KR20230056935A - Zn-MnO2 Secondary Cell Comprising hydrophilic Carbon Coated Separator - Google Patents

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KR20230056935A KR1020210140774A KR20210140774A KR20230056935A KR 20230056935 A KR20230056935 A KR 20230056935A KR 1020210140774 A KR1020210140774 A KR 1020210140774A KR 20210140774 A KR20210140774 A KR 20210140774A KR 20230056935 A KR20230056935 A KR 20230056935A
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최정희
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Abstract

The present invention relates to a zinc-manganese dioxide secondary battery including a hydrophilic carbon coating as a separator. The invention relates to the zinc-manganese dioxide secondary battery, comprising: a cathode containing zinc; an anode containing manganese dioxide; and a separator between the cathode and the anode. The separator includes a porous substrate and a carbon coating layer coated on the surface of the porous substrate, the carbon coating layer includes carbon powder and a binder, and the carbon powder includes at least one hydrophilic functional group including C=O, O-C=O, C-O, O-H, -NO_2, O-NO_2, and C-OH on the surface. Accordingly, the present invention can provide a zinc-manganese dioxide battery with a separator structure which reactivates eluted manganese ions to suppress active material loss and improve battery capacity and lifespan.

Description

친수성 카본 코팅을 분리막으로 포함하는 아연―이산화망간 이차전지 {Zn-MnO2 Secondary Cell Comprising hydrophilic Carbon Coated Separator}Zinc-manganese dioxide secondary battery containing hydrophilic carbon coating as a separator {Zn-MnO2 Secondary Cell Comprising hydrophilic Carbon Coated Separator}

본 발명은 아연-이산화망간 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 친수성 카본 코팅을 분리막으로 포함하는 아연-이산화망간 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a zinc - manganese dioxide secondary battery, and more particularly, to a zinc - manganese dioxide secondary battery including a hydrophilic carbon coating as a separator.

전 지구적 기후변화 문제가 부각되면서 화석연료를 줄여가려는 움직임이 일고 있고, 이에 따라 전기에너지를 효율적으로 쓰기 위해 에너지 저장장치(energy storage system, ESS)가 주목받고 있다. ESS용 전지로는 주로 리튬 이온전지가 사용되어 왔는데, 유계 전해액을 사용하는 특성상 최근 폭발과 화재사고가 많이 발생한다. 이 때문에 안정성을 높이기 위해 저렴한 가격의 Zn 기반의 수계 전해액을 이용한 전지가 개발되고 있다. As the global climate change problem emerges, there is a movement to reduce fossil fuels, and accordingly, an energy storage system (ESS) is attracting attention to efficiently use electrical energy. Lithium ion batteries have been mainly used as batteries for ESS, but due to the nature of using oil-based electrolytes, recent explosions and fire accidents occur frequently. For this reason, in order to increase stability, a battery using an inexpensive Zn-based aqueous electrolyte solution is being developed.

Zn-MnO2 전지는 ESS용 전지 후보로서 매우 유망한 전지 중의 하나이다. 그러나, 전지 구동 메커니즘에 대한 이해가 완전하지 않은 상황이고 충방전 동안에 Mn2+ 이온이 용출되어 활물질 손실이 발생하고 이에 따라 수명 저하가 발생하는 문제가 있다. 또한, 전극 표면에 형성된 Zn sulfate를 적절히 제거하지 못하여 저항 증가로 인해 수명 저하가 발생하기도 한다.A Zn-MnO 2 battery is one of the most promising battery candidates for ESS. However, there is a problem in that understanding of the driving mechanism of the battery is not complete, and Mn 2+ ions are eluted during charging and discharging, resulting in loss of active material and thus reduction in lifespan. In addition, the Zn sulfate formed on the surface of the electrode cannot be properly removed, resulting in a decrease in lifespan due to an increase in resistance.

종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 양극 소재나 전해액 관점에서 연구가 이루어져 왔고, 분리막 관점에서의 접근은 전무한 실정이다. Conventionally, in order to solve these problems, research has been conducted from the viewpoint of cathode materials or electrolytes, and there is no approach from the viewpoint of separators.

(1) KR 10-2191807 B(1) KR 10-2191807 B

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 활물질 손실을 억제하는 분리막 구조를 갖는 아연-이산화망간 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a zinc-manganese dioxide battery having a separator structure that suppresses active material loss.

