KR20200024599A - 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 이차전지 및 이의 제조 방법은 박리화된 전기금속 칼코게나이드와 그래핀의 복합체를 사용함에 따라 이온들의 인터칼레이션-디인터칼레이션을 개선하여 알루미늄 이차전지의 충방전 용량을 향상시킬 수 있다.

Description

박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지 및 그 제조 방법{Aluminum secondary battery using exfoliated transition metal chalcogenide and graphene composite as cathode active material and method for manufacturing of the same}
본 발명은 고용량 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전기자동차 및 에너지저장시스템에 사용되는 리튬이차전지는 시장의 급속한 성장으로 리튬의 수요가 급격히 증가할 것으로 전망되나, 리튬 자원 수급의 불균형과 제한된 공급자에 의한 과도한 가격 상승으로 가격 절감이 쉽지 않아 대용량화에 한계가 있다. 이에 따라 리튬 이차전지보다 높은 에너지 밀도 및 용량, 저렴한 가격, 친환경적인 재료, 높은 안정성 및 우수한 사이클 수명 등 더 나은 특성을 갖는 전지에 대한 요구가 증가되고 있으며, Na+, Mg2+, Zn2+, Al3+ 등의 신규 이온 캐리어를 이용한 다양한 에너지저장소재 기반의 이차전지 연구에 대한 관심이 높아지고 있다.
알루미늄은 리튬 이차전지를 대체할 만한 재료로 높은 에너지 밀도와 우수한 안정성 및 가격 경쟁력으로 주목 받고 있다. 특히 부피당 에너지밀도는 8046 mAh/cm3로 리튬 금속(2456 mAh/cm3)보다 3 배 이상 높다. 알루미늄 이차전지는 알루미늄 이온을 사용하여 에너지를 저장하는 최신 기술로서 알루미늄은 많은 자원이 존재하고, 가격이 저렴하며, 친환경적이어서 향후 장기적으로 범용적으로 기존의 리튬이차전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 기술이다. 알루미늄은 산소와 규소 다음으로 지구상에서 3번째로 많은 원소로(약8.23%)로 리튬(0.006%)과 같은 자원 고갈의 문제가 없으며, 전 세계에 골고루 분포되어 있으며, 현재 알루미늄의 원료인 보크사이트는 탄산리튬의 1/300, 알루미늄 완제품의 가격은 리튬의 1/10로 리튬을 대체할 경우 원재료 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 또한, 알루미늄의 낮은 인화성 및 3전자 산화 환원 반응 특성으로 인해, 알루미늄 기반의 이차전지는 저비용, 고속 충방전, 고용량 및 고안전성을 제공할 수 있어 차세대 에너지 저장 장치로 큰 관심을 받고 있다. 하지만, 알루미늄 이차전지에 연구는 낮은 전압, 리튬 이차전지에 비하여 낮은 용량, 빠른 전지 용량 감소 등의 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 2016-0145557호는 알루미늄 이온 배터리에 관한 것으로, 레이어드 활성 재료를 포함하는 캐소드를 구비한 알루미늄 이차전지를 개시한다. 양극물질 개선으로 에너지 밀도 및 출력 밀도를 개선하여, 알루미늄 이차전지의 난제인 양극물질 개선의 가능성을 나타낸다. 그러나 상기 특허는 전체적인 성능이 리튬 이차전지에 비해 떨어지는가 하면 안전성의 확보가 의문시된다. 따라서, 알루미늄 기반 에너지저장소자의 각 요소기술(양극, 음극, 전해질)의 개발 및 개선을 통하여 장기적으로 리튬 이온전지 성능을 넘어서는 초저가의 고용량, 고출력, 고안전성의 차세대 알루미늄 이차전지의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 2016-0145557호
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명자 들은 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 알루미늄 이차전지의 양극활물질로 사용함에 따라 이온들의 인터칼레이션-디인터칼레이션을 개선하여 알루미늄 이차전지의 충방전 용량을 향상시킬 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지로, 상기 이차전지는 음극 집전체 및 알루미늄 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 층상구조의 양극 활물질을 포함하는 양극부; 및
상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함하는 전해질부를 포함하고, 상기 활물질은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀의 복합체인,
박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전이금속 칼코게나이드는 MX2로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이며, 상기 M은 Mo, W 및 Ti 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고, 상기 X는 S, Se 및 Te 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나인, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 복합체는 박리화된 전이금속 칼코게나이드 화합물 100 중량부 대비 10 내지 50 중량부의 그래핀이 혼합된, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 박리화된 전이금속 칼코게나이드는 단일층 내지 다중층인, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성액체의 혼합물인, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체의 몰비는 