KR101643935B1 - Prepatation of materials for energy storage devices using monolithic 3 dimensional of reduced graphene oxide and fabrication method thereby - Google Patents

Prepatation of materials for energy storage devices using monolithic 3 dimensional of reduced graphene oxide and fabrication method thereby Download PDF

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Abstract

본 발명은, 모놀리스 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법, 이를 통해 제조되는 음극 및 음극을 포함하는 에너지 저장소자에 있어서, 산화그래핀 환원물 페이스트 및 수용성폴리머를 혼합하여 복합 페이스트를 제조하는 단계와; 상기 복합 페이스트를 집전체에 도포하는 단계와; 상기 집전체를 동결건조하여 모놀리스 산화그래핀 환원물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 산화그래핀 환원물 및 수용성폴리머의 복합 페이스트를 동결건조시켜 고전도성 모놀리스 삼차원 구조를 형성함으로써 산화그래핀 환원물의 일정하게 배열된 활동영역(Active site)을 증가시키고 안정적 구조 형성을 통한 고수명 사이클 구현 및 고용량, 고출력 특성을 지닌 에너지 저장소자의 전극 효과를 제공한다.The present invention relates to a method of manufacturing a negative electrode for an energy storage comprising a graphene oxide graphene reduction material, and an energy storage device comprising a negative electrode and a negative electrode produced by the method, wherein the graphene reduction paste and the water- Thereby producing a composite paste; Applying the composite paste to a current collector; And lyophilizing the current collector to form a monolith oxide graphene reduction product. As a result, the composite paste of the oxidized graphene reduced material and the water soluble polymer is lyophilized to form a highly conductive monolithic three-dimensional structure, thereby increasing the regularly arranged active sites of the oxidized graphene reduced material, Cycle cycle and an electrode effect of an energy reservoir with high capacity and high output characteristics.

Description

모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법, 이를 통해 제조되는 음극 및 음극을 포함하는 에너지 저장소자 {Prepatation of materials for energy storage devices using monolithic 3 dimensional of reduced graphene oxide and fabrication method thereby}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a negative electrode for an energy storage device including a graphene oxide graphene reduction material having a monolithic three-dimensional structure, and an energy storage device including a negative electrode and a negative electrode, fabrication method thereby}

본 발명은 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법, 이를 통해 제조되는 음극 및 음극을 포함하는 에너지 저장소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 산화그래핀 환원물 및 수용성폴리머의 복합 페이스트를 동결건조시켜 모놀리스 삼차원 구조를 형성한 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법, 이를 통해 제조되는 음극 및 음극을 포함하는 에너지 저장소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a negative electrode for an energy storage device including a graphene reduction graphene structure having a monolithic three-dimensional structure, and an energy storage device including a negative electrode and a negative electrode manufactured by the method, and more particularly, And an oxide graphene reduction material formed by lyophilizing a composite paste of a water-soluble polymer to form a monolithic three-dimensional structure, and an energy storage device including the negative electrode and the negative electrode manufactured by the method.

산업발전 및 생활수준 향상에 맞춰 휴대 전자기기의 소형화와 장시간 연속 사용을 목표로 부품의 경량화와 저소비 전력화에 대한 연구와 더불어 소형이면서 고용량을 실현할 수 있는 고성능 에너지 저장소자가 요구되고 있다. 이에 최근에는 리튬 이온 전지(Lithium ion battery) 또는 슈퍼 커패시터(Super capacitor)는 전기자동차, 전지전력 저장시스템 등 대용량 전력저장전지와 휴대전화, 캠코더, 노트북 등의 휴대전자기기 등과 같은 소형의 고성능 에너지원으로 사용되고 있다.In order to achieve miniaturization and long-term continuous use of portable electronic devices in accordance with the improvement of industrial development and living standards, there is a need for a lightweight and low power consumption part and a high performance energy storage device capable of realizing a compact and high capacity. In recent years, lithium ion batteries or super capacitors have been used in large-capacity power storage cells such as electric vehicles, battery power storage systems, and small-sized high-performance energy sources such as mobile phones, camcorders, .

특히, 리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 면적당 큰 용량, 낮은 자기방전율이 및 긴 수명의 장점을 가지고 있다. 또한, 메모리 효과가 없기 때문에 사용자가 사용하는 데 편리하며, 수명이 길다는 특성을 지니고 있다. 그러나, 음극소재의 긴 확산길이(Long diffusion length) 및 전해액과의 반응으로 인한 표면 오염(Surface electrolyte interface:SEI) 등과 같은 이유로 인하여 저출력특성 및 싸이클 특성의 저하가 발생한다는 문제점이 있다. In particular, lithium ion batteries have advantages of high energy density, large capacity per area, low self-discharge rate and long life. In addition, since there is no memory effect, it is convenient for the user to use and has a characteristic that the life is long. However, there is a problem that a low output characteristic and a cycle characteristic are lowered due to reasons such as a long diffusion length of a cathode material and a surface electrolyte interface (SEI) due to a reaction with an electrolyte.

리튬 이온 전지의 구조는 집전체로써 음극(Anode), 양극(Cathode), 격리막(Separator) 및 전해액(Electrolyte)으로 구성되어 있다. 일반적인 음극재료는 탄소소재기반으로써 흑연(Graphite) 또는 금속산화물이 사용되고 있다. 이는 값이 싸고 높은 에너지 밀도를 지니기 때문이다. 그러나 흑연의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 길이가 긴 그래핀층이 복수 개가 있으며 그래핀층 간의 간격이 3.4Å으로 매우 짧아 그래핀층 사이로 이온의 출입이 용이하지 못하다. 즉 이온의 삽입 및 탈리 시간이 길기 때문에 이를 이용한 전지는 고속 충방전 및 고출력성을 구현하기 어렵다.The structure of the lithium ion battery is composed of an anode, a cathode, a separator, and an electrolyte as a current collector. Graphite or metal oxide is used as a general anode material based on a carbon material. This is because it is cheap and has a high energy density. However, in the case of graphite, as shown in FIG. 1, there are a plurality of long graphene layers and the gap between the graphene layers is very short as 3.4 Å, so that ions can not easily enter and exit between the graphene layers. That is, since the ion insertion and desorption time is long, it is difficult to realize high-speed charge / discharge and high output of the battery using it.

이를 해결하기 위하여 새롭게 제시된 탄소기반 재료는 종래기술 '대한민국특허청 공개특허 공개번호 제10-2013-0094560호 수소환원을 이용한 금속 나노입자와 환원된 산화그래핀의 하이브리드 물질을 제조방법'에 알려진 바와 같이 산화그래핀 환원물을 이용한다. 산화그래핀 환원물은 복수의 층으로 쌓여있는 그래핀을 산화시켜 층 사이의 틈이 벌어지게 한다. 틈이 벌어진 산화그래핀은 용매에 잘 분산되기 때문에 용매에 존재하는 산화그래핀을 초음파나 믹서기를 이용하여 한 층씩 분리한다. 각 층이 분리된 산화그래핀은 절연성질을 가지기 때문에 이를 다시 전도성 물질로 변화시키기 위해 환원제를 이용하여 환원시켜 최종적으로 산화그래핀 환원물을 제조한다. In order to solve this problem, a newly proposed carbon-based material is known as a method for manufacturing a hybrid material of metal nano-particles and reduced graphene oxide using hydrogen reduction in the prior art 'Korean Patent Application Publication No. 10-2013-0094560 Oxidation of graphene oxide is used. The oxidized graphene reduction oxidizes the graphene accumulated in a plurality of layers to cause a gap between the layers to spread. Since the graphene oxide graphenes are well dispersed in the solvent, the oxide graphenes present in the solvent are separated one by one using ultrasonic waves or a mixer. Since the graphene oxide layer having the separated layers has an insulating property, the graphene oxide layer is reduced using a reducing agent to finally convert it into a conductive material to finally produce an oxidized graphene reduction material.

이러한 산화그래핀 환원물은 나노구조를 지니고 있어서 비표면적이 넓고, 리튬 이온의 삽입과 탈리가 용이한 짧은 확산길이를 지닌 다양한 기공을 제조할 수 있으며, 전기전도도가 우수하기 때문에 고출력 및 초고속 충방전이 가능한 리튬 이온 전지를 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한, 기계적인 변형에 의한 저항변화가 적기 때문에 유연 에너지 저장소자의 응용이 가능한 탄소나노소재기반의 음극을 제작할 수 있다. 그러나 이러한 나노소재는 기공형성의 문제와 음극의 구조의 구조형성시 전기전도도가 저하되는 문제점이 있다.Such graphene oxide grains have a nanostructure and thus can produce a wide variety of pores having a large specific surface area and a short diffusion length for easy insertion and desorption of lithium ions and have excellent electric conductivity, There is an advantage that a lithium ion battery capable of this can be manufactured. In addition, since the resistance change due to mechanical deformation is small, a carbon nanomaterial-based cathode capable of applying a flexible energy storage device can be manufactured. However, such nanomaterials suffer from problems of pore formation and deterioration of electrical conductivity when the structure of the cathode structure is formed.

