BET pore volume may be 0.1 to 2.0 cm 3 /g. When the total BET pore volume is less than 0.1cm 3 /g, there is a problem that it is difficult to manufacture a high-capacity electrode material due to the low amount of metal oxide supported . Since the particles are formed, lead nanoparticles aggregate and the size exceeds 1000 nm, so the problem that the lead active material is converted to lead sulfate (PbSO 4 ) in a typical discharge process and causes volume expansion cannot be improved. . As such, the coexistence of mesopores and micropores in porous carbon materials is a result of large and rapid ion transport and good for conductivity.

납 나노입자는 질산납(Pb(NO3)2)과 같은 납전구체로부터 유래 되어 다공성 탄소소재의 기공 내부에 균일하게 담지되거나, 다공성 탄소소재의 외부표면에 부착되어 형성될 수 있는데, 다공성 탄소소재의 기공 내부에 담지되어 형성되거나 표면에 형성되는 납 나노입자의 크기는 다공성 탄소소재의 기공의 크기 및 납전구체의 함량 및 처리방법을 통해 제어되어 1 내지 1000nm의 크기로 형성된다. Lead nanoparticles are derived from a lead precursor such as lead nitrate (Pb(NO 3 ) 2 ) and can be uniformly supported inside the pores of the porous carbon material or formed by attaching to the outer surface of the porous carbon material. The size of the lead nanoparticles supported inside the pores of the or formed on the surface is controlled through the pore size of the porous carbon material, the content of the lead precursor, and the treatment method, and is formed in a size of 1 to 1000 nm.

이와 같이 음극활물질이 다공성 탄소소재와 기공내부에 형성된 납 나노입자를 포함하면서 동시에 납 나노입자의 크기가 1000nm 이하로 형성되면, 공지된 납축전지 및 Pb/C전지의 음극에서 일어나는 통상적인 방전과정에서 납 활물질이 황산납(PbSO4)으로 변환되면서 부피 팽창을 야기함으로써 수명저하를 야기하는 것과는 달리, 핵형성 및 성장 중에 납의 산화물 형성을 방지함으로써 음극에서 생성되는 황산납염의 크기를 제어할 수 있으므로 황산납의 산화/환원 가역성을 향상시켜 전지의 성능 및 수명을 크게 개선할 수 있다. As such, when the negative electrode active material includes the porous carbon material and the lead nanoparticles formed inside the pores and the size of the lead nanoparticles is less than 1000 nm, in a typical discharge process that occurs in the negative electrode of known lead acid batteries and Pb/C batteries Unlike lead active material, which is converted to lead sulfate (PbSO 4 ) and causes a decrease in lifespan by causing volume expansion, the size of lead sulfate produced in the negative electrode can be controlled by preventing the formation of oxides of lead during nucleation and growth. By improving the oxidation/reduction reversibility of lead, the performance and lifespan of the battery can be greatly improved.

따라서, 본 발명의 음극활물질은 다공성탄소소재와 납 나노입자를 포함하는데, 다공성 탄소소재 및 납 나노입자는 100:0 내지 50:50의 중량비로 포함될 수 있다. 한편, 다공성탄소소재와 납 나노입자의 중량비가 90:10 미만이면 다공성탄소소재에 납 나노입자가 균일하게 형성되지 않아 용량이 낮은 문제점이 있고 50:50을 초과하게 되면 다공성탄소소재 표면에 형성되는 납 나노입자가 응집하여 크기가 1000nm를 초과하여 커질 뿐만 아니라 균질성도 떨어지게 되기 때문이다. Accordingly, the negative active material of the present invention includes a porous carbon material and lead nanoparticles, and the porous carbon material and lead nanoparticles may be included in a weight ratio of 100:0 to 50:50. On the other hand, if the weight ratio of the porous carbon material to the lead nanoparticles is less than 90:10, the lead nanoparticles are not uniformly formed on the porous carbon material, so the capacity is low. This is because lead nanoparticles are aggregated to not only increase in size exceeding 1000 nm, but also decrease in homogeneity.

다음으로, 본 발명의 음극활물질 제조방법은 다수의 기공을 갖는 다공성 탄 소소재를 용매에 넣고 분산시켜 탄소소재분산용액을 준비하는 단계; 상기 탄소소재분산용액에 납전구체를 첨가하여 상기 탄소소재의 기공에 납전구체를 함침시키는 함침단계; 상기 함침된 납전구체를 환원시켜 상기 탄소소재의 기공에 납 나노입자를 형성함으로써 음극활물질을 얻는 단계; 및 상기 음극활물질을 세척한 후 건조하는 단계;를 포함한다. Next, the method for preparing an anode active material of the present invention includes the steps of preparing a carbon material dispersion solution by dispersing a porous carbon material having a plurality of pores in a solvent; an impregnation step of impregnating the pores of the carbon material with a lead precursor by adding a lead precursor to the carbon material dispersion solution; obtaining an anode active material by reducing the impregnated lead precursor to form lead nanoparticles in pores of the carbon material; and washing and drying the negative active material.