또한, 본 발명은 전해액 내에 용출된 Mn 이온의 활성 사이트로 이용되고 방전 과정에 생성되는 Zn 설페이트의 분해를 촉진시킬 수 있는 분리막 구조를 갖는 아연-이산화망간 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a zinc-manganese dioxide battery having a separator structure that is used as an active site for Mn ions eluted in an electrolyte and can promote the decomposition of Zn sulfate generated during a discharge process.

또한, 본 발명은 전술한 아연-이산화망간 전지의 분리막 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a separator of the above-described zinc-manganese dioxide battery.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 아연을 포함하는 음극, 이산화망간을 포함하는 양극 및 상기 음극과 양극 사이의 분리막을 포함하는 아연-이산화망간 이차전지에 있어서, 상기 분리막은 다공성 기재 및 상기 다공성 기재 표면에 코팅된 카본 코팅층을 포함하고, 상기 카본 코팅층은 카본 분말 및 바인더를 포함하고, 상기 카본 분말은 표면에 C=O, O-C=O, C-O, O-H, -NO2, O-NO2, 및 C-OH를 포함하는 최소한 하나의 친수성 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지를 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a zinc-manganese dioxide secondary battery including a negative electrode containing zinc, a positive electrode containing manganese dioxide, and a separator between the negative electrode and the positive electrode, wherein the separator includes a porous substrate and the porous substrate It includes a carbon coating layer coated on a surface, wherein the carbon coating layer includes carbon powder and a binder, and the carbon powder has C=O, OC=O, CO, OH, -NO 2 , O-NO 2 , and It provides a zinc-manganese dioxide secondary battery characterized in that it comprises at least one hydrophilic functional group containing C-OH.

본 발명에서 상기 카본 분말은 친수성 작용기는 산처리에 의해 형성된 것이 바람직하다. In the present invention, the hydrophilic functional group of the carbon powder is preferably formed by acid treatment.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법에 있어서, 카본 분말을 산처리하는 단계; 산처리 된 카본 분말과 바인더를 포함하는 코팅 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 슬러리를 분리막의 다공성 기재의 기공 채널에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법을 제공한다. 이 때, 상기 다공성 기재는 유리 섬유를 포함할 수 있다. In order to achieve the above other technical problem, the present invention provides a method for manufacturing a zinc-manganese dioxide secondary battery, comprising the steps of acid-treating carbon powder; preparing a coating slurry containing acid-treated carbon powder and a binder; and coating the slurry on the pore channels of the porous substrate of the separator. In this case, the porous substrate may include glass fibers.

또한, 상기 산처리 단계는 황산 및 질산의 혼합 수용액에 카본 분말을 담지하여 수행되는 것이 바람직하다. In addition, the acid treatment step is preferably performed by supporting the carbon powder in a mixed aqueous solution of sulfuric acid and nitric acid.

본 발명에서 상기 혼합 수용액의 pH는 0.1~2 인 것이 바람직하다. 또한, 이 때 상기 산처리는 2 시간이상 수행되는 것이 바람직하다. In the present invention, the pH of the mixed aqueous solution is 0.1 to 2 It is desirable to be In addition, at this time, the acid treatment is 2 It is preferable to perform over time.

상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법에 있어서, 카본 분말을 산처리하는 단계; 산처리 된 다공성 기재, 카본 분말과 바인더를 포함하는 코팅 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 슬러리를 분리막의 일면에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법을 제공한다. In order to achieve the above another technical problem, the present invention provides a method for manufacturing a zinc-manganese dioxide secondary battery, comprising the steps of acid-treating carbon powder; Preparing a coating slurry containing an acid-treated porous substrate, carbon powder and a binder; and coating the slurry on one surface of the separator.

본 발명에 따르면, 용출된 망간 이온을 재활성화시켜 활물질 손실을 억제하고 전지 용량 및 수명 향상에 용이한 분리막 구조를 갖는 아연-이산화망간 전지를 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to provide a zinc-manganese dioxide battery having a separator structure that reactivates eluted manganese ions to suppress active material loss and to improve battery capacity and life.