1:1.1 내지 1:2.0인, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법으로, 상기 방법은, 음극 집전체에 알루미늄 음극을 적층하여 음극부를 준비하는 단계; 양극 집전체에 양극 활물질을 코팅하여 양극부를 준비하는 단계; 및 상기 음극부의 음극과 상기 양극부의 양극 활물질 사이에 전해질을 개재하는 전해질부 형성 단계를 포함하고, 상기 양극 활물질은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀이 분산된 용액에 바인더를 첨가한 혼합액을 양극 집전체에 코팅하여 형성하는, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌, 스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전이금속 칼코게나이드, 그래핀 및 바인더는 바람직하게 7:2:1의 중량비(%)로 혼합되는, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 내지 48시간 담그는 전처리 과정을 수행하는, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지 및 이의 제조 방법은 박리화된 전기금속 칼코게나이드와 그래핀의 복합체를 양극 활물질로 사용함에 따라 이온들의 인터칼레이션-디인터칼레이션을 개선하여 알루미늄 이차전지의 충방전 용량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 전이금속 칼코게나이드를 박리하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 상용 MoS2 나노입자 분말 (a), 암모늄이 치환된 MoS2 (b), 박리화된 MoS2 (c)의 X-선 회절패턴이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 박리화된 MoS2 잉크의 투과전자현미경 관찰결과(왼쪽) 및 잉크의 실제 사진(오른쪽)을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 박리화된 MoS2/그래핀이 코팅된 PG양극을 이용한 알루미늄 이온전지 충방전 결과를 나타낸다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한 양태에서 본 발명은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지로, 상기 이차전지는 음극 집전체 및 알루미늄 음극을 포함하는 음극부; 양극 집전체 및 층상구조의 양극 활물질을 포함하는 양극부; 및 상기 양극부와 음극부 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함하는 전해질부를 포함한다.
본 발명의 알루미늄 이차전지는 알루미늄 음극 (anode), 층상 구조를 이루는 활물질(cathode) 전극을 사용하며, 상기 알루미늄 음극은 전해질과 접하면서 가역적인 용해와 침적이 가능하고, 양극에서 음이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 반응이 일어난다. 충전 과정 동안에 일어나는 알루미늄 이차전지의 작동 메커니즘은 다음과 같다 (참고문헌: Chem. Mater. 29, 4484 (2017)), 음극 측에서, 충전 및 방전 반응 동안 각각 금속 Al, AlCl4 - 및 Al2Cl7 -가 활성종(active species)으로 작용한다. 양극 측에서는, 충전 및 방전 반응 동안 흑연 층 평면 사이의 공간 내로 주로 AlCl4 -가 각각 인터칼레이션 및 디인터칼레이션된다.
(음극): 4Al2Cl7 - + 3e- ⇔ 7AlCl4 - + Al
(양극): xC + AlCl4 - ⇔ Cx(AlCl4 -) + e-
상기 양극 활물질 재료로는 층상 구조를 가지는 물질이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 사용한다. 상기 박리화된 전이금속 칼코게나이드는 벌크 전이금속 칼코게나이드를 단일층 내지 다중층으로 박리된 층상 구조물질이다. 전이금속 칼코게나이드를 이루는 전이금속 원자와 칼코겐 원자는 공유결합 형태로 존재하며 층과 층 사이에는 약한 반데르발스 힘[Van der Walls(VdW) interaction]으로 연결되어 있어 물리적 박리, 화학적 박리가 가능하다. 상기 박리화는 스카치 테이프를 이용하여 물리적으로 떼어내거나 적절한 용매에서 박리과정을 진행시키는 방법, 또는 금속 원소(칼륨)나 유기-알칼리 화합물인 부틸리튬, 나트륨 나프탈레니드 등을 사용하여 알칼리 금속을 인터칼레이션시켜 층상 물질을 박리시키는 방법 등을 사용할 수 있다. 한 구현예에서 상기 전이금속 칼코게나이드는 MX2로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이며 상기 M은 Mo, W 및 Ti 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고, 상기 X는 S, Se 및 Te 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이며, 바람직하게 MoS2 이다.
상기 벌크 전이금속 칼코게나이드는 나노입자들이 응집되어 있어 본 발명의 이차전지에 있어서 이온들이 층간에 인터칼레이션 및 디인터칼레이션되기 매우 어렵기 때문에 박리화를 수행하여 이온들의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 효율을 향상 시킬 수 있다. 한 구현예에서 상기 박리화는 알칼리 금속을 벌크 전이금속 칼코게나이드 층간에 인터칼레이션시켜 층상 물질을 박리시키는 방법을 사용한다. 상기 방법은 도 1과 같이 수행될 수 있으며, 알칼리 금속이 벌크 전이금속 칼코게나이드에 인터칼레이션되고, 층간 간격이 증가하게 되면 MoS2의 층간 결합력이 약화된다. 인터칼레이션된 알칼리 금속을 양이온, 예를 들면 NH4 +와 이온교환하고, 증류수로 세척하면 층간의 NH4 +가 H+로 교환되면서 쉽게 벌크 전이금속 칼코게나이드를 단일층 내지 다중층으로 박리화할 수 있다.