탄소소재분산용액을 준비하는 단계는 다공성 탄소소재를 나노사이즈로 분산시키기 위해 교반기와 초음파 처리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 여기서, 다공성 탄소소재는 활성탄 또는 탄소나노튜브일 수 있고, 활성탄인 경우 100-3000℃의 온도에서 KOH, NaOH 및 이들의 조합물 중 어느 하나로 활성화시킨 후 300-900℃의 온도로 탄화시켜 얻어진 것일 수 있다. In the step of preparing the carbon material dispersion solution, the step of ultrasonicating with a stirrer may be further performed to disperse the porous carbon material to a nano size. Here, the porous carbon material may be activated carbon or carbon nanotubes, and in the case of activated carbon, it is obtained by activating at a temperature of 100-3000°C with any one of KOH, NaOH, and a combination thereof and then carbonizing it at a temperature of 300-900°C. can

함침단계는 탄소 소재분산용액을 교반기와 초음파로 1차 처리하면서 일정 함량의 납 전구체를 분산용액에 적가하는 단계; 및 납 전구체의 적가가 완료된 분산용액을 교반기와 초음파로 2차 처리하여 전구체용액을 얻는 단계;를 포함한 다. 여기서, 납전구체는 질산납(Pb(NO3)2), 황산납(PbSO4), 염산납(PbCl2), 아세트산납(Pb(CH3COO)2), 크롬산납(Pb(CrO4 )), 브롬산납(PbBr2), 요오드산납(PbI2)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있는데, 분산용액에 적가된 납전구체는 교반기와 초음파처리를 통해 나노사이즈로 분산되어 다공성 탄소소재의 기공에 나노 납 입자가 담지된 상태로 형성될 수 있다. 또한, 이와 같이 납전구체가 교반기와 초음파처리를 통해 나노사이즈로 분산되면 납전구체의 함량을 조절함으로써 다공성 탄소소재의 기공에 주로 나노 납입자가 형성되고 표면에 형성되는 것을 최소화할 수 있다. 더 나아가 다공성 탄소소재의 표면에 납 입자가 형성되더라도 교반기와 초음파처리를 통해 나노 납입자로 형성되므로 종래 음극활물질과는 달리 방전시 핵형성 및 성장 중에 납의 산화물 형성을 방지할 수 있다.The impregnation step includes the steps of adding a predetermined amount of lead precursor dropwise to the dispersion solution while first treating the carbon material dispersion solution with a stirrer and ultrasonic waves; and secondarily treating the dispersion solution in which the dropwise addition of the lead precursor is completed with a stirrer and ultrasonic waves to obtain a precursor solution. Here, the lead precursor is lead nitrate (Pb(NO 3 ) 2 ), lead sulfate (PbSO 4 ), lead hydrochloride (PbCl 2 ), lead acetate (Pb(CH 3 COO) 2 ), lead chromate (Pb(CrO 4 ) ), lead bromate (PbBr 2 ), and lead iodate (PbI 2 ) may be any one selected from the group consisting of, the lead precursor added dropwise to the dispersion solution is dispersed in nano size through a stirrer and ultrasonication to form a porous carbon material. It may be formed in a state in which the nano-lead particles are supported in the pores. In addition, when the lead precursor is dispersed to a nano size through a stirrer and ultrasonic treatment as described above, the formation of nano lead particles mainly in the pores of the porous carbon material and on the surface can be minimized by controlling the content of the lead precursor. Furthermore, even if lead particles are formed on the surface of the porous carbon material, it is possible to prevent the formation of lead oxide during nucleation and growth during discharge, unlike conventional negative electrode active materials, because they are formed into nano lead particles through a stirrer and ultrasonic treatment.

음극활물질을 얻는 단계는 함침단계에서 얻어진 전구체용액을 0~10℃로 냉각시키는 단계; 냉각된 전구체용액에 환원제를 첨가하는 단계; 환원제가 첨가된 전구체용액을 가열한 후 교반하는 단계; 가열된 전구체용액을 실온으로 냉각시킨 후 교반기와 초음파로 3차 처리하는 단계; 및 교반기와 초음파로 3차 처리된 전구체 용액을 실온에서 일정시간 유지하여 고정하는 단계;를 포함한다.The step of obtaining the anode active material includes cooling the precursor solution obtained in the impregnation step to 0 to 10°C; adding a reducing agent to the cooled precursor solution; heating and then stirring the precursor solution to which the reducing agent is added; After cooling the heated precursor solution to room temperature, tertiary treatment with a stirrer and ultrasonic waves; and maintaining and fixing the precursor solution tertiarily treated with a stirrer and ultrasonic waves at room temperature for a certain period of time.

여기서, 환원제는 공지된 환원제가 모두 사용될 수 있으나, 일 구현예로서 sodium borohydride, Iron(ii) sulfate, Lithium aluminium hydride, Metal salts, Sulfur compounds로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 전구체 용액에 0.01-5M로 포함될 수 있다. 이와 같은 환원과정을 통해 균일한 분포도를 가지는 Pb nanoparticle 제조, 즉 균일한 입자크기를 가지는 Pb nano 입자 제조 효과를 얻을 수 있다. Here, the reducing agent may be any known reducing agent, but as an embodiment, any one selected from the group consisting of sodium borohydride, iron(ii) sulfate, lithium aluminum hydride, metal salts, and sulfur compounds, and in the precursor solution 0.01-5M may be included. Through such a reduction process, it is possible to obtain the effect of producing Pb nanoparticles having a uniform distribution, that is, producing Pb nanoparticles having a uniform particle size.

고정하는 단계는 상온, 상압 또는 진공조건에서 수행되는데 진공조건에서 수행될 경우 Pb 입자가 다공성 탄소소재 기공 내에 용이하게 흡착되어 전기화학적 활성이 커지고, 활물질 제조과정에서 용매 제거가 용이하기 때문이다.The fixing step is performed at room temperature, atmospheric pressure, or vacuum conditions. When performed under vacuum conditions, the Pb particles are easily adsorbed into the pores of the porous carbon material to increase electrochemical activity, and solvent removal is easy in the active material manufacturing process.