또한, 본 발명은 전해액 내에 용출된 Mn 이온의 활성 사이트로 이용되고 방전 과정에 생성되는 Zn 설페이트의 분해를 촉진하여 전지 용량 및 수명 증가를 도모할 수 있는 아연-이산화망간 전지를 제공할 수 있게 된다.In addition, the present invention can provide a zinc-manganese dioxide battery that is used as an active site for Mn ions eluted in an electrolyte and promotes the decomposition of Zn sulfate generated during a discharge process to increase battery capacity and battery life.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아연-이산화망간 이차전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 전해액에 분말의 분산 상태(Acid-C)를 관찰한 사진이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 aSP 분말에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 카본 코팅층의 젖음성 테스트 결과를 촬영한 사진이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 카본 코팅층의 전기적 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 분리막을 적용한 셀의 사이클 구동 후의 분리막 표면의 SEM 사진, 표면 XRD 데이터 및 셀의 장기 사이클 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a view schematically showing the structure of a zinc-manganese dioxide secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph of observing the dispersion state (Acid-C) of the powder in the electrolyte according to an embodiment of the present invention.
3a and 3b are graphs showing XPS analysis results for aSP powder prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of a wettability test result of a carbon coating layer manufactured according to an embodiment of the present invention.
5a to 5f are graphs showing the results of evaluating the electrical properties of the carbon coating layer prepared according to an embodiment of the present invention.
6a to 6f are graphs showing the results of measuring the long-term cycle characteristics of the SEM picture, surface XRD data, and long-term cycle characteristics of the cell after cycle driving of the cell to which the separator according to an embodiment of the present invention is applied.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. The present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the following drawings.

본 발명은, 아연-이산화망간 전지의 문제점인 Mn2+ 이온 용출문제로 인한 수명저하를 분리막에 표면 처리되어 특정 작용기가 형성된 카본 코팅막을 도입함으로써 용출된 망간을 재활성화시켜 용량 및 수명특성 향상에 기여할 수 있는 방법을 제시한다. 본 발명은 특정 작용기로 활성화 처리된 카본을 사용하였기 때문에 두꺼운 전극도 충분히 활성화시킬 수 있고 카본이 전도 특성을 가지기 때문에 용출된 Mn2+ 이온의 활성 사이트로 이용 가능하고, 특히 방전과정 중에 생성되는 Zn 설페이트 특히 ZHS(zinc hydroxide sulfate)의 분해를 촉진시킬 수 있어서 전지의 용량 및 수명 증가에 기여할 수 있게 된다.The present invention, a problem of zinc-manganese dioxide battery, which is a problem of Mn 2+ ion elution problem, by introducing a carbon coating film in which a specific functional group is formed by surface treatment to the separator, reactivates the eluted manganese to contribute to improving capacity and lifespan characteristics. suggest a way to Since the present invention uses carbon activated with specific functional groups, thick electrodes can be sufficiently activated, and since carbon has conductive properties, it can be used as an active site for eluted Mn 2+ ions. In particular, Zn generated during the discharge process Sulfate, in particular, can promote the decomposition of zinc hydroxide sulfate (ZHS), contributing to the increase in capacity and lifespan of the battery.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아연-이산화망간 이차전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing the structure of a zinc-manganese dioxide secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 아연-이산화망간(Zn-MnO2) 이차전지(100)는 음극(110), 양극(110), 분리막(130) 및 전해질(140)을 포함하는데, 분리막(130)을 사이에 두고 상기 음극(110) 및 양극(120)은 서로 대향하도록 배치되어 있다. Referring to FIG. 1 , a zinc-manganese dioxide (Zn-MnO 2 ) secondary battery 100 of the present invention includes a negative electrode 110, a positive electrode 110, a separator 130 and an electrolyte 140, and the separator 130 ), the cathode 110 and the anode 120 are disposed to face each other.

본 발명에서 상기 양극(120)은 활물질로 α-, β-, γ-, δ- 등, 다양한 상의 이산화망간을 포함한다. 상기 양극은 활물질 외에 탄소재 및 PVdF와 같은 바인더를 포함할 수 있다. 상기 음극(110)으로는 아연을 포함하며, 예컨대 아연 금속(Zn metal) 또는 그 합금이 사용될 수 있다. In the present invention, the positive electrode 120 includes manganese dioxide of various phases, such as α-, β-, γ-, and δ-, as an active material. The positive electrode may include a binder such as a carbon material and PVdF in addition to an active material. The anode 110 includes zinc, and for example, zinc metal or an alloy thereof may be used.

상기 분리막은 다공성 기재와 상기 분리막의 표면 및/또는 다공성 기재의 내부 기공 채널에 형성된 카본 코팅층을 포함한다. The separator includes a porous substrate and a carbon coating layer formed on a surface of the separator and/or an internal pore channel of the porous substrate.