따라서 본 발명의 목적은 산화그래핀 환원물 및 수용성폴리머의 복합 페이스트를 동결건조시켜 효과적인 삼차원구조를 형성시킴으로써 전해액과 접촉할 수 있는 열린기공(Open pore) 형성, 비표면적 증가를 통한 음극내 활동영역(Active site)의 증가, 전해액과 접촉면 증가, 수직으로 일정하게 배열된 매크로(Macro) 구조 형성을 통한 전기전도도 증가 및 안정성 향상이 가능한 음극을 제조함으로써, 고출력, 초고속, 고용량의 특성을 갖는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법, 이를 통해 제조되는 음극 및 음극을 포함하는 에너지 저장소자를 제공한다.Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for forming an open pore capable of contacting an electrolyte by freeze-drying a composite paste of oxidized graphene reduced material and a water-soluble polymer to form an effective three-dimensional structure, A high-speed, high-speed, and high-capacity characteristic, by increasing the active site, increasing the contact surface with the electrolyte, and increasing the electrical conductivity and stability by forming a macro structure that is uniformly arranged vertically. A method for manufacturing a negative electrode for an energy storage comprising a graphene oxide graphene reduction material, and an energy reservoir including a negative electrode and a negative electrode manufactured through the method.

상기한 목적은, 산화그래핀 환원물 페이스트 및 수용성폴리머를 혼합하여 복합 페이스트를 제조하는 단계와; 상기 복합 페이스트를 집전체에 도포하는 단계와; 상기 집전체를 동결건조하여 모놀리스 산화그래핀 환원물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법에 의해 달성된다.The above object is achieved by a method for producing a composite paste, comprising: mixing a graphene oxide paste and a water-soluble polymer to prepare a composite paste; Applying the composite paste to a current collector; And a step of lyophilizing the current collector to form a monolith oxide graphene reduction material, wherein the graphene graphene graphene graphene reduction graphene reduction material is provided.

여기서, 상기 산화그래핀 환원물 페이스트는, 분말상태의 그래파이트 플레이크로부터 분말상태의 산화그래파이트 플레이크를 합성하는 단계와; 상기 산화그래파이트 플레이크를 용매 내에 분산시켜 산화그래핀 분산용액을 형성하는 단계와; 상기 산화그래핀 분산용액을 양이온-파이 상호작용을 통해 양이온반응 산화그래핀 분산용액을 제조하는 단계와; 상기 양이온반응 산화그래핀 분산용액을 환원제를 이용하여 환원시키는 단계를 통해 제조되며, 상기 산화그래파이트 플레이크는 상기 그래파이트 플레이크를 산처리를 통해 합성되는 것이 바람직하며, 상기 산처리는 상기 그래파이트 플레이크에 농질산(Fuming nitric acid) 또는 황산(Sulfuric acid)을 사용하여 처리하는 것이 바람직하다.Here, the oxidized graphene reduced material paste may include the steps of: synthesizing powdery oxidized graphite flakes from powdery graphite flakes; Dispersing the oxidized graphite flakes in a solvent to form an oxidized graphene dispersion solution; Preparing a cationic graphene oxide graphene dispersion solution through the cation-phi interaction with the graphene oxide dispersion solution; The oxidized graphite flakes are preferably synthesized through an acid treatment, and the acid treatment is carried out by adding acetic acid to the graphite flakes by adding a reducing agent to the graphite flakes Fuming nitric acid, or sulfuric acid.

상기 환원제는, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 수산화붕소나트륨(NaBH4), 히드라진(N2H4), 하이드로아이오닉산(Hydroionic acid), 아스코빅산(Ascovic acid)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다. 또한 용매는 아세톤(Acetone), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone), 메틸알콜(Methyl alcohol), 에틸알콜(Ethyl alcohol), 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol), 부틸알콜(Butyl alcohol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 테트라하이드로피란(Tetrahydropyran) 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide), 디메틸아세트아마이드(Dimethyl acetamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrolidone), 헥산(Hexane), 사이클로헥사논(Cycolhexanone), 톨루엔(Toluene), 클로로폼(Cloroform), 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 디메틸벤젠(Dimethyl benzene), 트리메틸벤젠(Trimethyl benzene), 피리딘(Pyridine), 메틸나프탈렌(Methyl naphthalene), 니트로메탄(Nitromethane), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 옥타데실아민(Octadecylamine), 아닐린(Aniline), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 증류수로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.The reducing agent, sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) hydroxide, sodium borohydride (NaBH 4), hydrazine (N 2 H 4), dihydro-child ohnik acid (Hydroionic acid), ascorbyl Ascovic acid, and a mixture thereof. The solvent may be selected from the group consisting of acetone, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, Tetrahydropyran dimethyl formamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone (N Methyl-2-pyrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethyl benzene, trimethyl benzene, (Pyridine), Methyl naphthalene, Nitromethane, Acrylonitrile, Octadecylamine, Aniline, Dimethyl sulfoxide, and distilled water. Group and a mixture thereof.

상기 복합 페이스트를 제조하는 단계는, 상기 수용성폴리머 100중량부에 대해 상기 산화그래핀 환원물 페이스트를 50 내지 200중량부를 혼합하며, 복합 페이스트를 제조하는 단계는, 교반(Stirring), 혼합(Thinky mixer), 3롤분쇄(3Roll milling), 볼분쇄(Ball milling) 중 적어도 어느 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.The step of preparing the composite paste may include mixing 50 to 200 parts by weight of the oxidized graphene reduction paste with respect to 100 parts by weight of the water-soluble polymer, and the step of preparing the composite paste may include stirring, ), 3 roll milling, and ball milling are preferably used.

복합 페이스트를 제조하는 단계는, 접착제를 첨가하는 단계를 더 포함하며, 상기 접착제는, 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 카르복시메틸셀룰로오즈(Carboxymethyl cellulose), 히드록시프로필셀룰로오즈(Hydroxypropylcellulose), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐피롤리돈폴리비돈(Polyvinylpyrrolidonepolyvidone), 테트라플루오로에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종이며, 상기 수용성폴리머는, 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine), 폴리아마이드아민(Polyamideamine), 폴리비닐포름아미드(Polyvinyl formamide), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate), 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 폴리스티렌설폰산(Polystyrenesulfonic acid), 폴리규산(Polysilicic acid), 폴리인산(Polyphosphoric acid), 폴리에틸렌설폰산(Polyethylenesulfonic acid), 폴리-3-비닐록시프로펜-1-설폰산(Poly-3-vinyloxypropane-1-sulfonic acid), 폴리-4-비닐페놀(Poly-4-vinylphenol), 폴리-4-비닐페닐설폰산(Poly-4-vinylphenyl sulfuric acid), 폴리에틸렌포스포릭산(Polyethyleneohosphoric acid), 폴리말릭산(Polymaleic acid), 폴리-4-비닐벤조산(Poly-4-vinylbenzoic acid), 메틸셀룰로오스(Methyl cellulose), 하이드록시에틸셀룰로오스(Hydroxy ethyl cellulose), 카복시메틸셀룰로오스(Carboxy methyl cellulose), 소듐카복시메틸셀룰로오스(Sodium carboxy methyl cellulose), 하이드록시프로필셀룰로오스(Hydroxy propyl cellulose), 소듐카복시메틸셀룰로오스(Sodium carboxymethylcellulose), 폴리사카라이드(Polysaccharide), 전분(Starch)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.The step of preparing the composite paste further includes the step of adding an adhesive, wherein the adhesive is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, But are not limited to, cellulose, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylcellulose, polyvinyl pyrrolidone, polyvinylpyrrolidoneepolyvidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene Polypropylene, and mixtures thereof. The water-soluble polymer may be at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyethyleneimine, polyamideamine, poly Polyvinyl formamide, polyvinyl acetate, polyvinyl acetate, Polyacrylamide, polyvinylpyrrolidone, polydiallyldimethylammonium chloride, polyethylene oxide, polyacrylic acid, polystyrenesulfonic acid, polysilicic acid, Polyphosphoric acid, polyethylenesulfonic acid, poly-3-vinyloxypropane-1-sulfonic acid, poly-4-vinylphenol, 4-vinylphenol, Poly-4-vinylphenyl sulfuric acid, Polyethyleneohosphoric acid, Polymaleic acid, Poly-4-vinylbenzoic acid methyl cellulose, hydroxy ethyl ethyl cellulose, carboxy methyl cellulose, sodium carboxy methyl cellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylcellulose, It is preferably one selected from the group consisting of hydroxypropyl cellulose, sodium carboxymethylcellulose, polysaccharide, starch, and mixtures thereof.

상기 복합 페이스트를 집전체에 도포하는 단계는, 템플레이트(Template), 패터닝(Patterning), 압출(Extruding), 블라스팅(Blasting), 스프레드(Spread) 중 어느 하나의 방법을 이용하며, 상기 집전체는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.The step of applying the composite paste to the current collector may be performed by any one of Template, Patterning, Extruding, Blasting, and Spread, And one kind selected from the group consisting of copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum desirable.