본 발명의 알루미늄 이차전지는 양극 활물질로 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 사용하는데, 비교적 전기 전도도가 낮은 전이금속 칼코게나이드 물질의 전기 전도도를 증기시기키 위해 그래핀을 혼합하여 복합체를 사용한다. 본 발명의 복합체는 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 효율과 전도도를 향상시킴으로써 알루미늄 이차전지의 충방전 용량을 더욱 높일 수 있다. 상기 복합체는 인터칼레이션 효율과 전도도를 최적화하기위해 한 구현에에서 박리화된 전이금속 칼코게나이드 화합물 100 중량부 대비 10 내지 50 중량부의 그래핀이 혼합된다.
상기 전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성액체의 혼합물을 사용하고, 할로겐화 알루미늄 대 이온성 액체의 몰비는 1.1 이상에서 2.0 이하가 바람직하다. 한 구현에에서 상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함한다. 바람직하게 할로겐화 알루미늄은 AlCl3이고, 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, [EMIM]Cl)이다.
또 다른 측면에서 본 발명은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법으로, 상기 방법은, 음극 집전체에 알루미늄 음극을 적층하여 음극부를 준비하는 단계; 양극 집전체에 양극 활물질을 코팅하여 양극부를 준비하는 단계; 및 상기 음극부의 음극과 상기 양극부의 양극 활물질 사이에 전해질을 개재하는 전해질부 형성 단계를 포함한다. 상기 양극 활물질은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀이 분산된 용액에 바인더를 첨가한 혼합액을 양극 집전체에 코팅하여 형성하는 것이다. 상기 양극 활물질은 벌크 전이금속 칼코게나이드를 박리화하고, 이를 잉크로 제조하고 그래핀과 혼합하여 복합체를 제조하여 사용한다. 한 구현예에서 상기 복합체는 박리화된 전이금속 칼코게나이드 화합물 100 중량부 대비 10 내지 50 중량부의 그래핀이 혼합된다. 상기 혼합된 복합물에 바인더를 더 첨가하여 이를 양극 집전체에 코팅하여 사용할 수 있다. 한 구현에에서 상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌, 스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함한다. 상기 전이금속 칼코게나이드, 그래핀 및 바인더는 바람직하게 7:2:1의 중량비(%)로 혼합되어 사용될 수 있다. 한 구현예에서 상기 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 내지 48시간 담그는 전처리 과정을 수행한다. 상기 전처리 공정을 통하여 음극 표면의 산화막 제거하고, 음극을 활성화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 알루미늄 이차전지 제조
실시예 1-1 박리화된 전이금속 칼코게나이드 제조
본 발명의 알루미늄 이차전지의 양극활물질인 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 제조하였다. 상기 박리화된 전이금속 칼코게나이드를 제조하기 위해 도 1과 같은 방법을 사용하였다. 상용 MoS2 나노입자 (sigma-aldrich) 분말을 노르말 부틸 리튬 용액 (n-BuLi(C4H9Li) in hexane) 과 반응시켜 MoS2 층간에 Li+을 삽입시키고, 삽입된 Li+를 NH4 +와 이온교환하여 (NH4Cl수용액과 반응) MoS2의 층간 간격을 증가시켜 MoS2의 층간 결합력을 약화시켰다. 이를 증류수로 세척하였으며 층간에 존재하는 NH4 +를 H+로 교환하여 MoS2를 박리하였다. 상기 생성물을 여과 깔때기를 이용하여 박리화된 MoS2 분말을 수득하였다. 상기 MoS2 분말을 물에 분산시키고 초음파 충격을 인가하여 단일층-수층의 구조를 갖는 MoS2 잉크를 제작하였다.