본 발명에서 상기 분리막의 기재로는 다공성 기재, 예컨대 종이나 유리 섬유(glass fiber)와 같은 섬유 재질의 기재가 사용될 수 있다. In the present invention, a porous substrate, for example, a substrate made of a fiber material such as paper or glass fiber may be used as the substrate of the separator.

또한, 본 발명에서 상기 분리막(130)은 다공성 기재가 형성하는 기공 채널의 표면에 소정의 작용기를 갖도록 활성화 된 카본 코팅층을 포함한다. 본 발명에서 카본 코팅층 표면의 작용기는 C=O, O-C=O, C-O, O-H, -NO2, O-NO2, 및 C-OH로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종을 포함할 수 있다. In addition, in the present invention, the separation membrane 130 includes a carbon coating layer activated to have a predetermined functional group on the surface of the pore channel formed by the porous substrate. In the present invention, the functional group on the surface of the carbon coating layer may include at least one selected from the group consisting of C=O, OC=O, CO, OH, -NO 2 , O-NO 2 , and C-OH.

상기 카본 코팅층을 구성하는 탄소 분말로는 케트젠 블랙(Ketjen black). 카본나노튜브(Carbon Nanotube), 아세틸렌 블랙(Acetylene black), 카본블랙(Carbon black), 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(GO), 환원된 그래핀 옥사이드(rGO), 수퍼-P(Super-P), 카본나노섬유(carbon nanofiber) 및 흑연 중에서 선택되는 1종 이상의 분말을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Carbon powder constituting the carbon coating layer is Ketjen black. Carbon Nanotube, Acetylene black, Carbon black, Graphene, Graphene oxide (GO), Reduced graphene oxide (rGO), Super-P P), carbon nanofibers, and one or more types of powder selected from graphite, but is not limited thereto.

본 발명에서 상기 카본 코팅층을 구성하는 탄소 분말은 산처리에 의해 활성화 될 수 있다. 예컨대, 산처리는 염산(HCl)과 질산(HNO3)의 혼합 용액에 탄소재를 2 시간이상 담지함으로써 수행될 수 있다. In the present invention, the carbon powder constituting the carbon coating layer may be activated by acid treatment. For example, the acid treatment may be performed by supporting the carbon material in a mixed solution of hydrochloric acid (HCl) and nitric acid (HNO 3 ) for 2 hours or more.

본 발명에서 상기 산처리 용액의 산으로는 염산, 질산 및 황산으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 산이 사용될 수 있다. 또한, 이 때 상기 산처리 수용액 내의 산의 농도(pH)는 0.1~2인 것이 바람직하다. In the present invention, one or two or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid may be used as the acid of the acid treatment solution. In addition, at this time, the acid concentration (pH) in the acid treatment aqueous solution is preferably 0.1 to 2.

한편, 본 발명에서 상기 카본 코팅층은 분리막 자체 즉 분리막의 다공성 기재에 형성된 기공 채널 내에 증착될 수 있다. Meanwhile, in the present invention, the carbon coating layer may be deposited in the separator itself, that is, in the pore channels formed in the porous substrate of the separator.

이와 달리 또는 이와 병행하여, 상기 카본 코팅층은 상기 분리막의 일면 또는 양면에 부가되는 별개의 층으로서 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 카본 코팅층은 별도의 지지체를 포함하고, 탄소재 및 바인더를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 지지체는 다공성인 것이 바람직하며, 예컨대 셀룰로오스 섬유와 같은 섬유에 의해 구현될 수 있다. 이와 같이, 분리막의 일면에 카본 코팅층이 제공되는 경우, 상기 카본 코팅층은 분리막의 두 표면 중 양극에 대향하는 면에 형성되는 것이 바람직하다. 이것은 양극으로부터 확산되는 Mn 이온의 트랩과 ZHS의 분해를 용이하게 할 수 있다.Alternatively or in parallel with this, the carbon coating layer may be coated as a separate layer added to one side or both sides of the separator. In this case, the carbon coating layer may include a separate support and may include a carbon material and a binder, and the support may be porous, and may be implemented by, for example, fibers such as cellulose fibers. In this way, when the carbon coating layer is provided on one surface of the separator, the carbon coating layer is preferably formed on a surface facing the anode among the two surfaces of the separator. This can facilitate the trap of Mn ions diffusing from the anode and the decomposition of ZHS.