상기 동결건조하여 모놀리스 산화그래핀 환원물을 형성하는 단계는, 액화질소를 이용하여 -100 내지 -270℃에서 이루어지며, 상기 동결건조하여 모놀리스 산화그래핀 환원물을 형성하는 단계 이후에, 상기 모놀리스 산화그래핀 환원물을 압착하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 압착하는 단계는, 가압(Pressurization), 압연(Rolling), 압출(Extrusion) 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.The step of forming the monolith oxide graphene reduction by the above-mentioned freeze-drying is performed at -100 to -270 ° C using liquefied nitrogen, and after the lyophilization to form the monolith oxide graphene reduction, It is preferable that the method further comprises a step of pressing the monolith oxide graphene reduction material, and the pressing step may be performed by any one of pressurization, rolling, and extrusion .

또한, 상기 집전체는 1㎛ 내지 1cm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.It is preferable that the current collector has a thickness of 1 탆 to 1 cm.

본 발명의 다른 목적은, 집전체와; 상기 집전체의 일면에 형성된 모놀리스 삼차원 형상의 산화그래핀 환원물을 갖는 음극활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장소자용 음극에 의해 달성된다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell including a current collector; And a cathode active material having a monolithic three-dimensional shape oxidized graphene reduction material formed on one surface of the current collector.

여기서, 상기 집전체는, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하며, 상기 음극활물질은 접착제를 더 포함하며, 상기 접착제는, 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 카르복시메틸셀룰로오즈(Carboxymethyl cellulose), 히드록시프로필셀룰로오즈(Hydroxypropylcellulose), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐피롤리돈폴리비돈(Polyvinylpyrrolidonepolyvidone), 테트라플루오로에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.Here, the current collector may be a group consisting of copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum The negative active material further comprises an adhesive, wherein the adhesive is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, Carboxymethyl cellulose, Hydroxypropylcellulose, Polyvinyl pyrrolidone, Polyvinylpyrrolidoneepolyvidone, Tetrafluoroethylene, Polyethylene, and the like. , Polypropylene, and a mixture thereof.

본 발명의 또 다른 목적은, 양극과; 집전체와, 상기 집전체의 일면에 형성된 모놀리스 삼차원 형상의 산화그래핀 환원물을 갖는 음극활물질을 포함하며, 상기 양극에 대응하는 음극과; 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장소자에 의해 달성된다.Still another object of the present invention is to provide a positive electrode comprising: a positive electrode; And a negative electrode active material having a monolithic three-dimensional shape oxidized graphene reduction product formed on one surface of the current collector, the negative electrode corresponding to the positive electrode; And an isolation film disposed between the anode and the cathode.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 산화그래핀 환원물 및 수용성폴리머의 복합 페이스트를 동결건조시켜 고전도성 모놀리스 삼차원 구조를 형성함으로써 산화그래핀 환원물의 일정하게 배열된 활동영역(Active site)을 증가시키고 안정적 구조 형성을 통한 고수명 사이클 구현 및 고용량, 고출력 특성을 지닌 에너지 저장소자의 전극 효과를 제공한다.According to the structure of the present invention described above, the composite paste of the oxidized graphene reduced material and the water soluble polymer is freeze-dried to form a highly conductive monolith three-dimensional structure, thereby increasing the regularly arranged active sites of the oxidized graphene reduced material High cycle life through stable structure formation, and electrode effect of energy storage device having high capacity and high output characteristics.

도 1은 수용성 폴리머를 포함하지 않고 동결건조시켜 불규칙적인 삼차원 구조를 지닌 산화그래핀 환원물의 전자현미경 사진, 이를 집전체에 코팅시킨 후 형성시킨 경우 불안정한 구조로 인한 부서짐을 나타내는 음극사진 및 산화그래핀 페이스트를 100℃에서 건조시킨 산화그래핀 전자현미경 사진이고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물 및 수용성폴리머를 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법의 순서도이고,
도 4는 복합 페이스트의 동결구조가 형성되는 기구를 나타낸 사시도이고,
도 5는 모놀리스 삼차원 산화그래핀 환원물의 전자현미경, 투과전자현미경 사진 및 그래핀 사이의 간격을 나타내는 도이고,
도 6은 흑연, 2차원 산화그래핀 환원물 필름, 수용성폴리머를 포함하는 2차원 산화그래핀 환원물 필름, 수용성폴리머를 포함하지 않고 동결건조시킨 3차원 그래핀 폼, 수용성폴리머를 포함하는 복합 페이스트 기반 모놀리스 삼차원 산화그래핀 환원물의 라만 스펙트럼(Raman spectra)이고,
도 7은 상기 도 6의 비교군을 포함하는 모놀리스 삼차원 산화그래핀 환원물의 X선 회절(X-ray diffraction)을 통하여 확산거리의 비교를 나타내는 그래프이고,
도 8은 상기 도 6의 비교군을 포함하는 모놀리스 삼차원 산화그래핀 환원물의 관능기를 나타내는 IR 스펙트럼이고,
도 9는 상기 도 6의 비교군을 포함하는 모놀리스 삼차원 산화그래핀 환원물 음극의 직류 저항 그래프이고,
도 10 내지 도 13은 흑연, 2차원 산화그래핀 환원물 필름, 모놀리스 삼차원 산화그래핀 환원물의 충방전 용량을 나타낸 그래프이고,
도 14는 상기 도 10 내지 도 13의 비교군을 포함하는 셀을 이용한 모놀리스 삼차원 산화그래핀 환원물의 임피던스(교류저항)를 나타내는 나이퀘스트 플롯(Nyquist plot) 그래프이다.
1 is an electron micrograph of a reduced graphene oxide particle having an irregular three-dimensional structure by freeze-drying without containing a water-soluble polymer, a negative electrode photograph showing cracking due to an unstable structure when formed on a current collector, The paste is a graphene electron micrograph obtained by drying at 100 DEG C,
FIGS. 2 and 3 are flowcharts of a method of manufacturing a negative electrode for an energy storage device including a graphene reduction graphene of a monolithic three-dimensional structure and a water-soluble polymer according to an embodiment of the present invention,
4 is a perspective view showing a mechanism in which a frozen structure of the composite paste is formed,
5 is a view showing an electron microscope, a transmission electron microscope photograph and a gap between graphenes of the monolithic three-dimensional oxidized graphene reduction material,
Fig. 6 is a graph showing the relationship between the amount of the graphene particles and the amount of the graphene grains of graphite, two-dimensional oxidized graphene reductant film, two-dimensional oxidized graphene reduced film containing water-soluble polymer, Based monolithic three-dimensional oxidized graphene reduction material, Raman spectra,
FIG. 7 is a graph showing a comparison of diffusion distances through X-ray diffraction of a monolithic three-dimensional oxidized graphene reduction product including the comparison group of FIG. 6,
FIG. 8 is an IR spectrum showing the functional groups of the monolithic three-dimensional oxidized graphene reduction including the comparative group of FIG. 6,
FIG. 9 is a DC resistance graph of a monolithic three-dimensional oxide graphene reduction cathode including the comparison group of FIG. 6,
FIGS. 10 to 13 are graphs showing the charge-discharge capacities of graphite, two-dimensional oxidized graphene reduced film, and monolith three-dimensional oxidized graphene reduced material,
FIG. 14 is a graph of Nyquist plot showing the impedance (ac resistance) of the monolithic three-dimensional oxidized graphene reduction using the cells including the comparison group of FIGS. 10 to 13. FIG.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 모놀리스(Monolith) 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법, 이를 통해 제조되는 음극 및 음극을 포함하는 에너지 저장소자를 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a negative electrode for an energy storage device including a graphene oxide graphene reduction material of a monolith three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, and an energy storage device including a negative electrode and a negative electrode do.

도 2에 도시된 바와 같이 페이스트를 준비한다(S1).A paste is prepared as shown in FIG. 2 (S1).

여기서 페이스트는 고전도성 산화그래핀 환원물(Reduced graphene oxide)을 포함하는 페이스트(Paste)를 말한다. Here, the paste refers to a paste containing a highly conductive redox graphene oxide.

페이스트 제조방법으로는 먼저 분말상태의 그래파이트 플레이크(Flake)로부터 분말상태의 산화 그래파이트 플레이크를 합성한다. As a paste manufacturing method, powdery oxidized graphite flakes are synthesized from powdery graphite flakes.

산화 그래파이트 플레이크는 분말상태의 고순도 그래파이트 플레이크(99.9995%)를 산처리를 통해 합성한 후 수용액의 반복 세척과정과 원심분리기를 이용하여 불순물을 제거함으로써 얻어진다. 여기서 산처리는 스타우덴마이어법, 험머스법, 브로디법 중 어느 하나를 이용하며, 농질산(Fuming nitric acid) 또는 황산(Sulfuric acid)에 소듐클로레이트(NaClO4) 또는 포타슘망가네이트(KMnO4)를 첨가하여 상온에서 48시간 교반을 통해 산화시킨다. 그리고 증류수를 사용하여 중화시킨 후 필터링(Filtering) 및 워싱(Washing)을 반복한다. 산화된 그래파이트 용액은 건조과정을 거친 후 그라인딩(Grinding)을 이용하여 분말 상태의 산화 그래파이트 플레이크를 얻는다.The oxidized graphite flakes are obtained by acid treatment of high purity graphite flakes (99.9995%) in powder form, followed by repeated washing of the aqueous solution and removal of impurities using a centrifuge. Here, the acid treatment may be carried out using any one of the Stoudemämier method, the Hummus method, and the Brody method, and sodium chloride (NaClO 4 ) or potassium manganate (KMnO 4 ) is added to fuming nitric acid or sulfuric acid And the mixture is oxidized by stirring at room temperature for 48 hours. Then, neutralization is performed using distilled water, and then filtering and washing are repeated. The oxidized graphite solution is subjected to a drying process and then grinding is used to obtain graphite oxide flakes in powder form.

