KR20220055899A - Manuafcturing method of electrode for energy storage device having effect of improving biocompatibility and energy storage device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법과, 그 에너지저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 강도가 높은 다공성 탄소재에 카보닐기와 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체로 이루어진 첨가제를 첨가하는 것에 의해, 분산성 향상으로 전극밀도가 높을 뿐만 아니라, 생체적합성이 향상되어 생체 삽입형 에너지저장장치의 전극 소재로 사용하기에 적합한 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법과, 그 에너지저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility, and to an energy storage device thereof, and more particularly, to a porous carbon material having high mechanical strength as a monomer or polymer having a carbonyl group and a hydroxyl group at the same time. Electrode manufacturing method for an energy storage device having a biocompatibility improvement effect suitable for use as an electrode material of a bio-insertable energy storage device by adding an additive made from And it relates to the energy storage device.
차세대 에너지저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충전 및 방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다. Among next-generation energy storage devices, supercapacitors are spotlighted as next-generation energy storage devices due to their fast charging and discharging rates, high stability, and eco-friendly characteristics. A typical supercapacitor is composed of a porous electrode, a current collector, a separator, and an electrolyte.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라, 슈퍼커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원, 생체 삽입 의료기기용 슈퍼커패시터 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Supercapacitors are also called Electric Double Layer Capacitors (EDLC) or Ultra-capacitors, which are a pair of charge layers ( It is a device that does not require maintenance because deterioration due to repeated charging/discharging operations is very small. Accordingly, supercapacitors are mainly used in the form of backing up ICs (integrated circuits) of various electrical and electronic devices, and their use has recently expanded to include toys, solar energy storage, HEV (hybrid electric vehicle) power sources, bio-inserted medical devices. It has been widely applied to supercapacitors for equipment, etc.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2 ~ 6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.Such a supercapacitor generally includes two electrodes of an anode and a cathode impregnated with an electrolyte, and a separator of a porous material that is interposed between these two electrodes to allow only ion conduction and to prevent insulation and short circuit, and the electrolyte; It has a unit cell composed of a gasket for preventing leakage and insulation and short circuit, and a metal cap as a conductor for packaging them. And it is completed by stacking one or more unit cells (usually, 2 to 6 in case of coin type) configured as above in series and combining the two terminals of the positive and negative electrodes.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 최근에는 고전압에서도 안정적으로 작동할 수 있는 슈퍼커패시터를 제조하기 위하여, 고전압에 적합한 전극활물질, 전해액, 밀봉재 등의 커패시터 부품들에 대한 핵심 소재 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. The performance of a supercapacitor is determined by the electrode active material and electrolyte, and in particular, the main performance such as capacitance is mostly determined by the electrode active material. Recently, in order to manufacture a supercapacitor that can operate stably even at a high voltage, development of core material technology for capacitor components such as an electrode active material suitable for a high voltage, an electrolyte, and a sealing material is being actively conducted.
본 발명의 발명자들은 전기화학적 반응을 수반하며, 우수한 생체적합성을 갖는 에너지저장장치용 전극을 개발하여 인체 삽입 의료기기용 에너지저장장치에 적용하는 것을 시도하였다.The inventors of the present invention tried to develop an electrode for an energy storage device that is accompanied by an electrochemical reaction and has excellent biocompatibility and applied to an energy storage device for a medical device inserted into the human body.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1734822호(2017.05.12. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 생체 내 에너지 저장 시스템 및 이를 이용한 생체 내 에너지 저장 방법이 기재되어 있다.As a related prior document, there is Republic of Korea Patent Registration No. 10-1734822 (published on May 12, 2017), which describes an in vivo energy storage system and an in vivo energy storage method using the same.
본 발명의 목적은 기계적 강도가 높은 다공성 탄소재에 카보닐기와 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체로 이루어진 첨가제를 첨가하는 것에 의해, 분산성 향상으로 전극밀도가 높을 뿐만 아니라, 생체적합성이 향상되어 생체 삽입형 에너지저장장치의 전극 소재로 사용하기에 적합한 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법과, 그 에너지저장장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to add an additive made of a monomer or a polymer having both a carbonyl group and a hydroxyl group to a porous carbon material having high mechanical strength, so that not only the electrode density is high by improving dispersibility, but also the biocompatibility is improved. To provide an electrode manufacturing method for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility suitable for use as an electrode material for an implantable energy storage device, and an energy storage device.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법은 (a) 다공성 탄소재를 분산매에 혼합하여 1차 교반하면서 1차 초음파 처리하는 단계; (b) 상기 1차 초음파 처리된 분산액에 첨가제를 혼합하여 2차 교반하면서 2차 초음파 처리하는 단계; 및 (c) 상기 2차 초음파 처리된 분산액을 필터링한 후, 건조하여 에너지저장장치용 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, there is provided a method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility, comprising the steps of: (a) mixing a porous carbon material with a dispersion medium and performing primary ultrasonic treatment with primary stirring; (b) mixing the additive with the first sonicated dispersion and performing a second ultrasonic treatment with secondary stirring; and (c) filtering the second ultrasonically treated dispersion and then drying it to prepare an electrode for an energy storage device.
상기 (a) 단계에서, 상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In step (a), the porous carbon material includes at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene.