한편, 상기 카본 코팅층은 Zn 수지상 제어와 Zn 음극 표면에 형성되는 Zn 설페이트 분해를 위해 사용될 수도 있다. 이때는 음극에 대향하는 면에 상기 카본 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.Meanwhile, the carbon coating layer may be used for controlling Zn dendrites and decomposing Zn sulfate formed on the surface of a Zn cathode. In this case, it is preferable that the carbon coating layer is formed on a surface facing the cathode.

본 발명에서 상기 전해질(140)은 약산의 전해질일 수 있다. 본 발명에서 약산의 전해질로는 예컨대 ZnSO4나 Zn(CF3SO3)2이 사용될 수 있다. 이 때, 상기 염의 농도는 1M 내지 3M인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전해질(140)은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 MnSO4나 Mn(CF3SO3)2일 수 있으며, 상기 첨가제 염은 0.1M 내지 0.5M의 농도로 포함될 수 있다. 이때, 첨가제의 농도가 0.1M보다 낮을 경우 전지 시스템의 성능향상에 크게 영향을 주지 않으며, 0.5M 보다 클 경우 음극(110)의 표면에 원하지 않은 반응물이 생성되어 전지의 성능이 감소할 수 있다.In the present invention, the electrolyte 140 may be a weak acid electrolyte. In the present invention, for example, ZnSO 4 or Zn(CF 3 SO 3 ) 2 may be used as the weak acid electrolyte. At this time, the concentration of the salt is preferably 1M to 3M. In addition, the electrolyte 140 may further include an additive. The additive may be MnSO 4 or Mn(CF 3 SO 3 ) 2 , and the additive salt may be included in a concentration of 0.1M to 0.5M. At this time, when the concentration of the additive is lower than 0.1M, it does not greatly affect the performance improvement of the battery system, and when it is higher than 0.5M, unwanted reactants are generated on the surface of the negative electrode 110, and battery performance may be reduced.

<카본 코팅층에 사용되는 탄소재의 산처리><Acid treatment of carbon material used for carbon coating layer>

37% HCl과 60% HNO3의 혼합 수용액(무게비 1:1)을 제조하고, 상기 혼합 수용액과 슈퍼 피 블랙(super p black, 이하 'SP'라 함) 분말을 무게비로 1:1이 되도록 칭량한 후, 상기 혼합 수용액에 2일 간 침지하였다. 이후, 용액을 여과한 후 분말을 세척 및 진공 열처리하여, 산처리 된 SP (이하 'aSP'라 함) 분말을 제조하였다. A mixed aqueous solution of 37% HCl and 60% HNO 3 (weight ratio 1: 1) was prepared, and the mixed aqueous solution and super p black (hereinafter referred to as 'SP') powder were weighed so that the weight ratio was 1: 1 After that, it was immersed in the mixed aqueous solution for 2 days. Thereafter, after filtering the solution, the powder was washed and subjected to vacuum heat treatment to prepare an acid-treated SP (hereinafter referred to as 'aSP') powder.

제조된 aSP 분말을 전해액에 분산하였다. 도 2는 전해액에 분말의 분산 상태(Acid-C)를 관찰한 사진이다. 비교를 위하여 SP 분말의 분산 상태(Prestine-C)도 함께 촬영하였다. 전해액으로는 3M ZnSO4 + 0.1M MnSO4 수용액을 사용하였다.The prepared aSP powder was dispersed in an electrolyte solution. Figure 2 is a photograph of observing the dispersion state (Acid-C) of the powder in the electrolyte. For comparison, the dispersion state (Prestine-C) of the SP powder was also photographed. As the electrolyte, 3M ZnSO 4 + 0.1M MnSO 4 aqueous solution was used.

제조된 aSP 분말을 XPS 분석하였다. 비교를 위하여 산처리 하지 않은 SP 분말에 대하여도 XPS 분석을 실시하였다.The prepared aSP powder was subjected to XPS analysis. For comparison, XPS analysis was also performed on the SP powder not treated with acid.

도 3a 및 도 3b는 제조된 aSP 분말에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 3a and 3b are graphs showing the results of XPS analysis of the prepared aSP powder.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, aSP 분말에서는 SP 분말에는 관찰되지 않았던 작용기로 -NO2 및 -O-NO2이 관찰된다. Referring to FIGS. 3A and 3B , in the aSP powder, -NO 2 and -O-NO 2 are observed as functional groups not observed in the SP powder.