산화 그래파이트 플레이크를 용매 내에 분산 및 박리시켜 저결함, 고순도 산화그래핀을 제조한다. 여기서 산화 그래파이트 플레이크를 분산시키기 위한 용매는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4H), 수산화리튬(LiOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종을 포함하는 수용액을 사용하며, 용매의 pH는 8 이상에서 분산이 가능하며 10 이상이 바람직하다. 또한 산화 그래핀 형성을 위한 산화 그래파이트 분산 및 박리는 초음파분쇄(Sonication), 호모게나이저(Homogenizer), 고압균질기(High pressurehomogenizer) 중 하나 이상을 사용하여 형성된다. 이때 분산 및 박리시 필요한 시간은 10분 내지 5시간으로, 10분 미만일 경우 분산 및 박리가 원활이 이루어지지 않으며, 5시간을 초과하여 처리를 실시할 경우 결함 형성이 많아져 고품질 산화그래핀을 얻을 수 없다.The oxidized graphite flakes are dispersed and stripped in a solvent to prepare low-defect, high-purity oxide grains. The solvent for dispersing the oxidized graphite flake is the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 H), lithium hydroxide (LiOH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2) and mixtures thereof , And the pH of the solvent can be dispersed at a pH of 8 or higher, preferably 10 or higher. In addition, the graphite oxide dispersion and peeling for the formation of the oxidized graphene are formed using at least one of sonication, homogenizer, and high pressure homogenizer. In this case, the time required for dispersion and peeling is 10 minutes to 5 hours. When the time is less than 10 minutes, dispersion and peeling are not smoothly performed. If the treatment is performed for more than 5 hours, defect formation is increased and high quality oxide graphene is obtained I can not.

다음으로 양이온-파이 상호작용을 통하여 고농도의 양이온반응 산화그래핀 분산용액을 형성시키는 방법으로써, 알칼리 용매의 첨가를 통하여 나트륨, 칼륨, 암모늄, 리튬과 같은 양이온과 육각형 sp2 영역의 파이 구조와의 반응을 활성화시킨다. 이와 같은 상호작용은 알칼리 용매의 약환원반응을 통한 산화그래핀의 산소작용기 제거 및 양이온과의 상호작용을 위한 반응시간의 유지를 통하여 형성된다. 이 방법은 초음파분쇄와 같은 외부의 물리적인 힘이 가해지지 않는 상태에서 산화그래핀 분산용액을 1분 내지 10시간 정도의 반응시간을 유지함으로써 양이온반응이 일어난다. 양이온-파이 상호작용에 의해 산화그래핀 분산용액을 제조할 경우 기존의 분산용액에 비해 분산성이 향상된다. 또한 양이온-파이 상호작용의 활성화를 위하여 회전증발법(Rotary evaporation)을 이용한 산화그래핀의 고농도 분산용액을 형성시키는 것이 바람직하다.Next, the cation-high concentration throughout the pie interaction as a method of forming a cationic reaction oxidized graphene dispersion solution, the positive and the pie structure of hexagonal sp 2 areas, such as sodium, potassium, ammonium, lithium through the addition of an alkaline solvent, Activate the reaction. These interactions are formed through the removal of the oxygen functional groups of the oxidized graphene through the weak reduction of the alkali solvent and the maintenance of the reaction time for interaction with the cations. In this method, a cationic reaction occurs by maintaining a reaction time of about 1 minute to about 10 hours in an oxidized graphene dispersion solution in the state where no external physical force such as ultrasonic pulverization is applied. When the graphene oxide dispersion solution is prepared by cation-phi interaction, the dispersibility is improved as compared with the conventional dispersion solution. Also, it is preferable to form a highly concentrated dispersion solution of oxidized graphene using a rotary evaporation method in order to activate the cation-phi interaction.

그 후 양이온반응 산화그래핀 분산용액을 용매에 중화시킨 후 제조된 용액에 환원제를 첨가하여 습식공정을 통해 환원시킴으로써 산화그래핀 환원물을 얻게 된다. 여기서 환원제는 통상적인 환원제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 수산화붕소나트륨(NaBH4), 히드라진(N2H4), 하이드로아이오닉산(Hydroionic acid), 아스코빅산(Ascovic acid)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다. Thereafter, the cationic-reactive oxidative graphene dispersion solution is neutralized with a solvent, and a reducing agent is added to the prepared solution, followed by reduction through a wet process to obtain an oxidized graphene reduction product. The reducing agent may be used a conventional reducing agent, without limitation, such as sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), hydroxide, sodium borohydride (NaBH 4), hydrazine (N 2 H 4 ), Hydroionic acid, ascorbic acid, and a mixture thereof.

또한 용매는 아세톤(Acetone), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone), 메틸알콜(Methyl alcohol), 에틸알콜(Ethyl alcohol), 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol), 부틸알콜(Butyl alcohol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 테트라하이드로피란(Tetrahydropyran) 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide), 디메틸아세트아마이드(Dimethyl acetamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrolidone), 헥산(Hexane), 사이클로헥사논(Cycolhexanone), 톨루엔(Toluene), 클로로폼(Cloroform), 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 디메틸벤젠(Dimethyl benzene), 트리메틸벤젠(Trimethyl benzene), 피리딘(Pyridine), 메틸나프탈렌(Methyl naphthalene), 니트로메탄(Nitromethane), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 옥타데실아민(Octadecylamine), 아닐린(Aniline), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 증류수로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.The solvent may be selected from the group consisting of acetone, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, Tetrahydropyran dimethyl formamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone (N Methyl-2-pyrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethyl benzene, trimethyl benzene, (Pyridine), Methyl naphthalene, Nitromethane, Acrylonitrile, Octadecylamine, Aniline, Dimethyl sulfoxide, and distilled water. Group and a mixture thereof.

페이스트를 수용성 폴리머와 혼합하여 분산 복합 페이스트를 제조한다(S2).The paste is mixed with a water-soluble polymer to prepare a dispersed composite paste (S2).

S1 단계에서 제조된 고농도 및 고전도성 산화그래핀 환원물을 포함하는 페이스트를 수용성 폴리머와 혼합하여 안정적으로 분산되는 분산 복합 페이스트를 제조한다. 분산용액에 분산된 산화그래핀 환원물을 원심분리를 통해 페이스트화하고, 여기에 수용성폴리머를 혼합하여 산화그래핀 환원물을 분산시켜 분산 복합 페이스트를 제조한다. 산화그래핀 환원물 페이스트는 수용성폴리머 100중량부에 대해 50중량부 내지 200중량부만큼 혼합하는 것이 바람직하다. 만약 분산 복합 페이스트가 50중량부 미만일 경우 필요한 그래핀의 양이 적어 전지에 알맞지 않으며, 분산 복합 페이스트가 200중량부를 초과할 경우 수용성폴리머의 양이 작아 원하는 형상의 모놀리스 구조를 만들 수 없다. The paste containing the high-concentration and high-conductivity oxide graphene reductions prepared in the step S1 is mixed with a water-soluble polymer to prepare a dispersed composite paste which is stably dispersed. The oxidized graphene reduction product dispersed in the dispersion solution is made into a paste through centrifugation, and the water-soluble polymer is mixed with this to disperse the oxidized graphene reduction product to prepare a dispersed composite paste. The oxidized graphene reduction paste is preferably mixed in an amount of 50 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the water-soluble polymer. If the dispersed composite paste is less than 50 parts by weight, the required amount of graphene is small and is not suitable for a battery. If the dispersed composite paste is more than 200 parts by weight, the amount of the water soluble polymer is small.