여기서, 상기 다공성 탄소재는 튜브 형태를 가지며, 1개의 벽수를 갖는 단일벽 탄소나노튜브인 것이 보다 바람직하다.Here, the porous carbon material has a tube shape and is more preferably a single-walled carbon nanotube having one wall.
상기 (a) 단계에서, 상기 1차 교반은 100 ~ 500rpm의 속도로 1 ~ 3시간 동안 실시하고, 상기 1차 초음파 처리는 10 ~ 20KHz의 주파수 및 2 ~ 6W의 출력 전압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시한다.In step (a), the first stirring is performed for 1 to 3 hours at a speed of 100 to 500 rpm, and the first ultrasonic treatment is 10 to 60 minutes at a frequency of 10 to 20 KHz and an output voltage of 2 to 6W. carried out during
아울러, 상기 (b) 단계에서, 상기 첨가제는 상기 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 100 중량부로 첨가한다.In addition, in step (b), the additive is added in an amount of 10 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon material.
상기 첨가제는 카보닐기과 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The additive includes at least one selected from a monomer or a polymer having a carbonyl group and a hydroxyl group at the same time.
상기 첨가제는 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(Polyhydroxyethylmethacrylate, pHEMA) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 보다 바람직하다.The additive more preferably includes at least one selected from among polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) and hydroxyethyl methacrylate (HEMA).
상기 (b) 단계에서, 상기 2차 교반은 200 ~ 400rpm의 속도로 30 ~ 90분 동안 실시하고, 상기 2차 초음파 처리는 25 ~ 35KHz의 주파수 및 5 ~ 10W의 출력 전압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시한다.In step (b), the second stirring is performed for 30 to 90 minutes at a speed of 200 to 400 rpm, and the second ultrasonic treatment is performed for 10 to 60 minutes at a frequency of 25 to 35 KHz and an output voltage of 5 to 10 W. carried out during
아울러, 상기 (c) 단계에서, 상기 건조는 100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 실시한다.In addition, in step (c), the drying is carried out at 100 ~ 140 ℃ for 20 ~ 30 hours.
상기 (c) 단계에서, 상기 에너지저장장치용 전극은 Na 또는 K를 함유하는 전해액에서 전기화학 반응을 수반한다.In step (c), the electrode for the energy storage device is accompanied by an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K.
상기 전해액은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 상기 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함할 수 있다.The electrolyte includes an electrolyte salt comprising at least one selected from MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K), and a solvent for dissolving the electrolyte salt can do.
상기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The solvent is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane (DME) , tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and at least one selected from water.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치는 서로 이격되게 배치된 양극과 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되어, 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및 상기 양극, 음극 및 분리막을 함침시키는 전해액;을 포함하며, 상기 양극 및 음극 각각은 다공성 탄소재 및 첨가제를 포함하고, 상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 첨가제는 카보닐기와 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.An energy storage device having an effect of improving biocompatibility according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a positive electrode and a negative electrode spaced apart from each other; a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte for impregnating the positive electrode, the negative electrode, and the separator, wherein each of the positive electrode and the negative electrode includes a porous carbon material and an additive, and the porous carbon material is at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene. Including, the additive is characterized in that it comprises at least one selected from a monomer or a polymer having a carbonyl group and a hydroxyl group at the same time.
상기 다공성 탄소재는 튜브 형태를 가지며, 1개의 벽수를 갖는 단일벽 탄소나노튜브이고, 상기 첨가제는 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(Polyhydroxyethylmethacrylate, pHEMA) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The porous carbon material has a tube shape and is a single-walled carbon nanotube having one wall, and the additive is polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) and hydroxyethyl methacrylate (2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA). ) includes at least one selected from among.
상기 양극 및 음극 각각은 상기 다공성 탄소재 100 중량부와, 상기 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 100 중량부로 첨가된 첨가제를 포함한다.Each of the positive electrode and the negative electrode includes 100 parts by weight of the porous carbon material and an additive added in an amount of 10 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon material.
본 발명에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법과, 그 에너지저장장치는 기계적 강도가 높은 다공성 탄소재에 카보닐기와 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체로 이루어진 첨가제를 첨가하는 것에 의해, 분산성 향상으로 전극밀도가 높을 뿐만 아니라, 생체적합성이 향상되어 생체 삽입형 에너지저장장치의 전극 소재로 사용하기에 적합하다.The method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility according to the present invention, and the energy storage device, include adding an additive made of a monomer or polymer having both a carbonyl group and a hydroxyl group to a porous carbon material having high mechanical strength. By this, not only the electrode density is high due to the improvement of dispersibility, but also the biocompatibility is improved, so it is suitable for use as an electrode material for a bio-insertable energy storage device.
아울러, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극은 Na 또는 K를 함유하는 전해액에서 전기화학 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.In addition, the electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility manufactured by the method according to the present invention involves an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K, and has excellent biocompatibility with low toxicity to the living body.
이 결과, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극은 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 가지므로, 에너지저장장치용 전극의 MTT assay(세포 증식 및 사멸도 변화 평가) 시험 결과 3일 이상의 세포 생존율 시험에서 90% 이상의 세포 생존율을 나타내게 된다.As a result, since the electrode for energy storage device having the effect of improving biocompatibility prepared by the method according to the present invention has excellent biocompatibility due to low toxicity to the living body, the MTT assay (cell proliferation and death degree of the electrode for energy storage device) Change evaluation) As a result of the test, it shows a cell viability of 90% or more in a cell viability test for 3 days or more.