<카본 코팅층의 제조><Manufacture of carbon coating layer>

Nippon Kodoshi Co. (NKK) 사의 셀룰로오스 분리막 (MPF30AC)을 지지체로 하고, aSP 분말과 바인더 (PVDF)를 8:2의 비율로 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 제조된 슬러리를 분리막의 일면에 캐스팅한 후, 진공 건조하여 3~5 μm 두께의 카본 코팅층을 형성하였다. 비교를 위하여 동일한 방식으로 aSP 분말 대신 SP 분말을 사용한 점을 제외하고는 마찬가지 방법으로 슬러리를 제조한 후 분리막의 일면에 캐스팅하여 코팅층을 형성하였다. Nippon Kodoshi Co. (NKK) cellulose separator (MPF30AC) as a support, aSP powder and a binder (PVDF) are mixed in a ratio of 8: 2 to prepare a slurry, and then the prepared slurry is cast on one side of the separator, and then vacuum dried Thus, a carbon coating layer having a thickness of 3 to 5 μm was formed. For comparison, a slurry was prepared in the same manner, except that SP powder was used instead of aSP powder, and then cast on one side of the separator to form a coating layer.

제조된 카본 코팅층의 표면에 대하여 전해액의 젖음성 테스트를 실시하였다. 전해액으로는 3M ZnSO4 + 0.1M MnSO4 수용액을 사용하였다. A wettability test of the electrolyte solution was performed on the surface of the prepared carbon coating layer. As the electrolyte, 3M ZnSO 4 + 0.1M MnSO 4 aqueous solution was used.

도 4는 젖음성 테스트 결과를 촬영한 사진이다. 도 4의 좌측 사진들은 전해액 방울(droplet)을 투하한 직후, 우측 사진들은 전해액 방울 투하하고 15 분 경과 후 촬영한 사진이다. 도 4로부터 산처리된 카본이 그렇지 않은 것과 비교해서 젖음성이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 4 is a photograph of a wettability test result. The pictures on the left of FIG. 4 are taken immediately after dropping the droplet of the electrolyte, and the pictures on the right are taken 15 minutes after dropping the droplet of the electrolyte. It can be seen from FIG. 4 that the wettability of the acid-treated carbon is greatly improved compared to that of the untreated carbon.

<카본 코팅층의 전기적 특성 평가><Evaluation of electrical properties of carbon coating layer>

제조된 카본 코팅막의 3M ZnSO4 + 0.1M MnSO4 전해질 용액에서 전극 표면적에 따른 전기적 특성을 평가하였다. 이 평가를 위해서 음극으로는 아연 금속, 분리막으로는 유리섬유, 양극으로는 스테인레스스틸(SS) 호일, 카본 페이퍼(CP)를 사용하여 셀을 구성하였다. 이 때, 분리막과 양극 사이에 셀룰로오스(MPF30AC)를 지지체로 한 카본 코팅층을 형성한 샘플(aCSL)과 분리막과 양극 사이에 셀룰로오스 분리막(MPF30AC)을 배치한 샘플(SL)을 제작하였다. Electrical characteristics of the prepared carbon coating film according to the electrode surface area were evaluated in a 3M ZnSO 4 + 0.1M MnSO 4 electrolyte solution. For this evaluation, a cell was constructed using zinc metal as the negative electrode, glass fiber as the separator, and stainless steel (SS) foil and carbon paper (CP) as the positive electrode. At this time, a sample (aCSL) in which a carbon coating layer using cellulose (MPF30AC) as a support was formed between the separator and the anode, and a sample (SL) in which a cellulose separator (MPF30AC) was placed between the separator and the anode were produced.

도 5a는 충전량을 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5a에서 SS는 양극으로 스테인레스스틸 호일을 사용한 셀, CP는 양극으로 카본 페이퍼를 사용한 셀을 나타내는데, 여기서 표면적은 CP가 SS보다 크다. Figure 5a is a graph showing the results of measuring the amount of charge. In FIG. 5A, SS indicates a cell using stainless steel foil as an anode, and CP indicates a cell using carbon paper as an anode, where CP has a larger surface area than SS.