실시예 1-2 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극활물질로 사용한 알루미늄 이차전지 제조
알루미늄 이차전지용 고용량 및 고안전성 양극 제조를 위하여, 증류수에 박리화된 MoS2 잉크 (농도: 15 mg/mL) 및 그래핀 나노시트(농도: 15 mg/mL)에 바인더를 넣고 혼합하여 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀의 복합체를 형성하였다. 먼저 증류수에 분산되어 있는 MoS2 잉크와 그래핀 나노시트를 7:2 비율로 복합체 혼합물을 제조하고, 여기에 바인더인 스티렌 부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR)와 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염(carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC)이 1:1 질량비로 혼합된 바인더 혼합물을 상기 복합체 혼합물과 9:1의 질량비로 첨가하여 최종적으로 박리화된 전이금속 칼코게나이드:그래핀:바인더가 7:2:1로 혼합된 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 양극 집전체인 열분해 흑연 호일(pyrolytic graphite foil, PG foil) 위에 슬러리를 고르게 코팅한 뒤, 120 ℃ 진공오븐에서 10시간 동안 충분히 건조시켜 양극활물질을 제조하였다. 건조된 전극이 일정한 두께를 갖도록 롤-프레스(roll-press)를 이용하여 압착하여 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 제조하였다. 음극은 알루미늄 호일(10nm ~ 300 ㎛ 두께)을 사용하였으며, 알루미늄 호일이 집전체 겸 음극 역할을 수행하였다. 알루미늄 음극 전극은 직경 18mm 크기의 코인 형(coin type) 전극으로 만들었다. 상기 양극활물질과 알루미늄 음극 사이에 18mm 크기의 유리 섬유(glass fiber) 분리막(Whatman glass microfiber filters, Grade GF/B)을 사용하였고, 전해질은 AlCl3:[EMIM]Cl (1.5:1 몰비) 이온성 액체 전해액을 사용하였다.
실시예 2 알루미늄 이차전지 분석
상기 실시예 1에 따라 제조한 알루미늄 이차전지를 분석하였다. 도 2는 본 발명의 박리화된 전이금속 칼코게나이드의 회절피크를 분석한 것이다. 상용 나노 MoS2 입자에 암모늄이 인터칼레이션 되면 MoS2결정의 층간 거리가 증가하여 회절 피크들이 낮은 2 theta지역으로 이동하는 것을 확인하였다. 또한 박리회된 MoS2의 경우는 회절 피크가 나타나지 않은 무정형 상태임을 확인하였다. 도 3은 투과 전자 현미경결과 및 잉크의 침전형성에 관한 이미지이다. 본 발명의 박리화를 통하여 제작된 MoS2 잉크는 MoS2 입자의 침전이 관찰되지 않았으며, TEM 분석결과 단결정에 가까운 단일-수층의 MoS2 층들로 이루어져 있음을 확인하였다.
이차전지의 전기화학 테스트를 수행하기 위해 충방전 실험을 수행하였다. 도 4는 제작된 코인형 셀을 1C 속도 충전 및 방전시킨 결과의 그래프이다. 하기 표 1에서 나타낸 바와 같이 박리화된 MoS2/그래핀이 복합체가 코팅된 열분해 흑연(pyrolytic graphite, PG)을 양극부로 사용한 경우, 기존의 PG 전극 대비하여 충방전 용량을 10%이상 증가시킬 수 있음을 확인하였고, 충방전 효율의 경우도 대체적으로 변화가 없음을 확인하였다.
[표 1]
Figure pat00001
본 발명의 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극활물질로 사용한 알루미늄 이차전지는 이온들의 인터칼레이션-디인터칼레이션을 개선하여 충방전 용량 향상이 가능하다.

Claims (11)

  1. 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지로,
    상기 이차전지는 음극 집전체 및 알루미늄 음극을 포함하는 음극부;
    양극 집전체 및 층상구조의 양극 활물질을 포함하는 양극부; 및
    상기 양극부 및 음극부 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함하는 전해질부를 포함하고,
    상기 활물질은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀의 복합체인,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전이금속 칼코게나이드는 MX2로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이며,
    상기 M은 Mo, W 및 Ti 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
    상기 X는 S, Se 및 Te 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나인,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합체는 박리화된 전이금속 칼코게나이드 화합물 100 중량부 대비 20 10 내지 50 중량부의 그래핀이 혼합된, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 박리화된 전이금속 칼코게나이드는 단일층 내지 다중층인,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질은 할로겐화 알루미늄과 이온성액체의 혼합물인,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체의 몰비는 1:1.1 내지 1:2.0인,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 할로겐화 알루미늄은 AlCl3, AlBr3 및 AlI3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고,
    상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지.
  8. 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법으로,
    상기 방법은, 음극 집전체에 알루미늄 음극을 적층하여 음극부를 준비하는 단계;
    양극 집전체에 양극 활물질을 코팅하여 양극부를 준비하는 단계; 및
    상기 음극부의 음극과 상기 양극부의 양극 활물질 사이에 전해질을 개재하는 전해질부 형성 단계를 포함하고,
    상기 양극 활물질은 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀이 분산된 용액에 바인더를 첨가한 혼합액을 양극 집전체에 코팅하여 형성하는,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리테트라 플루오로에틸렌, 스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전이금속 칼코게나이드, 그래핀 및 바인더는 7:2:1의 중량비(%)로 혼합되는, 박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 알루미늄 음극은 할로겐화 알루미늄과 이온성 액체가 혼합되어 있는 전해액에 1초 내지 48시간 담그는 전처리 과정을 수행하는,
    박리화된 전이금속 칼코게나이드 및 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용한 알루미늄 이차전지의 제조방법.
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