따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극을 양극과 음극으로 사용할 시, 우수한 생체적합성을 가지므로 생체 삽입 의료기기 등에 적용하기에 적합하다.Therefore, when the electrode for an energy storage device having the effect of improving biocompatibility manufactured by the method according to the present invention is used as an anode and a cathode, it has excellent biocompatibility and is suitable for application to a bio-insertion medical device.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 1차 혼합 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 시료를 이용하여 제조된 에너지저장장치에 대한 세포 생존율 시험 결과를 나타낸 그래프.1 is a process flow chart showing a method of manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram for explaining the primary mixing process.
3 is a graph showing the cell viability test results for the energy storage device prepared using the sample according to Example 1 and Comparative Example 1.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only this embodiment allows the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법과, 그 에너지저장장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility according to a preferred embodiment of the present invention and the energy storage device will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 1차 혼합 과정을 설명하기 위한 모식도이다.1 is a process flow chart showing a method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a primary mixing process.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법은 1차 혼합 단계(S110), 2차 혼합 단계(S120), 필터링 및 건조 단계(S130)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility according to an embodiment of the present invention includes a first mixing step (S110), a second mixing step (S120), a filtering and drying step (S130). includes
1차 혼합primary mix
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 혼합 단계(S110)에서는 다공성 탄소재를 분산매에 혼합하여 1차 교반하면서 1차 초음파 처리한다.1 and 2, in the primary mixing step (S110), the porous carbon material is mixed with the dispersion medium and subjected to primary ultrasonication while primary stirring.
다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함한다. 여기서, 다공성 탄소재는 튜브 형태를 가지며, 1개의 벽수를 갖는 단일벽 탄소나노튜브인 것이 보다 바람직하다. 이러한 단일벽 탄소나노튜브는 기계적 강도가 높아 의료용 장치에 많이 사용되고 있다. 따라서, 다공성 탄소재로 단일벽 탄소나노튜브를 이용하게 되면, 우수한 기계적 강도 확보로 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.The porous carbon material includes at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene. Here, the porous carbon material has a tube shape and is more preferably a single-walled carbon nanotube having one wall. These single-walled carbon nanotubes have high mechanical strength and are widely used in medical devices. Therefore, when single-walled carbon nanotubes are used as porous carbon materials, there is an advantage in that durability can be improved by securing excellent mechanical strength.
본 단계에서, 다공성 탄소재 및 분산매 간의 혼합은 반응 용액(5)인 다공성 탄소재 및 분산매를 반응조(10) 내에 투입한 후, 교반기(20)를 이용하여 1차 교반하면서 초음파 팁(30)을 이용하여 1차 초음파 처리하는 방식으로 진행될 수 있다.In this step, the mixing between the porous carbon material and the dispersion medium is performed by introducing the porous carbon material and the dispersion medium, which are the
여기서, 1차 교반은 100 ~ 500rpm의 속도로 1 ~ 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 1차 교반 속도가 100rpm 미만이거나, 1차 교반 시간이 1시간 미만일 경우에는 다공성 탄소재가 분산매에 완벽하게 용해되지 못할 우려가 있다. 반대로, 1차 교반 속도가 500rpm을 초과하거나, 1차 교반 시간이 3시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.Here, the primary stirring is preferably performed for 1 to 3 hours at a speed of 100 to 500 rpm. If the primary stirring speed is less than 100 rpm or the primary stirring time is less than 1 hour, there is a risk that the porous carbon material may not be completely dissolved in the dispersion medium. Conversely, if the primary stirring speed exceeds 500 rpm or the primary stirring time exceeds 3 hours, it may act as a factor to increase only the manufacturing cost without any further effect, so it is not economical.
아울러, 1차 초음파 처리는 10 ~ 20KHz의 주파수 및 2 ~ 6W의 출력 전압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 1차 초음파 인가시, 주파수가 10KHz 미만이거나, 출력 전압이 2W 미만일 경우에는 초음파의 인가에 따른 캐비테이션(cavitation) 효과가 미미하여 다공성 탄소재가 분산매에 완벽하게 용해되지 않을 수 있다. 반대로, 초음파의 주파수가 20KHz 이상이거나, 또는 출력 전압이 6W를 초과할 경우에는 과도한 초음파 인가로 인하여 다공성 탄소재가 파괴되는 문제를 야기할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.In addition, the first ultrasonic treatment is preferably performed for 10 to 60 minutes at a frequency of 10 to 20KHz and an output voltage of 2 to 6W. When the first ultrasonic wave is applied, if the frequency is less than 10KHz or the output voltage is less than 2W, the cavitation effect according to the ultrasonic wave application is insignificant, so that the porous carbon material may not be completely dissolved in the dispersion medium. Conversely, if the frequency of the ultrasonic wave is 20KHz or more, or the output voltage exceeds 6W, it is not preferable because it may cause a problem that the porous carbon material is destroyed due to excessive ultrasonic wave application.
2차 혼합secondary mixing
2차 혼합 단계(S120)에서는 1차 초음파 처리된 분산액에 첨가제를 혼합하여 2차 교반하면서 2차 초음파 처리한다.In the second mixing step (S120), the additive is mixed with the dispersion liquid subjected to the first ultrasonic treatment, and the second ultrasonic treatment is performed while stirring the second.