상술된 구성을 갖는 음극활물질을 포함하는 음극 및 음극이 적용된 2차 전지는 기존에 공지된 납(Pb) 입자를 갖는 활성탄보다 높은 방전 용량(0.05C 속도로 1.938Ah)를을 제공했다. 이와 같이 본 발명의 새로운 하이브리드 구조의 음극활물질은 더 큰 크기의 납 황산염 생성 크기를 제어하고, 가용량(Pseudocapacitance) 부여, 높은 전기 전도도, 전기 화학 반응 저항을 줄이고 효율적인 저장 용량 성능 같은 시너지 효과를 제공할 수 있다.A negative electrode comprising a negative electrode active material having the above-described configuration and a secondary battery to which the negative electrode is applied provided a higher discharge capacity (1.938 Ah at 0.05 C rate) than the conventionally known activated carbon having lead (Pb) particles. As such, the anode active material of the novel hybrid structure of the present invention controls the generation size of lead sulfate of a larger size, gives pseudocapacitance, high electrical conductivity, reduces electrochemical reaction resistance, and provides synergistic effects such as efficient storage capacity performance. can do.

아울러, 상술된 구성을 갖는 음극활물질은 ESS(Energy Storage System, ESS) wall 용 나노카본 배터리에 적용될 수 있다. 종래, ESS wall용 배터리는 리튬기반 배터리로, 자체 폭발 및 사용관리에 의한 화재 위험도가 높다. 그러나 본 발명의 음극활물질을 포함하는 ESS wall 용 나노카본 배터리는 화재안전성이 강화되어 실질적으로 건물 내외부 벽을 대체할 수 있는 ESS wall을 제공할 수 있도록 한다. 본 발명의 ESS wall용 나노카본 배터리는 2차 전지일 수 있으며, 비한정적인 예로 상술한 납축전지, Pb/C전지 일 수 있다. In addition, the negative active material having the above-described configuration may be applied to a nano-carbon battery for an ESS (Energy Storage System, ESS) wall. Conventionally, the battery for the ESS wall is a lithium-based battery, and the risk of fire due to self-explosion and use management is high. However, the nano-carbon battery for ESS wall containing the anode active material of the present invention has enhanced fire safety so that it is possible to provide an ESS wall that can substantially replace the interior and exterior walls of buildings. The nano-carbon battery for ESS wall of the present invention may be a secondary battery, and may be the lead-acid battery and Pb/C battery described above as non-limiting examples.

도 1에는 본 발명의 ESS wall용 나노카본 배터리가 내장된 ESS wall의 모식도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 ESS wall은 벽체 내부에 전력생산이 가능한 Turbine generator, 생산된 직류 전류를 교류로 변환시키기 위한 condenser 및 변환된 교류 전류를 저장할 수 있는 ESS wall용 나노카본 배터리를 구비할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 당업계에 공지된 ESS wall의 구조는 적용이 가능하다. 다만, 종래 ESS wall용 배터리 대신 본 발명의 ESS wall용 배터리를 적용하여 화재안전성을 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 ESS wall은 모듈러 방식을 이용하여 상기 본 발명의 ESS wall용 나노카본 배터리의 직병렬 연결을 통한 자유로운 용량 및 출력설계가 가능할 수 있다. 1 is a schematic diagram of the ESS wall in which the nano-carbon battery for the ESS wall of the present invention is embedded is shown. Referring to Figure 1, the ESS wall of the present invention is equipped with a turbine generator capable of generating power inside the wall, a condenser for converting the produced DC current into AC, and a nano-carbon battery for the ESS wall capable of storing the converted AC current. However, it is not limited thereto, and the structure of the ESS wall known in the art is applicable. However, it is preferable to have fire safety by applying the battery for the ESS wall of the present invention instead of the battery for the conventional ESS wall. The ESS wall of the present invention may be capable of freely designing capacity and output through series-parallel connection of the nano-carbon batteries for the ESS wall of the present invention using a modular method.

[실시예 1][Example 1]

다음과 같은 단계를 수행하여 음극활물질을 제조하였다. 각 공정은 오염을 피하기 위해 불활성 가스 분위기에서 수행하였다.An anode active material was prepared by performing the following steps. Each process was performed in an inert gas atmosphere to avoid contamination.

1. 탄소소재분산용액을 준비하는 단계1. Step of preparing a carbon material dispersion solution

탈이온수 100ml를 넣은 3-neck 둥근 바닥 플라스크에 활성탄 P-60(한일 화학, 한국) 0.8g을 넣는다. 탈이온수에 균일하게 분산된 활성탄을 10분 동안 교반기와 초음파 처리(40kHz)하여 탄소소재분산용액을 준비하였다.Add 0.8 g of activated carbon P-60 (Hanil Chemical, Korea) to a 3-neck round-bottom flask containing 100 ml of deionized water. Activated carbon uniformly dispersed in deionized water was treated with a stirrer and ultrasonic wave (40 kHz) for 10 minutes to prepare a carbon material dispersion solution.