여기서 수용성 폴리머는 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine), 폴리아마이드아민(Polyamideamine), 폴리비닐포름아미드(Polyvinyl formamide), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate), 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 폴리스티렌설폰산(Polystyrenesulfonic acid), 폴리규산(Polysilicic acid), 폴리인산(Polyphosphoric acid), 폴리에틸렌설폰산(Polyethylenesulfonic acid), 폴리-3-비닐록시프로펜-1-설폰산(Poly-3-vinyloxypropane-1-sulfonic acid), 폴리-4-비닐페놀(Poly-4-vinylphenol), 폴리-4-비닐페닐설폰산(Poly-4-vinylphenyl sulfuric acid), 폴리에틸렌포스포릭산(Polyethyleneohosphoric acid), 폴리말릭산(Polymaleic acid), 폴리-4-비닐벤조산(Poly-4-vinylbenzoic acid), 메틸셀룰로오스(Methyl cellulose), 하이드록시에틸셀룰로오스(Hydroxy ethyl cellulose), 카복시메틸셀룰로오스(Carboxy methyl cellulose), 소듐카복시메틸셀룰로오스(Sodium carboxy methyl cellulose), 하이드록시프로필셀룰로오스(Hydroxy propyl cellulose), 소듐카복시메틸셀룰로오스(Sodium carboxymethylcellulose), 폴리사카라이드(Polysaccharide), 전분(Starch)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.The water-soluble polymer may be at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyethyleneimine, polyamideamine, polyvinyl formamide, polyvinyl acetate, poly Polyacrylamide, polyvinylpyrrolidone, polydiallyldimethylammonium chloride, polyethylene oxide, polyacrylic acid, polystyrenesulfonic acid, polysilicic acid, Polyphosphoric acid, polyethylenesulfonic acid, poly-3-vinyloxypropane-1-sulfonic acid, poly-4-vinylphenol, 4-vinylphenol, poly-4-vinylphenyl sulfuric acid, polyethylenenaphosphoric acid, polymaleic acid, poly-4- Poly-4-vinylbenzoic acid, methyl cellulose, hydroxy ethyl ethyl cellulose, carboxy methyl cellulose, sodium carboxy methyl cellulose, hydroxy- It is preferably one selected from the group consisting of hydroxypropyl cellulose, sodium carboxymethylcellulose, polysaccharide, starch and mixtures thereof.

산화그래핀 환원물 페이스트와 수용성폴리머의 원활한 분산을 위해 교반(Stirring), 혼합(Thinky mixer), 3롤분쇄(3Roll milling), 볼분쇄(Ball milling) 중 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 제조되는 것이 바람직하다.The slurry is prepared using at least one of the following methods: Stirring, Thinky mixer, 3 roll milling and Ball milling for smooth dispersion of the oxidized graphene paste and the water-soluble polymer .

복합 페이스트와 후술할 집전체와의 접착력을 향상시키기 위해 경우에 따라서 복합 페이스트에 접착제를 첨가할 수 있다. 접착제는 일반적으로 금속 위에 활물질을 도포할 때 사용되는 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 카르복시메틸셀룰로오즈(Carboxymethyl cellulose), 히드록시프로필셀룰로오즈(Hydroxypropylcellulose), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐피롤리돈폴리비돈(Polyvinylpyrrolidonepolyvidone), 테트라플루오로에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.In order to improve the adhesion between the composite paste and a current collector to be described later, an adhesive may be added to the composite paste as the case may be. The adhesive is generally used to apply an active material on a metal such as polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, A group consisting of cellulose, hydroxypropylcellulose, polyvinyl pyrrolidone, polyvinylpyrrolidoneepolyvidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, and mixtures thereof Lt; / RTI > group.

복합 페이스트를 집전체에 도포한다(S3).The composite paste is applied to the current collector (S3).

S2 단계를 통해 제조된 산화그래핀 환원물 및 수용성폴리머를 포함하는 복합 페이스트(10)를 에너지 저장소자의 음극 제작을 위해 집전체(20)에 도포한다. 도 3a에 도시된 바와 같이 필요한 영역만큼을 외부와 격리시키는 틀(30)을 집전체(20)의 상부에 올리고, 틀(30)의 내부에 복합 페이스트(10)를 주입한다. 그 후 페이스트(10)의 상부를 도 3b와 같이 롤링바(40)를 통해 내부 및 표면에 빈공간 없이 페이스트(10)가 균일하게 도포되도록 한다. 여기서 집전체(20)는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종이 바람직하다.The composite paste 10 including the oxidized graphene reduction product and the water-soluble polymer prepared through the step S2 is applied to the current collector 20 for producing the negative electrode of the energy storage device. The frame 30 for isolating the necessary area from the outside as shown in FIG. 3A is placed on the top of the current collector 20 and the composite paste 10 is injected into the frame 30. Thereafter, the paste 10 is uniformly applied to the upper portion of the paste 10 through the rolling bar 40 as shown in FIG. Here, the current collector 20 is formed of a group consisting of copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum And one kind selected from the mixture group thereof is preferable.

경우에 따라서 틀을 이용하지 않고 패터닝(Patterning), 압출(Extruding), 블라스팅(Blasting), 스프레드(Spread) 등과 같은 가공법을 이용하여 복합 페이스트(10)를 집전체(20)에 도포 가능하다.The composite paste 10 may be applied to the current collector 20 by using a processing method such as patterning, extruding, blasting, spreading, etc., without using a frame.

복합 페이스트를 동결건조하여 모놀리스 구조의 산화그래핀 환원물을 형성한다(S4).The composite paste is freeze-dried to form a graphene oxide graphene reduction material (S4).

집전체(20)의 상부에 배치된 복합 페이스트(10)를 동결건조하여 도 3c와 같이 복합 페이스트가 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물(50)을 갖도록 한다. 동결건조는 액화질소를 이용하여 -100 내지 270℃에서 10 내지 60분 정도 동결시킨 후, 이를 10-3 torr에서 1시간 내지 24시간 동안 건조시킨다.The composite paste 10 disposed on the upper portion of the current collector 20 is lyophilized to have a graphene reduction graphene 50 having a monolithic three-dimensional structure as shown in Fig. 3C. Freeze-drying is performed using liquefied nitrogen at -100 to 270 ° C for 10 to 60 minutes, and then it is dried at 10 -3 torr for 1 hour to 24 hours.

이와 같이 복합 페이스트(10)를 동결건조하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이 어는점이 낮은 물(60)이 먼저 얼기 때문에 수용성폴리머(11)와 물(60) 간에 상분리가 일어나게 된다. 즉, 물(60)이 기둥형상으로 동결되면, 산화그래핀 환원물(13) 및 수용성폴리머(11)는 물(13)이 동결되지 않은 영역에 정렬되고, 온도가 물(13)이 동결된 온도보다 더 낮아지게 되면 동결된다. 그 후 저온에서 건조시키게 되면 물(13)과 수용성폴리머(11)가 승화되어 도 5에 도시된 바와 같이 소나무 형상과 유사한 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물(50)이 형성된다. 이와 같은 모놀리스 삼차원 구조는 물(11)과 물(11)을 제외한 복합 페이스트(10)와의 어는점 차이에 의해 생성된다.When the composite paste 10 is freeze-dried, phase separation occurs between the water-soluble polymer 11 and the water 60 because the water 60 having a low freezing point is first frozen as shown in FIG. That is, when the water 60 is frozen in the form of a column, the oxidized graphene reduction product 13 and the water-soluble polymer 11 are aligned in a region where the water 13 is not frozen, When it becomes lower than the temperature, it is frozen. And then dried at a low temperature, the water 13 and the water-soluble polymer 11 are sublimated to form a graphene reduction graft 50 having a monolithic three-dimensional structure similar to the pine shape as shown in FIG. Such a monolithic three-dimensional structure is generated by the freezing point difference with the composite paste 10 excluding the water 11 and the water 11.

여기서 집전체는 1㎛ 내지 1cm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.The collector preferably has a thickness of 1 탆 to 1 cm.

산화그래핀 환원물을 압착한다.(S5)The graphene oxide grains are squeezed (S5)

동결건조를 통해 모놀리스 삼차원 구조가 형성된 산화그래핀 환원물(50)은 물(13)과 수용성폴리머(11)가 승화되면서 큰 활동영역(Active site)이 형성되며, 이에 의해 모놀리스 산화그래핀 환원물(50)의 부피가 일반적인 동결건조에 의한 산화그래핀의 환원물보다 커진다. 모놀리스 산화그래핀 환원물(50)의 부피가 클 경우 전지의 전체 부피가 커지기 때문에 이를 집전체(20)에 압착시켜 부피를 감소시킨다. 압착시키는 방법으로는 S3 단계에서 설치했던 틀(30)을 집전체(20)로부터 제거하고, 모놀리스 산화그래핀 환원물(50)을 일반적으로 사용되는 압착 방법을 이용하며 압착한다. 압착 방법은 모놀리스 산화그래핀 환원물(50)의 상부를 무거운 물체나 기체를 이용하여 압착하는 가압(Pressurization), 복수의 롤 사이를 통과시키는 압연(Rolling), 긴 관을 통과하여 부피를 감소시키는 압출(Extrusion) 등과 같은 방법을 사용할 수 있다. 이와 같이 집전체(20)에 모놀리스 삼차원 구조를 갖는 산화그래핀 환원물(50)이 형성된 음극(100)은 에너지 저장소자에 사용 가능하다.The oxidized graphene reduction material 50 having the monolithic three-dimensional structure formed by freeze-drying forms a large active area by sublimation of the water 13 and the water-soluble polymer 11, The volume of the reduced material 50 becomes larger than the reduced material of the graphene oxide by freeze drying. When the volume of the monolithic oxidized graphene reduction material 50 is large, the total volume of the battery becomes large, so that it is pressed to the current collector 20 to reduce the volume. As a method of pressing the mold 30, the mold 30 installed in the step S3 is removed from the current collector 20, and the monolith oxide graphene reduction material 50 is squeezed using a generally used compression method. The pressing method includes pressing the upper portion of the monolith oxide graphene reduction material 50 using a heavy object or a gas, rolling the material through a plurality of rolls, passing through a long pipe, Extrusion or the like may be used. The cathode 100 in which the graphene reduction material 50 having a monolithic three-dimensional structure is formed on the current collector 20 as described above can be used for an energy storage device.