이때, 첨가제로는 카보닐기과 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.In this case, the additive preferably includes at least one selected from a monomer or a polymer having a carbonyl group and a hydroxyl group at the same time.
보다 구체적으로, 첨가제는 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(Polyhydroxyethylmethacrylate, pHEMA) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 중 선택된 1종 이상을 이용한다.More specifically, the additive uses one or more selected from polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) and hydroxyethyl methacrylate (2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA).
여기서, 첨가제는 1차 초음파 처리된 분산액과의 혼합시, 분산성을 향상시켜 전극밀도를 높게 제조하기 위해 첨가된다.Here, the additive is added to improve dispersibility when mixing with the dispersion liquid subjected to the first ultrasonic treatment to increase the electrode density.
이를 위해, 첨가제는 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 100 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다. 첨가제의 첨가량이 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 10 중량부 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미하여 분산성 향상 효과를 제대로 발휘하지 못할 우려가 있다. 반대로, 첨가제의 첨가량이 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 100 중량부를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 다량의 첨가제만을 필요로 하게 되므로, 경제적이지 못하다.To this end, the additive is preferably added in an amount of 10 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon material. When the amount of the additive added is less than 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the porous carbon material, the amount of the additive is insignificant and there is a fear that the dispersibility improving effect may not be properly exhibited. Conversely, when the amount of the additive exceeds 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the porous carbon material, it is not economical because only a large amount of the additive is required without further increasing the effect.
본 단계에서, 1차 초음파 처리된 분산액 및 첨가제 간의 혼합은 분산액 및 첨가제를 반응조(10) 내에 투입한 후, 교반기(20)를 이용하여 2차 교반하면서 초음파 팁(30)을 이용하여 2차 초음파 처리하는 방식으로 진행될 수 있다.In this step, the mixing between the dispersion and the additive that has been first sonicated is performed after the dispersion and the additive are put into the
2차 교반은 200 ~ 400rpm의 속도로 30 ~ 90분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 2차 교반 속도가 200rpm 미만이거나, 2차 교반 시간이 30분 미만일 경우에는 1차 초음파 처리된 분산액에 첨가제가 균일하게 혼합되지 못할 우려가 있다. 반대로, 2차 교반 속도가 400rpm을 초과하거나, 2차 교반 시간이 90분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.The secondary stirring is preferably performed for 30 to 90 minutes at a speed of 200 to 400 rpm. If the secondary stirring speed is less than 200 rpm, or the secondary stirring time is less than 30 minutes, there is a fear that the additive may not be uniformly mixed in the first sonicated dispersion. Conversely, when the secondary stirring speed exceeds 400 rpm, or when the secondary stirring time exceeds 90 minutes, it may act as a factor to increase only the manufacturing cost without any further effect, so it is not economical.
아울러, 2차 초음파 처리는 1차 초음파 처리에 비하여, 주파수 및 출력 전압 조건이 보다 높은 범위에서 실시하는 것이 바람직한데, 이는 분산성을 보다 향상시키기 위함이다.In addition, the second ultrasonic treatment is preferably performed in a higher frequency and output voltage range than the first ultrasonic treatment, which is to further improve dispersibility.
이를 위해, 2차 초음파 처리는 25 ~ 35KHz의 주파수 및 5 ~ 10W의 출력 전압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 2차 초음파 인가시, 주파수가 25KHz 미만이거나, 출력 전압이 5W 미만일 경우에는 초음파의 인가에 따른 캐비테이션(cavitation) 효과가 미미하여 분산성 향상 효과가 미미하여 전극밀도를 높이는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 초음파의 주파수가 35KHz 이상이거나, 또는 출력 전압이 10W를 초과할 경우에는 과도한 초음파 인가로 인하여 다공성 탄소재가 파괴되는 문제를 야기할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.To this end, the second ultrasonic treatment is preferably performed for 10 to 60 minutes at a frequency of 25 ~ 35KHz and an output voltage of 5 ~ 10W. When the second ultrasonic wave is applied, when the frequency is less than 25KHz or the output voltage is less than 5W, the cavitation effect according to the ultrasonic wave application is insignificant and the dispersion improvement effect is insignificant, so it may be difficult to increase the electrode density. Conversely, if the frequency of the ultrasonic wave is 35KHz or higher, or the output voltage exceeds 10W, it is not preferable because it may cause a problem in which the porous carbon material is destroyed due to excessive ultrasonic wave application.
필터링 및 건조filtering and drying
필터링 및 건조 단계(S130)에서는 2차 초음파 처리된 분산액을 필터링한 후, 건조하여 에너지저장장치용 전극을 제조한다.In the filtering and drying step ( S130 ), the second ultrasonicated dispersion is filtered and dried to manufacture an electrode for an energy storage device.