2. 함침단계2. Impregnation step

준비된 탄소소재분산용액에 담지량이 10중량%가 되도록 질산납(Pb(NO3)2)을 실온에서 계속해서 1차 교반 및 초음파 처리하면서 20분에 걸쳐서 적가하였다. 이후 상기 탄소소재분산용액을 30분 동안 2차 교반 및 초음파 처리하여 얻어진 탄소소재분산용 액을 5℃로 냉각시켰다.Lead nitrate (Pb(NO 3 ) 2 ) was added dropwise over 20 minutes while continuously primary stirring and ultrasonication at room temperature so that the supported amount was 10% by weight in the prepared carbon material dispersion solution. Thereafter, the carbon material dispersion solution obtained by second stirring and ultrasonication of the carbon material dispersion solution for 30 minutes was cooled to 5°C.

3. 음극활물질을 얻는 단계3. Step of obtaining an anode active material

25mL의 탈이온수 중의 0.3M의 NaBH4를 탄소소재분산용액에 한 방울씩 첨가 하였다. 환원제를 완전히 첨가한 후, 용액을 80℃로 가열하고 2시간 동안 계속 교반 하였다. 실온으로 냉각시킨 후, 용액을 15분 동안 교반 및 초음파 처리하였다. 그 후, 용액을 12시간 동안 실온에서 정지 상태로 유지시켰다. 0.3M NaBH 4 in 25 mL of deionized water was added dropwise to the carbon material dispersion solution. After complete addition of the reducing agent, the solution was heated to 80° C. and stirring was continued for 2 hours. After cooling to room temperature, the solution was stirred and sonicated for 15 min. The solution was then held stationary at room temperature for 12 hours.

4. 세척 및 건조 단계4. Washing and drying steps

용액을 여과하고 포함된 고체 물질(음극활물질)을 탈이온수 및 에탄올로 수회 세척한 후 열풍 오븐에서 건조시켜 음극활물질1을 얻었다. The solution was filtered, and the contained solid material (negative active material) was washed several times with deionized water and ethanol, and then dried in a hot air oven to obtain a negative electrode active material 1.

여기서, 얻어진 음극활물질1(Activated Carbon-lead(Pb) from 10%(Pb(NO3)2))은 도 2에 도시된 개략도와 같이 납(Pb) 나노 입자가 활성탄의 미세 세공에 삽입되어 형성된다. Here, the obtained negative active material 1 (Activated Carbon-lead(Pb) from 10%(Pb(NO 3 ) 2 )) is formed by inserting lead (Pb) nanoparticles into the micropores of activated carbon as shown in the schematic diagram in FIG. 2 . do.

[실시예 2][Example 2]

함침단계에서 담지량이 30중량%가 되도록 질산납의 적가량을 조절한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 음극활물질2(Activated Carbon- lead(Pb) from 30%(Pb(NO3)2))를 얻었다.Anode active material 2 (Activated Carbon-lead(Pb) from 30%(Pb(NO 3 ) 2 )) was obtained.

[실시예 3][Example 3]

함침단계에서 담지량이 50중량%가 되도록 질산납의 적가량을 조절한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 음극활물질 3(Activated Carbon-lead(Pb) from 50%(Pb(NO3)2))을 얻었다.Anode active material 3 (Activated Carbon-lead(Pb) from 50%(Pb(NO 3 ) 2 )) was obtained.

[실험예 1][Experimental Example 1]

실시예1 내지 3에서 얻어진 음극활물질1 내지 3에 대한 비표면적(SSA) 및 기공 부피 분석을 질소 수착(흡착/탈착) 등온선을 통한 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 및 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 방법(ASAP 2020)에 의해 계산되었다. 음극활물질1 내지 3에 대한 N2 흡착/탈착 등온선 곡선을 도 3에 나타내었다.Brunauer-Emmett-Teller (BET) and Barrett-Joyner-Halenda (BJH) analysis of specific surface area (SSA) and pore volume for negative active materials 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 through nitrogen sorption (adsorption/desorption) isotherms ) method (ASAP 2020). The N 2 adsorption/desorption isotherm curves for the negative active materials 1 to 3 are shown in FIG. 3 .

도 3에 도시된 바와 같이 모든 음극활물질에 대해 히스테리시스 루프가 나타났다. 모든 음극활물질에서 비표면적 감소가 나타났는데, 납(Pb) 나노입자의 함량이 각각 0(활성탄), 10, 30, 50 중량 %(음극활물질1내지 3)인 경우, 비표면적은 각각 1787, 1669, 1445 및 1305 m2g-1 이다. 이와 같이 활물질의 비표면적은 납(Pb) 나노입자를 활성탄의 미세 공극에 삽입하여 납 함량을 증가시킴에 따라 지속적으로 감소한다. 이는 나노 크기의 납(Pb) 입자가 탄소 세공에 성공적으로 삽입되었기 때문이다.As shown in FIG. 3 , a hysteresis loop appeared for all negative active materials. A decrease in specific surface area was observed for all negative active materials. When the content of lead (Pb) nanoparticles was 0 (activated carbon), 10, 30, and 50 wt % (negative active materials 1 to 3), respectively, the specific surface areas were 1787 and 1669, respectively. , 1445 and 1305 m 2 g -1 . As such, the specific surface area of the active material continuously decreases as the lead content is increased by inserting lead (Pb) nanoparticles into the micropores of the activated carbon. This is because nano-sized lead (Pb) particles were successfully inserted into the carbon pores.