음극을 이용하여 적층형 에너지 저장소자를 제작한다(S6).A stacked energy storage device is fabricated using a cathode (S6).

S1 내지 S5 단계를 통해 제조된 모놀리스 삼차원 형상의 산화그래핀 환원물(50)을 포함하는 음극(100)을 이용하여 리튬 이온 전지나 슈퍼 커패시터와 같은 적층형 에너지 저장소자를 제조한다. 여기서 에너지 저장소자는 파우치(Pouch) 형상 또는 코인 셀(Coin cell) 형상이 바람직하다. 리튬 이온 전지의 경우 음극(100)과 리튬 금속으로 이루어진 양극(200) 사이에 분리막(Separator, 300)를 설치하여 최종적으로 전지를 제조한다.A stacked energy storage device such as a lithium ion battery or a supercapacitor is manufactured using the cathode 100 including the monolithic three-dimensional shaped oxidized graphene reduction 50 manufactured through steps S1 to S5. Here, the energy reservoir is preferably a pouch shape or a coin cell shape. In the case of a lithium ion battery, a separator (300) is provided between the cathode (100) and the anode (200) made of lithium metal to finally manufacture a battery.

종래의 음극활물질로 사용되는 흑연 또는 그래핀 화합물의 경우 복수의 그래핀이 매우 근접하게 적층되어 있으며 활동영역(Active site)이 좁아 이온의 삽입과 탈리가 어려울 뿐만 아니라 삽입 및 탈리 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.In the case of the graphite or graphene compound used as a conventional negative electrode active material, a plurality of graphenes are stacked very close to each other and the active site is narrow, so that it is difficult to insert and desorb ions, There was a problem.

하지만 S1 내지 S5 단계를 통해 제조된 모놀리스 삼차원 구조를 갖는 산화그래핀 환원물은 활동영역(Active site)이 넓기 때문에 빠른시간 내에 이온 삽입 및 탈리가 가능하여 고속 충방전이 가능하며, 이온 저장영역이 넓어 충방전 용량이 크다는 장점이 있다.
However, since the graphene oxide grains having a monolithic three-dimensional structure produced through steps S1 to S5 have a wide active site, it is possible to perform ion implantation and desorption in a short period of time, And the charge / discharge capacity is large.

이하 본원발명의 실시예와 비교예를 도면을 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments and comparative examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도면의 설명에서는 실시예인 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물의 분석 그래프 및 비교예인 산화그래핀 환원물을 이용한 다양한 실험 결과에 대한 그래프이다.In the drawings, graphs of analytical graphs of graphene oxide grains having a monolithic three-dimensional structure as an embodiment and graphs of various experimental results using graphene graphene reductions as a comparative example are shown.

도 6a는 라만 스펙트럼을 나타낸 것으로 여기서 흑연(NG), 일반적인 방법으로 핫플레이트에서 건조시킨 산화그래핀 환원물(2D-rGO), 일반적인 방법으로 산화그래핀 환원물과 수용성폴리머를 혼합하여 건조시킨 산화그래핀 환원물(2D-rGO(SCMC)), 동결건조를 통해 제조된 산화그래핀 환원물(rGO foam), 수용성폴리머를 혼합하여 동결건조시켜 모놀리스 구조를 갖는 산화그래핀 환원물(M-rGO(SCMC))을 의미한다.6A shows Raman spectra. Here, graphite (NG), oxidized graphene reduction (2D-rGO) dried on a hot plate by a general method, oxidized graphene reduced material and water soluble polymer by a general method, (2-rGO (SCMC)), oxidized graphene reduction (rGO foam) prepared by freeze-drying, and water-soluble polymer are mixed and lyophilized to obtain a graphene oxide reduced graft having a monolith structure (M- rGO (SCMC)).

A 영역의 피크는 그래파이트 피크로 모든 시료에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. B 영역의 피크는 결함피크이거나 SCMC의 피크를 나타내는 데 만약 결함피크일 경우 C 영역의 피크가 줄어들게 된다. 이에 대해 2D-rGO 및 rGO foam 피크는 C 영역의 피크가 작은 것이 확인되어 A 영역의 피크가 결함피크로 인식되지만 2D-rGO(SCMC) 및 M-rGO(SCMC)는 C 영역의 피크가 줄어들지 않은 것으로 보아 A 영역의 피크는 SCMC 피크인 것을 확인할 수 있다.It can be seen that the peak of the A region appears as a graphite peak in all the samples. The peak of the B region is the defect peak or the peak of the SCMC, and if the defect peak, the peak of the C region is reduced. The 2D-rGO (SCMC) and M-rGO (SCMC) peaks of the C-region are recognized as the peaks of the A region and the 2D-rGO foam peak, It can be confirmed that the peak of the A region is the SCMC peak.

도 6b는 또한 라만 스펙트럼에 관한 것으로 각각의 ID/IG 비율은 2D-rGO: 1.23, 2D-rGO(SCMC): 1.84, rGO foam: 1.34, M-rGO(SCMC): 2.73으로 M-rGO(SCMC)가 가장 높았으며, I2D/G 비율은 D-rGO: 0.42, 2D-rGO(SCMC): 0.89, rGO foam: 0.21, M-rGO(SCMC): 1.10으로 역시 M-rGO(SCMC)가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 따라서 M-rGO(SCMC)의 퀄리티가 가장 좋은 것이 확인된다.Fig. 6B also relates to Raman spectra, wherein the respective I D / I G ratios were: 2D-rGO: 1.23, 2D-rGO (SCMC): 1.84, rGO foam: 1.34, M-rGO (SCMC) that was the highest, I 2D / G ratio of D-rGO: 0.42, 2D- rGO (SCMC): 0.89, rGO foam: 0.21, M-rGO (SCMC): also M-rGO (SCMC) 1.10 Is the highest. Therefore, it is confirmed that the quality of M-rGO (SCMC) is the best.

도 7은 X선 회절(X-ray diffraction)을 나타낸 것으로 각각의 피크에서 나타내는 2세타(theta), 피크의 위치를 통한 층간간격, 피크의 반측폭을 통하여 결정화간격(Lc)을 통한 확산거리(Diffusion length)를 쉐러 방정식(Scherrer equation)을 통하여 얻을 수 있으며, 이때의 Lc 값들은 NG(Natural graphite: 흑연): 437.2, 2D-rGO:15.3, 2D-rGO(SCMC):15., rGO foam: 14.7, M-rGO(SCMC): 13.8로써 모놀리스 삼차원 구조를 갖는 산화그래핀 환원물이 가장 낮은 확산거리를 갖게 되는 결과를 확인할 수 있다. 이를 통하여 이온의 삽입과 탈리를 가장 용이하게 할 수 있는 구조임을 확인할 수 있다.FIG. 7 shows X-ray diffraction, which shows the theta in each peak, the interlayer spacing through the position of the peak, the diffusion distance through the crystallization spacing Lc through the half width of the peak DGC: 15: 2, rGO: 15: 2, rGO: 15, rGO: graphite: 437.2, 2D-rGO: 15.3, 14.7, and M-rGO (SCMC): 13.8, indicating that the oxidized graphene reduction having a monolithic three-dimensional structure has the lowest diffusion distance. It can be confirmed that it is the structure that facilitates insertion and desorption of ions through this.

도 8은 IR 스펙트럼을 나타낸 것으로 C=C sp2 피크는 그래파이트 피크를 의미한다. C-O stretching을 나타내는 2개의 피크는 그래핀이 산화된 경우 그래핀 주위에 산소관능기가 붙기 때문에 이에 의해 C-O stretching 위치에서 피크를 발견할 수 있다. 산화그래핀을 나타내는 GO의 경우에는 이 위치에서 피크가 발견되지만 산화그래핀 환원물에는 산소관능기가 없기 때문에 rGO는 C-O stretching 피크를 발견할 수 없다. 또한 rGO(SCMC)의 피크는 하부의 SCMC 피크와 유사한 것으로 보아 산화그래핀 환원물과 수용성폴리머가 혼합된 것을 확인할 수 있다.Figure 8 shows the IR spectrum, where C = C sp 2 peak means graphite peak. Two peaks representing CO stretching can be found at the CO stretching position because graphene oxidizes with oxygen functional groups around graphene. In the case of GO, which indicates graphene oxide, a peak is found at this position, but rGO can not find a CO stretching peak because there is no oxygen functional group in the oxidized graphene reduction. In addition, the peak of rGO (SCMC) is similar to the lower SCMC peak, and it can be confirmed that the oxidized graphene reduction and the water-soluble polymer are mixed.