본 단계에서, 건조는 100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 100℃ 미만이거나, 건조 시간이 20시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 않아 기계적 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 건조 온도가 140℃를 초과하거나, 건조 시간이 30시간을 초과할 경우에는 더 이상이 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In this step, drying is preferably carried out at 100 ~ 140 ℃ for 20 ~ 30 hours. If the drying temperature is less than 100° C. or the drying time is less than 20 hours, sufficient drying may not be achieved, and thus it may be difficult to secure mechanical strength. Conversely, when the drying temperature exceeds 140° C. or the drying time exceeds 30 hours, this is not economical because it may act as a factor that increases only the manufacturing cost without increasing the effect.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극은 Na 또는 K를 함유하는 전해액에서 전기화학 반응을 수반한다.The electrode for an energy storage device having the effect of improving biocompatibility produced by the above process (S110 to S130) is accompanied by an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K.
여기서, 전해액은 MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과, 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함한다.Here, the electrolyte includes an electrolyte salt comprising at least one selected from MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K), and a solvent dissolving the electrolyte salt. do.
용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The solvent is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane (DME), and at least one selected from tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and water.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법이 종료될 수 있다.As described above, the method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility according to an embodiment of the present invention may be completed.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극 제조 방법은 기계적 강도가 높은 다공성 탄소재에 카보닐기와 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체로 이루어진 첨가제를 첨가하는 것에 의해, 분산성 향상으로 전극밀도가 높을 뿐만 아니라, 생체적합성이 향상되어 생체 삽입형 에너지저장장치의 전극 소재로 사용하기에 적합하다.The electrode manufacturing method for an energy storage device having the effect of improving biocompatibility according to the embodiment of the present invention described above is by adding an additive made of a monomer or polymer having a carbonyl group and a hydroxyl group simultaneously to a porous carbon material having high mechanical strength. , it is suitable for use as an electrode material for a bio-insertable energy storage device because of its high electrode density and improved biocompatibility.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극은 Na 또는 K를 함유하는 전해액에서 전기화학 반응을 수반하며, 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 갖는다.In addition, the electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility produced by the method according to an embodiment of the present invention involves an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K, and exhibits excellent biocompatibility with low toxicity to the living body. have
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극은 생체에 대한 독성이 적어 우수한 생체적합성을 가지므로, 에너지저장장치용 전극의 MTT assay(세포 증식 및 사멸도 변화 평가) 시험 결과 3일 이상의 세포 생존율 시험에서 90% 이상의 세포 생존율을 나타내게 된다.As a result, since the electrode for energy storage device having the effect of improving biocompatibility manufactured by the method according to the embodiment of the present invention has excellent biocompatibility due to low toxicity to the living body, MTT assay (cell proliferation) of the electrode for energy storage device And apoptosis change evaluation) test results show a cell viability of 90% or more in a cell viability test for 3 days or more.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치용 전극을 슈퍼커패시터용 양극과 음극으로 사용할 시, 우수한 생체적합성을 가지므로 생체 삽입 의료기기 등에 적용하기에 적합하다.Therefore, when the electrode for an energy storage device having the effect of improving biocompatibility manufactured by the method according to the embodiment of the present invention is used as the anode and the cathode for a supercapacitor, it has excellent biocompatibility, so it is suitable for application to bio-insertion medical devices, etc. Do.
아울러, 본 발명의 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치는 서로 이격되게 배치된 양극과 음극과, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되어, 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막과, 상기 양극, 음극 및 분리막을 함침시키는 전해액을 포함한다.In addition, the energy storage device having the effect of improving biocompatibility of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode spaced apart from each other, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, It contains an anode, a cathode, and an electrolyte for impregnating the separator.
여기서, 상기 양극 및 음극 각각은 다공성 탄소재 및 첨가제를 포함하고, 상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 첨가제는 카보닐기와 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체 중 선택된 1종 이상을 포함한다.Here, each of the positive electrode and the negative electrode includes a porous carbon material and an additive, the porous carbon material includes at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene, and the additive includes a carbonyl group and a hydroxyl group at the same time It contains at least one selected from monomers or polymers having.
이때, 상기 다공성 탄소재는 튜브 형태를 가지며, 1개의 벽수를 갖는 단일벽 탄소나노튜브이고, 상기 첨가제는 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(Polyhydroxyethylmethacrylate, pHEMA) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.In this case, the porous carbon material has a tube shape and is a single-walled carbon nanotube having one wall, and the additives are polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) and 2-hydroxyethyl methacrylate. , HEMA) it is preferred to include at least one selected from among.
상기 양극 및 음극 각각은 상기 다공성 탄소재 100 중량부와, 상기 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 100 중량부로 첨가된 첨가제를 포함할 수 있다.Each of the positive electrode and the negative electrode may include 100 parts by weight of the porous carbon material and an additive added in an amount of 10 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon material.
여기서, 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다. 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Here, the electrolyte includes a non-aqueous electrolyte and 1 to 25 parts by weight of an ionic liquid based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte, and the non-aqueous electrolyte includes an organic solvent, lithium salts LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), sodium salt NaPF 6 (sodium hexafluorophosphate), NaDFOB (sodium difluoro(oxalate)borate), potassium salt KFSI (potassium bis(fluorosulfonyl) imide), and at least one electrolyte salt selected from the group consisting of KPF 6 (potassium hexafluorophosphate). The organic solvent is acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, 2 -Methyltetrahydrofuran, butyrolactone, and may include one or more substances selected from the group consisting of dimethylformamide.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The ionic liquid is EMITf 2 N (1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf 2 N (1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide), BMIMBF 4 (1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF 4 (1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf 2 N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF 4 (N-(2-Methoxyethyl)-N -methylpyrrolidinium tetraflioroborate) and DEMEBF 4 (N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate) may include at least one material selected from the group consisting of.