[실험예 2][Experimental Example 2]

실시예1 내지 3에서 얻어진 음극활물질1 내지 3에서 활성탄 내부의 세공으로 납(Pb) 나노입자가 담지 되어 형성되었는지 여부를 확인하기 위해 BJH 분석으로 전체 세공 용적을 측정하였고 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to determine whether lead (Pb) nanoparticles were supported and formed in the negative active materials 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3, the total pore volume was measured by BJH analysis, and the results are shown in FIG. it was

도 4에 도시된 바와 같이, 납(Pb) 나노입자의 함량이 각각 0(활성탄), 10, 30, 50 중량 %(음극활물질1내지 3)인 경우 활물질의 총 세공 부피는 각각 0.805, 0.759, 0.657 및 0.592cm3g-1 이다. 본 발명의 음극활물질 합성 과정에서 기공 내에 납(Pb) 나노 입자가 포함 되어 있어 활성탄 기공 부피가 지속적으로 감소하는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 4, when the content of lead (Pb) nanoparticles is 0 (activated carbon), 10, 30, and 50 wt% (cathode active materials 1 to 3), respectively, the total pore volume of the active material is 0.805, 0.759, 0.657 and 0.592 cm 3 g -1 . In the process of synthesizing the anode active material of the present invention, it can be seen that the pore volume of the activated carbon is continuously decreased because lead (Pb) nanoparticles are included in the pores.

[실험예 3][Experimental Example 3]

실 시예1 내지 3에서 얻어진 음극활물질1 내지 3의 활성탄 내부의 세공으로 납(Pb) 나노입자가 담지 되어 형성되었는지 여부를 확인하기 위해 고해상도 주사 전자 현미경(HR-SEM)(SU-70, HITACHI) 및 에너지 분산 X 선 분광법(EDAX)을 수행하고 그 결과를 도 5에 도시하였다.A high-resolution scanning electron microscope (HR-SEM) (SU-70, HITACHI) to confirm whether lead (Pb) nanoparticles were supported and formed in the pores inside the activated carbon of the negative active materials 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDAX), and the results are shown in FIG. 5 .

도 5에서 (a)는 활성탄의 SEM 사진과 EDAX 결과를, (b)-(d)는 실시예 1 내지 3에서 얻어진 음극활물질 1 내지 3의 SEM 사진과 EDAX 결과를 보여준 다. In FIG. 5, (a) shows SEM photos and EDAX results of activated carbon, and (b)-(d) shows SEM photos and EDAX results of negative active materials 1 to 3 obtained in Examples 1-3.

도 5에 도시된 바와 같이, 납(Pb) 나노입자가 담지된 음극활물질 1 내지 3의 EDAX 결과에서 납의 피크가 관찰되었다. 또한, Pb 함량이 증가함에 따라 Pb 피크의 강도가 증가함을 확인할 수 있다. 본 발명의 음극활물질 합성 결과 납의 담지가 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다. As shown in FIG. 5 , lead peaks were observed in the EDAX results of negative active materials 1 to 3 on which lead (Pb) nanoparticles were supported. In addition, it can be confirmed that the intensity of the Pb peak increases as the Pb content increases. As a result of synthesizing the anode active material of the present invention, it can be seen that the lead loading was successful.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, EDAX Mapping 분석 결과, Pb 나노입자가 균일하게 분포되어 담지 되었음을 관찰할 수 있다 .In addition, as shown in FIG. 5, as a result of EDAX Mapping analysis, it can be observed that Pb nanoparticles are uniformly distributed and supported.

[실험예 4][Experimental Example 4]

실시예1 내지 3에서 얻어진 음극활물질1 내지 3의 표면 특성인 입자 크기 및 활물질 내 납 입자의 분포를 확인하기 위해 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM), 스캐닝 투과 전자 현미경(STEM)(TECNAI F20, 필립스) 및 에너지 분산 X 선 분광법(EDAX)을 수행하고 그 결과를 도 6에 도시하였다.A high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), a scanning transmission electron microscope (STEM) (TECNAI F20, Philips) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDAX) were performed, and the results are shown in FIG. 6 .

도 6에서 (a) 및 (b)는 활성탄의 TEM 현미경 사진을 보여준다. 활성탄의 미세 구조에서 시트와 같은 형태를 보였는데, 이는 중공 미세 구조의 탄소 나노 시트로 이루어져있음을 알 수 있다.6 (a) and (b) show TEM micrographs of activated carbon. The microstructure of activated carbon showed a sheet-like shape, and it can be seen that it was composed of carbon nanosheets with a hollow microstructure.

도 6에서 (c) 내지 (h)는 음극활물질 1 내지 3의 TEM 이미지로서 활성탄의 큰 표면 및 그 기공에 균일하게 분포된 납(Pb) 나노입자를 보여준다. 활성탄의 내부기공에 담지 되어 형성된 Pb 나노 입자는 나노 스케일 범위(<5nm)이며 크기가 거의 균일하다. 6 (c) to (h) are TEM images of the negative active materials 1 to 3, showing lead (Pb) nanoparticles uniformly distributed on the large surface of the activated carbon and its pores. The Pb nanoparticles formed by being supported in the internal pores of activated carbon are in the nanoscale range (<5 nm) and have almost uniform sizes.

도 6에서 (i)는 음극활물질 2의 고배율 TEM 이미지로서 납(Pb) 나노입자의 균일한 분산과 입자 사이즈가 5nm 미만임을 보여준다.In FIG. 6 (i) is a high-magnification TEM image of the negative active material 2, showing that the lead (Pb) nanoparticles are uniformly dispersed and the particle size is less than 5 nm.