도 5a를 참조하면, 데이터를 보면 CP와 aCSL를 접목한 샘플이 가장 큰 충전용량을 보여주는데 이는 aCSL이 포함되면서 전해액에 용해되어있는 Mn2+ 이온을 석출시킬 수 있는 보다 많은 반응 사이트를 제공하였기 때문으로 판단된다. Referring to FIG. 5A, the data shows that the sample in which CP and aCSL are grafted shows the largest charging capacity because aCSL is included and provides more reaction sites capable of precipitating Mn 2+ ions dissolved in the electrolyte. It is judged as

도 5b는 충전 이후의 ICP 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 각 셀의 전해액에는 초기 상태(Prestine)에 비해 Mn2+ 농도가 감소하는데, CP/aCSL 셀의 전해액에 녹아있는 Mn2+이온의 양이 가장 많이 줄어든 것을 알 수 있다. 이것은 aCSL이 Mn2+ 이온을 트랩 하는데 사용되었다는 것을 의미한다. 이러한 효과 덕분에 aCSL이 적용된 셀이 그렇지 않은 셀 보다 향상된 용량과 쿨롱효율을 보여주는데, 도 5c는 용량 및 쿨롱 효율 계산 결과를 나타낸 그래프이다. 5B is a graph showing ICP analysis results after charging. In the electrolyte of each cell, the Mn2+ concentration decreased compared to the initial state (Prestine), and it can be seen that the amount of Mn 2+ ions dissolved in the electrolyte of the CP/aCSL cell decreased the most. This means that aCSL was used to trap Mn 2+ ions. Thanks to these effects, cells to which aCSL is applied show improved capacity and coulombic efficiency than cells without it. FIG. 5C is a graph showing the calculation results of capacity and coulombic efficiency.

도 5d 및 도 5e는 각각 SL 및 aCSL에 대한 전압 프로파일 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5f는 도 5e에서의 D1, D2 구간별로 나누어 표시한 그래프이다.5D and 5E are graphs showing voltage profile analysis results for SL and aCSL, respectively, and FIG. 5F is a graph divided into sections D1 and D2 in FIG. 5E.

도면을 참조하면, aCSL셀은 SL셀과 비교해서 D1, D2가 일정하게 유지됨을 알 수 있고 특히나 ZHS 생성과 관련된 D2 유지율이 SL셀과 비교하여 확연하게 향상됨을 보였다. 이는 사이클이 진행되어도 ZHS의 생성/분해와 관련된 반응 사이트들이 여전히 활성화되어있다는 것을 의미하여, 충방전 동안에 ZHS를 효과적으로 생성/분해하는데 aCSL이 기여함을 의미한다. Referring to the figure, it can be seen that D1 and D2 are maintained constant in the aCSL cell compared to the SL cell, and in particular, the D2 retention rate related to ZHS generation is significantly improved compared to the SL cell. This means that reaction sites related to the generation/decomposition of ZHS are still active even when the cycle progresses, which means that aCSL contributes to the effective generation/decomposition of ZHS during charging and discharging.

<카본 코팅층 분리막이 적용된 셀 특성 평가><Evaluation of cell characteristics with carbon coating layer separator applied>

카본코팅층 분리막의 효과가 장기사이클 구동동안에도 지속되는지 확인하기 위해, SEM 분석을 실시하였다. 본 분석을 위해서 아연금속 음극, 유리섬유 분리막, aCSL 중간층, 이산화망간으로 구성된 양극을 사용하여 셀을 구성하였다. 전해액은 3M ZnSO4 + 0.1M MnSO4 수용액을 사용하였다. In order to confirm that the effect of the carbon-coated separator is maintained even during long-term cycle driving, SEM analysis was performed. For this analysis, a cell was constructed using a zinc metal cathode, a glass fiber separator, an aCSL interlayer, and a manganese dioxide anode. As the electrolyte, 3M ZnSO 4 + 0.1M MnSO 4 aqueous solution was used.

도 6을 참조하면, aCSL이 포함된 셀을 구동하면 aCSL표면에서 ZHS가 가역적으로 생성/제거되는 것을 알 수 있다(도 6의 (a) 및 (b) 참조). 도 6a에서 C는 충전, D는 방전을 의미하며, 앞의 숫자는 충방전 회차를 의미한다. Referring to FIG. 6 , it can be seen that when a cell including aCSL is driven, ZHS is reversibly generated/removed from the surface of the aCSL (see (a) and (b) of FIG. 6 ). In FIG. 6A , C denotes charging, D denotes discharging, and the preceding number denotes the number of charge/discharge cycles.