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Content not described here will be omitted because it can be technically inferred sufficiently by a person skilled in the art.
1. 시료 제조1. Sample Preparation
실시예 1Example 1
단일벽 탄소나노튜브(single-wall nanotube, SWCNT) 0.2g을 메틸피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 500ml에 혼합한 후, 300rpm의 속도로 2시간 동안 1차 교반한 후, 15KHz의 주파수 및 4W의 출력 전압 조건으로 30분 동안 1차 초음파 처리를 실시하였다.After mixing 0.2 g of single-wall nanotube (SWCNT) with 500 ml of methylpyrrolidone (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), the first stirring at 300 rpm for 2 hours, Primary sonication was performed for 30 minutes at a frequency of 15KHz and an output voltage of 4W.
다음으로, 1차 초음파 처리된 분산액에 하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 0.1g을 첨가한 후, 300rpm의 속도로 1시간 동안 2차 교반한 후, 27KHz의 주파수 및 8W의 출력 전압 조건으로 30분 동안 2차 초음파 처리를 실시하였다.Next, after adding 0.1 g of hydroxyethyl methacrylate (HEMA) to the first sonicated dispersion, followed by secondary stirring at a speed of 300 rpm for 1 hour, a frequency of 27 KHz and a frequency of 8 W Secondary sonication was performed for 30 minutes under the output voltage condition.
다음으로, 2차 초음파 처리된 분산액을 필터링한 후, 120℃에서 24시간 동안 건조하여 에너지저장장치용 전극을 제조하였다.Next, after filtering the dispersion liquid subjected to the second ultrasonic treatment, it was dried at 120° C. for 24 hours to prepare an electrode for an energy storage device.
실시예 2Example 2
첨가제로 폴리히드록시에틸메타크릴레이트 (Polyhydroxyethylmethacrylate, pHEMA) 0.12g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에너지저장장치용 전극을 제조하였다.An electrode for an energy storage device was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.12 g of polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) was added as an additive.
실시예 3Example 3
1차 초음파 처리시, 12KHz의 주파수 및 3W의 출력 전압 조건으로 40분 동안 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에너지저장장치용 전극을 제조하였다.An electrode for an energy storage device was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first ultrasonic treatment was carried out for 40 minutes at a frequency of 12KHz and an output voltage of 3W.
실시예 4Example 4
2차 초음파 처리시, 30KHz의 주파수 및 7W의 출력 전압 조건으로 50분 동안 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에너지저장장치용 전극을 제조하였다.An electrode for an energy storage device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the second ultrasonic treatment was performed for 50 minutes at a frequency of 30KHz and an output voltage of 7W.
비교예 1Comparative Example 1
단일벽 탄소나노튜브(single-wall nanotube, SWCNT) 0.2g을 메틸피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 500ml에 혼합한 후, 300rpm의 속도로 2시간 동안 교반한 후, 15KHz의 주파수 및 4W의 출력 전압 조건으로 30분 동안 초음파 처리를 실시하였다.0.2 g of single-wall nanotube (SWCNT) was mixed with 500 ml of methylpyrrolidone (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), stirred at a speed of 300 rpm for 2 hours, and then at 15 KHz. Sonication was performed for 30 minutes at a frequency and an output voltage of 4W.
다음으로, 초음파 처리된 분산액을 필터링한 후, 120℃에서 24시간 동안 건조하여 에너지저장장치용 전극을 제조하였다.Next, the ultrasonicated dispersion was filtered and dried at 120° C. for 24 hours to prepare an electrode for an energy storage device.
2. 전극밀도 측정2. Measurement of electrode density
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 시료에 대한 전극밀도 측정 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the electrode density measurement results for the samples prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
[표 1][Table 1]
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 시료들의 경우, 비교예 1에 따라 제조된 시료에 비하여, 전극밀도가 대략 2배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, in the case of the samples prepared according to Examples 1 to 4, compared to the samples prepared according to Comparative Example 1, it can be confirmed that the electrode density is increased by approximately two times or more.
3. 세포 생존율 시험3. Cell viability test
표 2은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 시료에 대한 세포 생존율 시험 결과를 나타낸 것이다.Table 2 shows the cell viability test results for samples according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
시험 방법Test Methods
시험 관내 세포 독성 시험은 인간 섬유 모세포 fibroblast) 및 원숭이 신장 섬유 모세포 유사 (COS-7) 세포에 대한 Cell Counting Kit-8 (CCK-8) 분석 (CK04-11, Dojindo, Japan)을 사용하여 수행되었다. 두 세포 유형 모두 10% 소태아혈청(fetal bovine serum)(FBS; Gibco, USA) 및 1% 페니실린-스트렙토마이신(penicillin-streptomycin)(Gibco, USA)을 37℃에서 함유하는 Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM; Gibco, Lifetechnology Inc., USA)에서 37℃, 5% CO2 환경에서 배양하였다.In vitro cytotoxicity tests were performed using the Cell Counting Kit-8 (CCK-8) assay (CK04-11, Dojindo, Japan) on human fibroblast fibroblast) and monkey kidney fibroblast-like (COS-7) cells. . Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) containing 10% fetal bovine serum (FBS; Gibco, USA) and 1% penicillin-streptomycin (Gibco, USA) at 37°C for both cell types ; Gibco, Lifetechnology Inc., USA) in 37 ℃, 5% CO 2 It was cultured in an environment.