도 6에서 (j) 내지 (l)는 음극활물질 2의 납 활물질 균질 분산의 추가 확인을 위한 EDX 매핑 분석결과를 도시한 것이다. 이를 통해 납(Pb) 나노 입자가 활성탄에 균일하게 도입되었음을 확인하였다. 6 (j) to (l) show the EDX mapping analysis results for further confirmation of the homogeneous dispersion of the lead active material of the negative electrode active material 2. Through this, it was confirmed that the lead (Pb) nanoparticles were uniformly introduced into the activated carbon.

[실시예 4 내지 6][Examples 4 to 6]

다음과 같이 음극활물질 1 내지 3을 달리한 것을 제외하면 동일한 방법으로 음극1 내지 3을 각각 제조하였다.Anodes 1 to 3 were respectively prepared in the same manner, except that negative active materials 1 to 3 were changed as follows.

실시예 1 내지 3으로 제조한 음극활물질1 내지 3을 30wt%, 바인더 2wt%를 68wt%의 탈이온수로 혼합하였다. 이 혼합 용액을 Pb 음극에 코팅하고 상온에서 3일 동안 건조시켜 음극1 내지 3을 제조하였다.30 wt% of the negative active materials 1 to 3 prepared in Examples 1 to 3, and 2 wt% of the binder were mixed with 68 wt% of deionized water. The mixed solution was coated on a Pb anode and dried at room temperature for 3 days to prepare anodes 1 to 3.

[실시예 7][Example 7]

2 개의 양극 PbO2 전극과 실시예4에서 제조된 1 개의 음극1 을 음극전극으로 조립하여 납축전지1(Activated Carbon-Pb(derived from 10%(Pb(NO3)2))을 제조하였다. 이 때, 양극 및 음극을 흡수성 유리 섬유 시트(AGM)로 분리하였다. 비중이 1.28인 묽은 황산(H2SO4, Sigma Aldrich, USA)을 전해액으로 사용하였다.Two positive PbO 2 electrodes and one negative electrode 1 prepared in Example 4 were assembled as a negative electrode to prepare a lead-acid battery 1 (Activated Carbon-Pb (derived from 10%(Pb(NO 3 ) 2 )). At this time, the anode and the cathode were separated by an absorbent glass fiber sheet (AGM), and diluted sulfuric acid (H 2 SO 4 , Sigma Aldrich, USA) having a specific gravity of 1.28 was used as an electrolyte.

[실시예 8][Example 8]

음극전극으로 실시예5에서 얻어진 음극 2를 사용한 것을 제외하면 실시예7과 동일한 방법으로 납축전지 2(Activated Carbon-Pb(derived from 30%(Pb(NO3)2))를 제조하였다. A lead acid battery 2 (Activated Carbon-Pb (derived from 30%(Pb(NO 3 ) 2 )) was prepared in the same manner as in Example 7, except that the negative electrode 2 obtained in Example 5 was used as the negative electrode.

[실시예 9][Example 9]

음극전극으로 실시예 6에서 얻어진 음극 3을 사용한 것을 제외하면 실시예 7과 동일한 방법으로 납축전지 3(Activated Carbon-Pb(derived from 50%(Pb(NO3)2))을 제조하였다. A lead acid battery 3 (Activated Carbon-Pb (derived from 50%(Pb(NO 3 ) 2 )) was prepared in the same manner as in Example 7, except that the negative electrode 3 obtained in Example 6 was used as the negative electrode.

[실험예 5][Experimental Example 5]

본 발명의 음극활물질에서 다공성 탄소소재의 내부기공에 도입되는 납(Pb) 나노입자 도입을 최적화하기 위해 전기 화학적 특성 분석 목적으로, 실시예 7 내지 9에서 얻어진 납축전지 1내지 3에 대해 방전 곡선을 관찰하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이 때, 납축전지 1 내지 3은 1C 속도로 충전하고 방전되었다. 납축전지의 충전 및 방전 성능은 일정한 전기 부하를 적용하여 McScience 배터리 시험기 Q101에서 평가하였다.For the purpose of electrochemical characterization in order to optimize the introduction of lead (Pb) nanoparticles introduced into the internal pores of the porous carbon material in the negative electrode active material of the present invention, the discharge curves for the lead-acid batteries 1 to 3 obtained in Examples 7 to 9 observed and the results are shown in FIG. 7 . At this time, the lead-acid batteries 1 to 3 were charged and discharged at a rate of 1C. The charging and discharging performance of the lead-acid battery was evaluated in a McScience battery tester Q101 by applying a constant electrical load.

도 7에 도시 된 바와 같이, 활물질에 따른 전지 방전 시간은 활성탄에 담지된 납(Pb) 나노입자의 함량에 따라 상이하다. 즉, 활성탄에 납(Pb) 나노입자가 10중량%로 담지된 음극활물질 1이 사용된 납축전지1과 50중량%가 담지된 음극활물질 3이 사용된 납축전지 3에 비해, 30중량%가 담지된 음극활물질 2가 사용된 납축전지2에서 더 높은 방전 성능이 관찰되었다. 즉, 납축전지1 내지 3의 방전 용량은 1C 속도에서 각각 0.8395, 0.9601 및 0.8625 Ah이기 때문이다 .As shown in FIG. 7 , the battery discharge time according to the active material is different depending on the content of lead (Pb) nanoparticles supported on the activated carbon. That is, compared to lead-acid battery 1 in which anode active material 1 in which 10 wt% of lead (Pb) nanoparticles were supported on activated carbon was used and lead-acid battery 3 in which anode active material 3 in which 50 wt% of lead (Pb) nanoparticles were supported, 30 wt% was supported A higher discharge performance was observed in the lead-acid battery 2 in which the negative electrode active material 2 was used. That is, the discharge capacities of the lead-acid batteries 1 to 3 are 0.8395, 0.9601, and 0.8625 Ah at 1C rate, respectively.