도 9는 각 시료를 포함하는 전극을 놓고 직렬저항을 측정한 그래프이다. 여기서 기울기가 클수록 저항이 낮은 것을 의미한다. 기울기는 2D-rGO가 가장 커 저항이 가장 낮지만 2D-rGO는 활동영역이 작기 때문에 저장가능한 용량이 적어 전극용으로는 적합하지 않다. 그 다음으로는 M-rGO(SCMC) 및 2D-rGO(SCMC)가 저항이 작은데 2D-rGO(SCMC)는 2D-rGO와 동일한 이유로 전극용으로는 적합하지 않다. 그리고 동결건조 방법으로 제조한 M-rGO(SCMC)와 rGO foam을 비교할 경우 M-rGO(SCMC)의 저항이 낮은데 이 이유는 무질서하게 포어를 갖는 구조보다는 일정하게 정렬된 모놀리스 구조의 포어를 갖는 것이 저항을 낮추는 데 중요한 요인으로 생각된다.9 is a graph showing the series resistance of an electrode including each sample. The larger the slope, the lower the resistance. The slope of 2D-rGO is the highest, while the resistance of 2D-rGO is the lowest. Since 2D-rGO has a small active area, it is not suitable for electrode because of its small storage capacity. Next, M-rGO (SCMC) and 2D-rGO (SCMC) have a small resistance. 2D-rGO (SCMC) is not suitable for electrodes for the same reason as 2D-rGO. In comparison with the freeze-dried M-rGO (SCMC) and rGO foam, the resistance of M-rGO (SCMC) is low because it has a uniformly arranged monolith structure pore Is considered to be an important factor in lowering resistance.

도 10은 M-rGO(SCMC)를 포함하는 전지에 급속 충방전 했을 때의 용량을 나타낸 것으로 1C는 1시간 동안 충방전 했을 때의 용량, 0.2C는 2시간, 10C는 1/10시간, 50C는 1/50시간을 나타낸다. 또한 CHA는 충전(Charge), DCH는 방전(Discharge)을 나타낸다. 그래프에서 볼 수 있듯이 1/50시간이라는 짧은 시간에 급속 충방전을 하여도 용량이 큰 것이 확인된다.Fig. 10 shows the capacity when the battery including M-rGO (SCMC) was rapidly charged and discharged. Fig. 10C shows the capacity when charging and discharging for 1 hour, 0.2C for 2 hours, 10C for 1/10 hour, Represents 1/50 hour. CHA represents charge and DCH represents discharge. As can be seen from the graph, it is confirmed that even if rapid charge / discharge is performed in a short time of 1/50 hour, the capacity is large.

도 11은 0.2C 즉 5시간 동안 2D-rGO와 M-rGO(SCMC)를 포함하는 전지에 각각 충방전 했을 때의 용량을 나타낸 그래프이다. 여기에서 2D-rGO보다 M-rGO(SCMC)의 충방전 용량이 월등히 큰 것을 확인할 수 있다.FIG. 11 is a graph showing the capacity when the cells including 2D-rGO and M-rGO (SCMC) are charged and discharged at 0.2C, that is, for 5 hours. It can be seen that the charge-discharge capacity of M-rGO (SCMC) is much higher than that of 2D-rGO.

도 12는 각 시간별로 전지를 방전했을 때 빠른 방전이 가능한가를 확인하는 그래프로 NG 및 M-rGO(SCMC)를 포함하는 전지에 대해 각각 실험하였다. 여기서 0.2C는 5시간, 1C는 1시간, 5C는 1/5시간, 10C는 1/10시간, 30C는 1/30시간, 50C는 1/50시간, 100C는 1/100시간을 각각 나타낸 것이다. 각 시간에 대해 충방전 사이클을 5번 반복하여 측정한 결과로 M-rGO(SCMC)는 시간이 1/100이라도 방전이 가능하지만, NG는 방전용량이 매우 작은 것을 확인할 수 있다. 특히 1/50시간과 1/100시간에는 방전되지 않았다.FIG. 12 is a graph for confirming whether a rapid discharge is possible when the cell is discharged for each time, and it was tested for each cell including NG and M-rGO (SCMC). Here, 0.2C is 5 hours, 1C is 1 hour, 5C is 1/5 hour, 10C is 1/10 hour, 30C is 1/30 hour, 50C is 1/50 hour, and 100C is 1/100 hour . As a result of repeating the charge / discharge cycle five times for each time, M-rGO (SCMC) can discharge even at a time of 1/100, but it can be confirmed that NG has a very small discharge capacity. Especially, no discharge occurred at 1/50 and 1/100 hours.

도 13은 충방전 사이클을 100번을 돌려서 전지의 충방전이 얼마나 안정적인지 확인한 것으로 M-rGO(SCMC)는 100번의 사이클을 돌려도 안정적인 것을 확인할 수 있지만, NG은 90번을 넘어가게 되면 급속도로 충방전 용량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.FIG. 13 shows how stable the charging / discharging of the battery is by turning the charging / discharging cycle 100 times. It can be confirmed that M-rGO (SCMC) is stable even after 100 cycles. However, if NG exceeds 90, It can be confirmed that the discharge capacity is reduced.

도 14는 NG, 2D-rGO, M-rGO(SCMC)를 포함하는 전극, 전해액 및 격리막을 모두 포함하는 셀을 이용하여 임피던스(impedance)가를 측정한 그래프로 전극저항, 전해액저항 및 계면저항을 모두 함께 확인할 수 있는 나이퀘스트 플롯(Nyquist plot) 그래프이다. 이 그래프는 기울기가 클수록 이온의 확산저항이 작은 것을 의미한다. 따라서 기울기가 큰 M-rGO(SCMC) 및 NG가 저항이 작다. 또한 높은 주파수 영역에서 반원을 그릴 수 있는데, 그려지는 반원의 직경이 커질수록 임피던스가 커진다. 원의 직경은 NG가 가장 크며 M-rGO(SCMC)가 가장 작다. 따라서 전체적으로 조합했을 경우 임피던스가 가장 작은 것은 M-rGO(SCMC)인 것을 확인할 수 있다.
FIG. 14 is a graph showing impedance measured using cells including NG, 2D-rGO, and M-rGO (SCMC), an electrolyte, and a separator. The electrode resistance, the electrolyte resistance, It is the Nyquist plot graph that can be checked together. This graph shows that the larger the slope, the smaller the diffusion resistance of the ions. Therefore, M-rGO (SCMC) and NG with high slope have low resistance. It is also possible to draw a semicircle in the higher frequency range, the larger the diameter of the semicircle being drawn, the larger the impedance. The diameter of the circle is the largest, and M-rGO (SCMC) is the smallest. Therefore, when combined as a whole, it can be confirmed that M-rGO (SCMC) has the smallest impedance.

이상 실시예와 비교예를 확인해본 결과 비교예로 사용된 NG, 2D-rGO, r-GO foam와 비교하여 본 발명의 M-rGO(SCMC)는 직렬저항을 측정하였을 때에는 그다시 좋은 효과를 볼 수 없었으나, 셀을 이용하여 저항을 측정한 결과 M-rGO(SCMC)가 임피던스가 가장 작은 것으로 확인되었다. 이는 비교예가 활동영역(Active site)이 작기 때문에 셀에는 적합하지 않다는 것을 의미한다. 또한 실시예를 급속 충방전 실험을 해본 결과, 충방전 용량이 컸으며 짧은 시간내에 급속 충방전이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 모놀리스 삼차원 구조를 가진 산화그래핀 환원물은 에너지 저장소자에 매우 적합한 재료인 것이 확인되었다.As a result of examining the above embodiments and comparative examples, the M-rGO (SCMC) of the present invention, when compared with the NG, 2D-rGO and r-GO foam used as comparative examples, However, M-rGO (SCMC) was found to have the smallest impedance when the resistance was measured using a cell. This means that the comparison example is not suitable for the cell because the active site is small. Also, as a result of the rapid charge-discharge experiment of the embodiment, it was confirmed that the charge-discharge capacity was large and rapid charge-discharge was possible in a short time. It has been confirmed that graphene oxide grains having a monolithic three-dimensional structure are very suitable materials for energy storage devices.

10: 복합 페이스트 11: 수용성폴리머
13: 물 15: 산환그래핀 환원물
20: 집전체 30: 틀
40: 롤링바 50: 모놀리스 산화그래핀 환원물
100: 음극 200: 양극
300: 분리막
10: composite paste 11: water-soluble polymer
13: water 15: oxalate graphene reduction
20: House Whole 30: Frame
40: Rolling bar 50: Monolith oxide graphene reduction
100: cathode 200: anode
300: membrane

Claims (19)