재료의 세포 독성을 평가하기 위해 초음파 처리기를 사용하여 탈 이온수에 분산된 유형의 샘플을 준비하였다. 섬유 모세포 및 COS-7을 웰(well)당 3.0 × 104 세포로 24-웰 세포 배양 플레이트에 시딩하고 24 시간 동안 배양하였다. 이어서, 세포를 SWCNT 및 에 24 시간 동안 인큐베이션 하였다. 세포를 dPBS로 3회 세척하고, 10% CCK-8 염료가 보충된 500㎕의 DMEM을 각 웰에 첨가하고 2시간 동안 배양하였다. 상청액의 흡광도는 마이크로 플레이트 리더를 사용하여 450nm에서 측정되었다.To evaluate the cytotoxicity of the material, samples of the type dispersed in deionized water were prepared using a sonicator. Fibroblasts and COS-7 were seeded in 24-well cell culture plates at 3.0 × 10 4 cells per well and cultured for 24 hours. Cells were then incubated with SWCNTs for 24 h. Cells were washed 3 times with dPBS, and 500 μl of DMEM supplemented with 10% CCK-8 dye was added to each well and incubated for 2 hours. The absorbance of the supernatant was measured at 450 nm using a microplate reader.
[표 2][Table 2]
표 2에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질은 목표값에 해당하는 세포 생존율 70% 이상을 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, it can be confirmed that the biocompatible electrode active materials prepared according to Examples 1 to 4 satisfy all of the cell viability of 70% or more corresponding to the target value.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 생체적합성 전극활물질은 세포 생존율이 목표값에 미달하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be confirmed that the cell viability of the biocompatible electrode active material prepared according to Comparative Example 1 is less than the target value.
또한, 도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 시료를 이용하여 제조된 에너지저장장치에 대한 세포 생존율 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 세포 생존율은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지저장장치용 전극을 음극 및 양극으로 각각 사용한 에너지저장장치를 제조한 후, 5일간 상온에서 보관한 후에 측정한 것이다.In addition, FIG. 3 is a graph showing the cell viability test results for the energy storage device manufactured using the samples according to Example 1 and Comparative Example 1. Referring to FIG. Here, the cell viability is measured after preparing an energy storage device using the electrodes for an energy storage device prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 as a negative electrode and a positive electrode, respectively, and storing the energy storage device at room temperature for 5 days.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 에너지저장장치용 전극을 음극 및 양극으로 각각 사용한 에너지저장장치의 경우가, 비교예 1에 따라 제조된 에너지저장장치용 전극을 음극 및 양극으로 각각 사용한 에너지저장장치 보다 세포 생존율이 확연히 증가한 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3 , in the case of an energy storage device using the electrode for an energy storage device manufactured according to Example 1 as a negative electrode and a positive electrode, respectively, the electrode for an energy storage device manufactured according to Comparative Example 1 was used as a negative electrode and a positive electrode As a result, it can be seen that the cell viability was significantly increased compared to the energy storage device used for each.
특히, 실시예 1에 따라 제조된 에너지저장장치용 전극을 음극 및 양극으로 각각 사용한 에너지저장장치의 경우, 5일간 상온에서 보관한 후 측정된 세포 생존율이 90% 이상으로 측정된 것을 확인하였다.In particular, in the case of the energy storage device using the electrodes for the energy storage device prepared according to Example 1 as the negative electrode and the positive electrode, respectively, it was confirmed that the measured cell viability was 90% or more after storage at room temperature for 5 days.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been mainly described, but various changes or modifications can be made at the level of those skilled in the art to which the present invention pertains. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention without departing from the scope of the technical spirit provided by the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be judged by the claims described below.
S110 : 1차 혼합 단계
S120 : 2차 혼합 단계
S130 : 필터링 및 건조 단계S110: first mixing step
S120: Second mixing step
S130: filtering and drying step
Claims (15)
(b) 상기 1차 초음파 처리된 분산액에 첨가제를 혼합하여 2차 교반하면서 2차 초음파 처리하는 단계; 및
(c) 상기 2차 초음파 처리된 분산액을 필터링한 후, 건조하여 에너지저장장치용 전극을 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
(a) mixing a porous carbon material with a dispersion medium and performing primary ultrasonic treatment with primary stirring;
(b) mixing the additive with the first sonicated dispersion and performing a second ultrasonic treatment with secondary stirring; and
(c) manufacturing an electrode for an energy storage device by filtering and drying the second ultrasonically treated dispersion;
A method of manufacturing an electrode for an energy storage device to improve biocompatibility, comprising:
상기 (a) 단계에서,
상기 다공성 탄소재는
탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
According to claim 1,
In step (a),
The porous carbon material is
A method of manufacturing an electrode for an energy storage device having a biocompatibility-improving effect, comprising at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers and graphene.
상기 다공성 탄소재는
튜브 형태를 가지며, 1개의 벽수를 갖는 단일벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The porous carbon material is
A method for manufacturing an electrode for an energy storage device having a biocompatibility improvement effect, characterized in that it has a tube shape and is a single-walled carbon nanotube having one wall.