[실험예 6][Experimental Example 6]

본 발명의 음극활물질의 성능분석을 위해, Pb 나노 입자가 없는 활성탄으로 코팅된 음극으로 다음과 같이 비교 시험하였다. 납축전지 단위 셀 테스트의 성능 시험은 활성탄으로 코팅된 음극 및 납축전지 2의 방전성능을 충전(2.33V) 및 방전(다양한 C rate-0.05, 0.1, 0.2, 0.5 및 1) 과정을 통해 비교 분석하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. For performance analysis of the anode active material of the present invention, a negative electrode coated with activated carbon without Pb nanoparticles was compared and tested as follows. The performance test of the lead-acid battery unit cell test compares and analyzes the discharge performance of the anode coated with activated carbon and the lead-acid battery 2 through the charging (2.33V) and discharging (various C rates-0.05, 0.1, 0.2, 0.5 and 1) processes, and The results are shown in FIG. 8 .

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 음극활물질이 코팅된 음극은 활성탄으로 코팅한 음극보다 높은 방전 용량을 제공하는 것을 알 수 있다. 활성탄으로 코팅한 전극을 도입한 전지의 방전 용량은 1.783Ah이고, 본 발명의 음극활물질이 도입된 전극으로 조립한 전지의 경우 0.05C 속도에서 1.938Ah C-rate 성능을 나타내었다. C-rate가 높을수록 본 발명의 음극활물질이 포함된 음극에서 더 높은 방전 용량이 얻어졌다.As shown in FIG. 8 , it can be seen that the negative electrode coated with the negative electrode active material of the present invention provides a higher discharge capacity than the negative electrode coated with activated carbon. The discharge capacity of the battery to which the electrode coated with activated carbon was introduced was 1.783 Ah, and the battery assembled with the electrode to which the negative active material of the present invention was introduced exhibited a C-rate performance of 1.938 Ah at a rate of 0.05 C. The higher the C-rate, the higher the discharge capacity was obtained in the negative electrode including the negative electrode active material of the present invention.

납축전지 성능은 전극 재료의 표면 및 다공성 특성과 직접 관련이 있다. 따라서, 상술된 실험결과들로부터 분명하듯이, 본 발명의 음극활물질은 Pb 나노입자가 ultra sonication을 통한 습식 함침 기술을 통해 활성탄의 미세공 내에 삽입되어 형성되고, 이러한 하이브리드 구조가 납산 배터리 성능 구현 기간 동안 초기 성능 및 장기 안정성 등에 관한 전기 화학 반응 진행을 위한 거대한 활성 사이트로 작동될 수 있어, 차세대 납축전지 시스템의 유망한 음극 재료가 될 것으로 예상된다. Lead-acid battery performance is directly related to the surface and porous properties of the electrode material. Therefore, as is evident from the above experimental results, the negative active material of the present invention is formed by inserting Pb nanoparticles into the micropores of activated carbon through wet impregnation technology through ultra sonication, and this hybrid structure is the lead-acid battery performance implementation period It is expected to be a promising anode material for next-generation lead-acid battery systems, as it can act as a huge active site for electrochemical reaction progress regarding initial performance and long-term stability during the period.

[실시예 10][Example 10]

실시예 7 내지 9에서 얻어진 셀 구성으로 2V, 100Ah 완성 전지를 조립하였다. 상기 완성 전지를 각각 직병렬로 구성하여 ESS wall에 고정하였다. 구체적으로 2V, 100Ah 전지의 경우, 12개 셀을 직렬 구성한 후, 추가 12셀을 병렬 구성하여 24V, 200Ah 전지 시스템을 완성하였다. 2V, 100Ah completed batteries were assembled with the cell configurations obtained in Examples 7 to 9. Each of the completed batteries was configured in series and parallel and fixed to the ESS wall. Specifically, in the case of a 2V, 100Ah battery, 12 cells were configured in series, and then an additional 12 cells were configured in parallel to complete a 24V, 200Ah battery system.

[실시예 11][Example 11]

실시예 7 내지 9에서 얻어진 셀 구성으로 완성전지가 2V, 200Ah인 것을 제외하고 실시예 10과 동일하게 구성하였다. 상기 완성 전지를 각각 직병렬로 구성하여 ESS 월에 고정하였다. 구체적으로 2V, 200Ah 전지의 경우, 12개 셀을 직렬 구성한 후, 추가 12셀을 병렬 구성하여 24V, 400Ah 전지 시스템을 완성하였다. The cell configuration obtained in Examples 7 to 9 was the same as in Example 10 except that the completed battery was 2V and 200Ah. Each of the completed batteries was configured in series and parallel and fixed to the ESS wall. Specifically, in the case of a 2V, 200Ah battery, 12 cells were configured in series and then an additional 12 cells were configured in parallel to complete a 24V, 400Ah battery system.

[실시예 12][Example 12]

실시예 7 내지 9에서 얻어진 셀 구성으로 완성전지가 2V, 400Ah인 것을 제외하고 실시예 10과 동일하게 구성하였다. 상기 완성 전지를 각각 직병렬로 구성하여 ESS 월에 고정하였다. 구체적으로 2V 400Ah 전지의 경우, 12개셀을 직렬 구성한 후, 추가 12셀을 병렬 구성하여 24V, 800Ah 전지 시스템을 완성하였다. The cell configuration obtained in Examples 7 to 9 was the same as in Example 10, except that the completed battery was 2V and 400Ah. Each of the completed batteries was configured in series and parallel and fixed to the ESS wall. Specifically, in the case of a 2V 400Ah battery, 12 cells were configured in series, and then additional 12 cells were configured in parallel to complete a 24V, 800Ah battery system.