모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법에 있어서,
산화그래핀 환원물 페이스트 및 수용성폴리머를 혼합하여 복합 페이스트를 제조하는 단계와;
상기 복합 페이스트를 집전체에 도포하는 단계와;
상기 집전체를 동결건조하여 모놀리스 산화그래핀 환원물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
A method of manufacturing a negative electrode for an energy storage comprising a graphene reduction oxide having a monolithic three-dimensional structure,
Mixing the oxidized graphene reduction paste and the water-soluble polymer to prepare a composite paste;
Applying the composite paste to a current collector;
And a step of lyophilizing the current collector to form a monolith oxide graphene reduction product, wherein the graphene oxide graphene reduction product has a monolithic three-dimensional structure.
제 1항에 있어서,
상기 산화그래핀 환원물 페이스트는,
분말상태의 그래파이트 플레이크로부터 분말상태의 산화그래파이트 플레이크를 합성하는 단계와;
상기 산화그래파이트 플레이크를 용매 내에 분산시켜 산화그래핀 분산용액을 형성하는 단계와;
상기 산화그래핀 분산용액을 양이온-파이 상호작용을 통해 양이온반응 산화그래핀 분산용액을 제조하는 단계와;
상기 양이온반응 산화그래핀 분산용액을 환원제를 이용하여 환원시키는 단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The oxidized graphene reduction paste is prepared by mixing,
Synthesizing powdery oxidized graphite flakes from the powdered graphite flakes;
Dispersing the oxidized graphite flakes in a solvent to form an oxidized graphene dispersion solution;
Preparing a cationic graphene oxide graphene dispersion solution through the cation-phi interaction with the graphene oxide dispersion solution;
Wherein the graphene oxide graphene reduction solution is prepared by reducing the graphene oxide graphene dispersion solution using a reducing agent.
제 2항에 있어서,
상기 산화그래파이트 플레이크는 상기 그래파이트 플레이크를 산처리를 통해 합성되는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the oxidized graphite flakes are synthesized by acid treatment of the graphite flakes. 2. The method of claim 1, wherein the graphite flakes are synthesized through acid treatment.
제 3항에 있어서,
상기 산처리는 상기 그래파이트 플레이크에 농질산(Fuming nitric acid) 또는 황산(Sulfuric acid)을 사용하여 처리하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the acid treatment is performed by using fuming nitric acid or sulfuric acid in the graphite flake. 2. The method of claim 1, wherein the graphite flake is treated with fuming nitric acid or sulfuric acid.
제 2항에 있어서,
상기 환원제는,
수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 수산화붕소나트륨(NaBH4), 히드라진(N2H4), 하이드로아이오닉산(Hydroionic acid), 아스코빅산(Ascovic acid)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다. 또한 용매는 아세톤(Acetone), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone), 메틸알콜(Methyl alcohol), 에틸알콜(Ethyl alcohol), 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol), 부틸알콜(Butyl alcohol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 테트라하이드로피란(Tetrahydropyran) 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide), 디메틸아세트아마이드(Dimethyl acetamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrolidone), 헥산(Hexane), 사이클로헥사논(Cycolhexanone), 톨루엔(Toluene), 클로로폼(Cloroform), 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 디메틸벤젠(Dimethyl benzene), 트리메틸벤젠(Trimethyl benzene), 피리딘(Pyridine), 메틸나프탈렌(Methyl naphthalene), 니트로메탄(Nitromethane), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 옥타데실아민(Octadecylamine), 아닐린(Aniline), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 증류수로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
3. The method of claim 2,
The reducing agent,
Sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), hydroxide, sodium borohydride (NaBH 4), hydrazine (N 2 H 4), dihydro-child ohnik acid (Hydroionic acid), ascorbyl biksan (Ascovic acid ), And a mixture thereof. The solvent may be selected from the group consisting of acetone, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, Tetrahydropyran dimethyl formamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone (N Methyl-2-pyrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethyl benzene, trimethyl benzene, (Pyridine), Methyl naphthalene, Nitromethane, Acrylonitrile, Octadecylamine, Aniline, Dimethyl sulfoxide, and distilled water. And a graphene oxide grains having a monolithic three-dimensional structure, wherein the graphene grains have a graphene reduction structure.
제 1항에 있어서,
상기 복합 페이스트를 제조하는 단계는,
상기 수용성폴리머 100중량부에 대해 상기 산화그래핀 환원물 페이스트를 50 내지 200중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of preparing the composite paste includes:
Wherein the oxidized graphene reduction paste is mixed with 50 to 200 parts by weight of the oxidized graphene reduction paste to 100 parts by weight of the water-soluble polymer.
제 1항에 있어서,
복합 페이스트를 제조하는 단계는,
교반(Stirring), 혼합(Thinky mixer), 3롤분쇄(3Roll milling), 볼분쇄(Ball milling) 중 적어도 어느 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of producing the composite paste includes:
Wherein the method comprises using graphene oxide grains having a monolithic three-dimensional structure, characterized in that at least one of the following methods is used: Stirring, Mixing (Thinky mixer), 3 roll milling, Ball milling Method of manufacturing negative electrode for energy storage device.
제 1항에 있어서,
복합 페이스트를 제조하는 단계는,
접착제를 첨가하는 단계를 더 포함하며, 상기 접착제는,
폴리불화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 카르복시메틸셀룰로오즈(Carboxymethyl cellulose), 히드록시프로필셀룰로오즈(Hydroxypropylcellulose), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐피롤리돈폴리비돈(Polyvinylpyrrolidonepolyvidone), 테트라플루오로에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of producing the composite paste includes:
Further comprising the step of adding an adhesive,
Polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylcellulose, polyvinyl pyrrolidone (polyvinylpyrrolidone), polyvinylpyrrolidone Wherein the monolithic three-dimensional structure is one selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidoneepolyvidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, and mixtures thereof. Of the oxide graphene.
제 1항에 있어서,
상기 수용성폴리머는,
폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine), 폴리아마이드아민(Polyamideamine), 폴리비닐포름아미드(Polyvinyl formamide), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate), 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 폴리스티렌설폰산(Polystyrenesulfonic acid), 폴리규산(Polysilicic acid), 폴리인산(Polyphosphoric acid), 폴리에틸렌설폰산(Polyethylenesulfonic acid), 폴리-3-비닐록시프로펜-1-설폰산(Poly-3-vinyloxypropane-1-sulfonic acid), 폴리-4-비닐페놀(Poly-4-vinylphenol), 폴리-4-비닐페닐설폰산(Poly-4-vinylphenyl sulfuric acid), 폴리에틸렌포스포릭산(Polyethyleneohosphoric acid), 폴리말릭산(Polymaleic acid), 폴리-4-비닐벤조산(Poly-4-vinylbenzoic acid), 메틸셀룰로오스(Methyl cellulose), 하이드록시에틸셀룰로오스(Hydroxy ethyl cellulose), 카복시메틸셀룰로오스(Carboxy methyl cellulose), 소듐카복시메틸셀룰로오스(Sodium carboxy methyl cellulose), 하이드록시프로필셀룰로오스(Hydroxy propyl cellulose), 소듐카복시메틸셀룰로오스(Sodium carboxymethylcellulose), 폴리사카라이드(Polysaccharide), 전분(Starch)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The water-
Examples thereof include polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyethyleneimine, polyamideamine, polyvinyl formamide, polyvinyl acetate, polyacrylamide, and the like. ), Polyvinylpyrrolidone, polydiallyldimethylammonium chloride, polyethylene oxide, polyacrylic acid, polystyrenesulfonic acid, polysilicic acid, polyphosphoric acid, poly-3-vinyloxypropane-1-sulfonic acid, poly-4-vinylphenol, and the like. Poly-4-vinylphenylsulfonic acid, polyethylenenaphosphoric acid, polymaleic acid, poly-4-vinylbenzoic acid, c acid, methyl cellulose, hydroxy ethyl cellulose, carboxy methyl cellulose, sodium carboxy methyl cellulose, hydroxy propyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, , Sodium carboxymethylcellulose, polysaccharide, starch, and mixtures thereof. The graphene three-dimensional structure oxidized graphene-reduced energy is one kind selected from the group consisting of sodium carboxymethylcellulose, polysaccharide, starch, A method for manufacturing a negative electrode for a storage device.
제 1항에 있어서,
상기 복합 페이스트를 집전체에 도포하는 단계는,
템플레이트(Template), 패터닝(Patterning), 압출(Extruding), 블라스팅(Blasting), 스프레드(Spread) 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of applying the composite paste to the current collector includes:
Wherein the energy storage comprises graphene oxide graphene grains having a monolithic three-dimensional structure, characterized by using any one of a template, patterning, extruding, blasting, and spreading. (Method for manufacturing negative electrode).
제 1항에 있어서,
상기 집전체는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The collector may be formed of a group consisting of copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum And the graphene oxide grapnewine having a monolithic three-dimensional structure.
제 1항에 있어서,
상기 동결건조하여 모놀리스 산화그래핀 환원물을 형성하는 단계는,
액화질소를 이용하여 -100 내지 -270℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of lyophilization to form monolith oxide graphene reduction comprises:
Wherein the graphene reduction grapnem is formed at a temperature of -100 to -270 ° C using liquefied nitrogen.
제 1항에 있어서,
상기 동결건조하여 모놀리스 산화그래핀 환원물을 형성하는 단계 이후에,
상기 모놀리스 산화그래핀 환원물을 압착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
After the lyophilization to form the monolith oxide graphene reductant,
Further comprising the step of compressing the monolith oxide graphene reduction material to form a graphene oxide graphene graphene graphene graphene graphene graphene graphene graphene graphene grains.
제 13항에 있어서,
상기 압착하는 단계는,
가압(Pressurization), 압연(Rolling), 압출(Extrusion) 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the pressing step comprises:
A method for manufacturing an anode for an energy storage comprising a graphene oxide graphene reduction material having a monolithic three-dimensional structure, characterized by using any one of pressurization, rolling, and extrusion.
제 1항에 있어서,
상기 집전체는 1㎛ 내지 1cm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 모놀리스 삼차원 구조의 산화그래핀 환원물을 포함하는 에너지 저장소자용 음극 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the current collector has a thickness of 1 to 1 cm. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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