한편, 이처럼 ZHS를 효과적으로 제거할 수 있기 때문에 aCSL이 접목된 셀은 대조군 대비 크게 향상된 수명특성(도 6의 (c) 참조)과 출력특성(도 6의 (d) 참조)을 보인다. 그리고 전류밀도에 관계없이 대조군인 SL셀 대비 향상된 용량 유지특성을 보여준다 (도 6의 (e) 및 (f) 참조).On the other hand, since ZHS can be effectively removed, cells grafted with aCSL show greatly improved lifespan characteristics (see FIG. 6(c)) and output characteristics (see FIG. 6(d)) compared to the control group. And regardless of the current density, it shows improved capacity retention characteristics compared to the control SL cell (see (e) and (f) of FIG. 6).

이상, 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용하여 당업자가 가할 수 있는 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것임을 잘 알 수 있을 것이다. Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims It will also be appreciated that it falls within the scope of the present invention.

Claims (8)

아연을 포함하는 음극, 이산화망간을 포함하는 양극 및 상기 음극과 양극 사이의 분리막을 포함하는 아연-이산화망간 이차전지에 있어서,
상기 분리막은 다공성 기재 및 상기 다공성 기재 표면에 코팅된 카본 코팅층을 포함하고,
상기 카본 코팅층은 카본 분말 및 바인더를 포함하고,
상기 카본 분말은 표면에 C=O, O-C=O, C-O, O-H, -NO2, O-NO2, 및 C-OH를 포함하는 최소한 하나의 친수성 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지.
In a zinc-manganese dioxide secondary battery comprising a negative electrode containing zinc, a positive electrode containing manganese dioxide, and a separator between the negative electrode and the positive electrode,
The separator includes a porous substrate and a carbon coating layer coated on the surface of the porous substrate,
The carbon coating layer includes carbon powder and a binder,
The carbon powder is a zinc-manganese dioxide secondary, characterized in that it contains at least one hydrophilic functional group including C = O, OC = O, CO, OH, -NO 2 , O-NO 2 , and C-OH on the surface battery.
제1항에 있어서,
상기 카본 분말은 산처리 된 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지.
According to claim 1,
The carbon powder is a zinc-manganese dioxide secondary battery, characterized in that acid treatment.
아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법에 있어서,
카본 분말을 산처리하는 단계;
산처리 된 카본 분말과 바인더를 포함하는 코팅 슬러리를 제조하는 단계; 및
상기 슬러리를 분리막의 다공성 기재의 기공 채널에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법.
In the method for manufacturing a zinc-manganese dioxide secondary battery,
Acid treating the carbon powder;
preparing a coating slurry containing acid-treated carbon powder and a binder; and
A method for producing a zinc-manganese dioxide secondary battery comprising the step of coating the slurry on the pore channels of the porous substrate of the separator.
제1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 유리 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지.
According to claim 1,
The porous substrate is a zinc-manganese dioxide secondary battery, characterized in that it comprises glass fibers.
제1항에 있어서,
상기 산처리 단계는 황산 및 질산의 혼합 수용액에 카본 분말을 담지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지.
According to claim 1,
The acid treatment step is a zinc-manganese dioxide secondary battery, characterized in that carried out by supporting the carbon powder in a mixed aqueous solution of sulfuric acid and nitric acid.
제5항에 있어서,
상기 혼합 수용액의 pH는 0.1~2인 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지.
According to claim 5,
Zinc-manganese dioxide secondary battery, characterized in that the pH of the mixed aqueous solution is 0.1 to 2.
제5항에 있어서,
상기 산처리는 2 시간 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지.
According to claim 5,
Zinc-manganese dioxide secondary battery, characterized in that the acid treatment is carried out for 2 hours or more.
아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법에 있어서,
카본 분말을 산처리하는 단계;
산처리 된 다공성 지지체, 카본 분말과 바인더를 포함하는 코팅 슬러리를 제조하는 단계; 및
상기 슬러리를 분리막의 일면에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-이산화망간 이차전지의 제조 방법.
In the method for manufacturing a zinc-manganese dioxide secondary battery,
Acid treating the carbon powder;
Preparing a coating slurry containing an acid-treated porous support, carbon powder and a binder; and
A method for producing a zinc-manganese dioxide secondary battery, comprising the step of coating the slurry on one side of the separator.
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