상기 (a) 단계에서,
상기 1차 교반은 100 ~ 500rpm의 속도로 1 ~ 3시간 동안 실시하고,
상기 1차 초음파 처리는 10 ~ 20KHz의 주파수 및 2 ~ 6W의 출력 전압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
According to claim 1,
In step (a),
The first stirring is performed for 1 to 3 hours at a speed of 100 to 500 rpm,
The first ultrasonic treatment is performed for 10 to 60 minutes at a frequency of 10 to 20KHz and an output voltage of 2 to 6W.
상기 (b) 단계에서,
상기 첨가제는
상기 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 100 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
According to claim 1,
In step (b),
The additive is
Based on 100 parts by weight of the porous carbon material, an electrode manufacturing method for an energy storage device, characterized in that it is added in an amount of 10 to 100 parts by weight.
상기 첨가제는
카보닐기과 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The additive is
A method for manufacturing an electrode for an energy storage device having a biocompatibility-improving effect, comprising at least one selected from a monomer or a polymer having a carbonyl group and a hydroxyl group at the same time.
상기 첨가제는
폴리히드록시에틸메타크릴레이트(Polyhydroxyethylmethacrylate, pHEMA) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
7. The method of claim 6,
The additive is
Polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) and hydroxyethyl methacrylate (2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) characterized in that it contains at least one selected from the biocompatibility improvement effect of the energy storage device electrode manufacturing Way.
상기 (b) 단계에서,
상기 2차 교반은 200 ~ 400rpm의 속도로 30 ~ 90분 동안 실시하고,
상기 2차 초음파 처리는 25 ~ 35KHz의 주파수 및 5 ~ 10W의 출력 전압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
According to claim 1,
In step (b),
The secondary stirring is performed for 30 to 90 minutes at a speed of 200 to 400 rpm,
The second ultrasonic treatment is performed for 10 to 60 minutes under the conditions of a frequency of 25 to 35 KHz and an output voltage of 5 to 10 W. An electrode manufacturing method for improving biocompatibility.
상기 (c) 단계에서,
상기 건조는
100 ~ 140℃에서 20 ~ 30시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
According to claim 1,
In step (c),
the drying
A method of manufacturing an electrode for an energy storage device to improve biocompatibility, characterized in that it is carried out at 100 to 140° C. for 20 to 30 hours.
상기 (c) 단계에서,
상기 에너지저장장치용 전극은
Na 또는 K를 함유하는 전해액에서 전기화학 반응을 수반하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
According to claim 1,
In step (c),
The electrode for the energy storage device is
A method for manufacturing an electrode for an energy storage device having an effect of improving biocompatibility, characterized in that it accompanies an electrochemical reaction in an electrolyte containing Na or K.
상기 전해액은
MClO4, MBF4, MPF6, MTFSI, MFSI 및 MSO4(여기서, M은 Na 또는 K임.) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 전해질 염과,
상기 전해질 염을 용해시키는 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The electrolyte is
MClO 4 , MBF 4 , MPF 6 , MTFSI, MFSI and MSO 4 (where M is Na or K.) and an electrolyte salt comprising at least one selected from;
An electrode manufacturing method for an energy storage device having a biocompatibility improvement effect comprising a solvent dissolving the electrolyte salt.
상기 용매는
에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디메틸카보에니트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(EMC), 디메톡시에탄(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME) 및 물 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 에너지저장장치용 전극 제조 방법.
12. The method of claim 11,
The solvent is
Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carboenite (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (EMC), dimethoxyethane (DME), tetraethylene Electrode for energy storage device comprising at least one selected from glycol dimethyl ether (tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), and water Way.
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되어, 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및
상기 양극, 음극 및 분리막을 함침시키는 전해액;을 포함하며,
상기 양극 및 음극 각각은 다공성 탄소재 및 첨가제를 포함하고,
상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 첨가제는 카보닐기와 하이드록시기를 동시에 갖는 단량체 또는 중합체 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치.
an anode and a cathode spaced apart from each other;
a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode; and
Including; electrolyte for impregnating the positive electrode, negative electrode, and the separator;
Each of the positive electrode and the negative electrode includes a porous carbon material and an additive,
The porous carbon material includes at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers and graphene,
The additive is an energy storage device having a biocompatibility improvement effect, characterized in that it comprises at least one selected from a monomer or a polymer having a carbonyl group and a hydroxyl group at the same time.
상기 다공성 탄소재는 튜브 형태를 가지며, 1개의 벽수를 갖는 단일벽 탄소나노튜브이고,
상기 첨가제는 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(Polyhydroxyethylmethacrylate, pHEMA) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치.
14. The method of claim 13,
The porous carbon material has a tube shape and is a single-walled carbon nanotube having one wall,
The additive comprises at least one selected from polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) and hydroxyethyl methacrylate (HEMA). Energy storage having a biocompatibility improvement effect Device.
상기 양극 및 음극 각각은
상기 다공성 탄소재 100 중량부와,
상기 다공성 탄소재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 100 중량부로 첨가된 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 향상 효과를 갖는 에너지저장장치.14. The method of claim 13,
Each of the anode and cathode
100 parts by weight of the porous carbon material,
Based on 100 parts by weight of the porous carbon material, an energy storage device having an effect of improving biocompatibility, comprising an additive added in an amount of 10 to 100 parts by weight.
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