[실시예 13][Example 13]

실시예 7 내지 9에서 얻어진 셀 구성으로 완성전지가 2V, 2000Ah인 것을 제외하고 실시예 10과 동일하게 구성하였다. 상기 완성 전지를 각각 직병렬로 구성하여 ESS 월에 고정하였다. 구체적으로 2V, 2000Ah 전지의 경우, 12개 셀을 직렬 구성한 후, 추가 12셀을 병렬 구성하여 24V, 4000Ah 전지 시스템을 완성하였다. The cell configuration obtained in Examples 7 to 9 was the same as in Example 10 except that the completed battery was 2V and 2000Ah. Each of the completed batteries was configured in series and parallel and fixed to the ESS wall. Specifically, in the case of a 2V, 2000Ah battery, 12 cells were configured in series, and then an additional 12 cells were configured in parallel to complete a 24V, 4000Ah battery system.

[실시예 14][Example 14]

실시예 7 내지 9에서 얻어진 셀 구성으로 완성전지가 12V, 100Ah인 것을 제외하고 실시예 10과 동일하게 구성하였다. 구체적으로 12V, 100Ah 전지의 경우, 2개 셀을 직렬 구성한 후, 추가 2셀을 병렬 구성하여 24V, 200Ah 전지 시스템을 완성하였다. The cell configuration obtained in Examples 7 to 9 was the same as in Example 10 except that the completed battery was 12V and 100Ah. Specifically, in the case of a 12V, 100Ah battery, two cells were configured in series, and two additional cells were configured in parallel to complete a 24V, 200Ah battery system.

[실시예 15][Example 15]

실시예 7 내지 9에서 얻어진 셀 구성으로 완성전지가 12V, 70Ah인 것을 제외하고 실시예 10과 동일하게 구성하였다. 구체적으로 12V, 70Ah 전지의 경우, 2개 셀을 직렬 구성한 후, 추가 2셀을 병렬 구성하여 24V, 140Ah 전지 시스템을 완성하였다. The cell configuration obtained in Examples 7 to 9 was the same as in Example 10 except that the completed battery was 12V and 70Ah. Specifically, in the case of a 12V, 70Ah battery, two cells were configured in series, and two additional cells were configured in parallel to complete a 24V, 140Ah battery system.

[실시예 16][Example 16]

실시예 7 내지 9에서 얻어진 셀 구성으로 완성전지가 12V, 60Ah인 것을 제외하고 실시예 10과 동일하게 구성하였다. 구체적으로 12V, 60Ah 전지의 경우, 2개 셀을 직렬 구성한 후, 추가 2셀을 병렬 구성하여 24V, 120Ah 전지 시스템을 완성하였다. The cell configuration obtained in Examples 7 to 9 was the same as in Example 10 except that the completed battery was 12V and 60Ah. Specifically, in the case of a 12V, 60Ah battery, two cells were configured in series, and then two additional cells were configured in parallel to complete a 24V, 120Ah battery system.

실시예 10 내지 16에 기재된 바와 같이, 본 발명의 ESS Wall용 나노카본 배터리는 모듈러 방식을 이용하여 직병렬 연결을 통한 자유로운 용량 및 출력설계가 가능하다. As described in Examples 10 to 16, the nano-carbon battery for ESS Wall of the present invention enables free capacity and output design through series-parallel connection using a modular method.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설 명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다. Although the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope of the present invention do not depart from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.

Claims (6)

다수의 기공이 형성된 다공성 탄소소재; 및
상기 기공에 형성된 납 나노입자;를 함유하는 음극활물질을 포함하는 ESS wall 용 배터리.
a porous carbon material having a plurality of pores; and
A battery for an ESS wall comprising an anode active material containing; lead nanoparticles formed in the pores.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 탄소소재는 활성탄, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 ESS wall 용 배터리.
The method of claim 1,
The porous carbon material is any one or two or more selected from the group consisting of activated carbon, carbon nanotubes and carbon nanofibers.
제 2 항에 있어서,
상기 활성탄의 비표면적(BET) 기공 총부피는 0.1m3/g 내지 2.0m3/g 인 것을 특징으로 하는 ESS wall 용 배터리.
3. The method of claim 2,
The battery for ESS wall, characterized in that the specific surface area (BET) of the activated carbon and the total pore volume is 0.1m 3 /g to 2.0m 3 /g.
제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소소재 및 상기 납 나노입자는 90:10 내지 50:50의 중량비로
포함되는 것을 특징으로 하는 ESS wall 용 배터리.
The method of claim 1,
The porous carbon material and the lead nanoparticles are in a weight ratio of 90:10 to 50:50
Battery for ESS wall, characterized in that it is included.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 납 나노입자는 1 내지 1000nm의 크기를 갖고 상기 다공성 탄소소재에균일하게 담지되는 것을 특징으로 하는 ESS wall 용 배터리.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The lead nanoparticles have a size of 1 to 1000 nm and a battery for an ESS wall, characterized in that it is uniformly supported on the porous carbon material.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 ESS wall 용 배터리를 포함하는 ESS wall
ESS wall comprising a battery for the ESS wall of any one of claims 1 to 4
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