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KR101139326B1 - Method for manufacturing of nano-size manganese oxide catalyst for zinc-air battery and Method for manufacturing air electrode for zinc-air battery using the same - Google Patents

Method for manufacturing of nano-size manganese oxide catalyst for zinc-air battery and Method for manufacturing air electrode for zinc-air battery using the same Download PDF

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KR101139326B1
KR101139326B1 KR1020090041734A KR20090041734A KR101139326B1 KR 101139326 B1 KR101139326 B1 KR 101139326B1 KR 1020090041734 A KR1020090041734 A KR 1020090041734A KR 20090041734 A KR20090041734 A KR 20090041734A KR 101139326 B1 KR101139326 B1 KR 101139326B1
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이승훈
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Abstract

본 발명은 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2)촉매의 제조방법 및 이를 이용한 공기극의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for air-zinc batteries and a method for producing an air electrode using the same.

본 발명은 섬유성형성 고분자 물질과 망간산화물 전구체를 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 집전판에 방사하여 복합 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 복합 나노섬유 웹을 열처리하여 망간산화물 나노입자를 생성하는 단계를 포함하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of dissolving the fibrous forming polymer material and manganese oxide precursor in a solvent to prepare a spinning solution; Spinning the spinning solution on a current collector plate to form a composite nanofiber web; And it provides a method for producing a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for air-zinc batteries comprising the step of heat-treating the composite nanofiber web to produce manganese oxide nanoparticles.

전기방사, 망간산화물, 나노입자, 공기-아연전지, 활물질 Electrospinning, manganese oxide, nanoparticles, air-zinc batteries, active materials

Description

공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 공기극의 제조방법{Method for manufacturing of nano-size manganese oxide catalyst for zinc-air battery and Method for manufacturing air electrode for zinc-air battery using the same}Method for manufacturing of nano-size manganese oxide catalyst for zinc-air battery and Method for manufacturing air electrode for zinc-air battery using the same }

본 발명은 공기-아연 전지용 촉매 층에 사용되는 망간산화물을 나노 크기로 제작하는 망간산화물 촉매의 제조방법과 이러한 나노 크기의 망간산화물 촉매를 이용한 촉매 층을 갖는 공기극의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a manganese oxide catalyst for producing a manganese oxide used in the catalyst layer for an air-zinc battery to a nano size and a method for producing an air electrode having a catalyst layer using such a nano-size manganese oxide catalyst.

공기-아연전지는 자가 방전이 적고, 사용하는 전극소재가 환경 친화적이면서 저렴하다. 또한, 양극에 공기를 사용하고 전극 설계 시 다량의 아연분말을 음극에 사용함으로써 보다 소형이면서 초고용량의 전극을 설계하는 것이 가능하다. Air-zinc batteries have low self-discharge, and the electrode materials used are environmentally friendly and inexpensive. In addition, by using air for the anode and using a large amount of zinc powder for the electrode design, it is possible to design a smaller and ultra high capacity electrode.

현재, 공기-아연전지는 보청기용을 비롯해 2차 전지화, 연료전지화로 응용이 진행되고 있는 분야중의 하나이다. Currently, air-zinc batteries are one of the fields where applications are being progressed as secondary batteries and fuel cells as well as for hearing aids.

공기-아연전지는 음극에 아연(Zn) 분말과 전해액인 알칼리 수용액에 겔화제(gelling agent)등을 혼합 반죽하여 전해액의 흐름을 막고, 아연분말이 성형성이 되도록 제조하고, 양극에 작용하는 공기극은 촉매층과 소수성 막으로 구성되어 있 으며, 촉매층은 활성탄, 도전재, 망간산화물과 바인더 등을 이용하여 니켈스크린에 압착하여 사용한다. An air-zinc battery is prepared by mixing and mixing a zinc (Zn) powder and a gelling agent in an aqueous alkali solution, which is an electrolyte, to prevent the flow of the electrolyte, making the zinc powder formable, and acting on the cathode. It consists of a silver catalyst layer and a hydrophobic membrane, and the catalyst layer is used by compressing nickel screen using activated carbon, conductive material, manganese oxide and binder.

공기-아연전지는 아연의 이론용량이 820mAh/g으로 리튬이온 2차 전지에 비해 10배 정도 크고 초소형화가 가능한 이점이 있다. 또한, 공기극의 산소는 반응후 수산화물 이온(OH-)이 되기 때문에 리튬이온 2차 전지용 유기용매와는 달리 불연성이어서 안전성이 높은 전지를 구성할 수 있다. 또한, 음극에 이용되는 아연(Zn)분말은 풍부하면서 리튬에 비해 가격이 1/100에도 미치지 않아 경제적이면서, 아연분말이 모두 ZnO로 산화될 때까지 평탄한 전압 특성을 제공하며, 환경부하가 적어 무공해 고용량 전지를 제공할 수 있다.An air-zinc battery has a theoretical capacity of 820 mAh / g, which is about 10 times larger than a lithium ion secondary battery, and has an advantage of miniaturization. In addition, since the oxygen of the cathode becomes hydroxide ions (OH ) after the reaction, unlike the organic solvent for a lithium ion secondary battery, it is incombustible and can constitute a battery having high safety. In addition, the zinc (Zn) powder used for the cathode is rich and less than 1/100 of the price of lithium, so it is economical and provides flat voltage characteristics until all the zinc powder is oxidized to ZnO, and it is pollution-free due to low environmental load. High capacity batteries can be provided.

도 1은 일반적인 공기-아연전지의 구성을 보여주는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a general air-zinc battery.

도 1을 참고하면, 공기-아연전지는 음극인 아연겔(100), 음극측과 분리하는 이온투과성을 갖는 PP(polypropylene)분리막(separator)(200), 공기 중의 산소와 반응하여 하기의 수학식(1)의 양극반응을 일으키는 탄소(carbon)와 망간산화물(MnO2)등이 함유된 촉매층(400), 전자전도를 갖는 금속메쉬층(500), 상기 분리막(200)과 촉매층(400)을 접착하는 접착층(300), 이산화탄소(CO2)의 흡수를 방지하여 전지의 수명을 연장하기 위해 구성된 PTFE (polytetraflouroethylene) 소수성막(600)으로 구성된다. Referring to FIG. 1, the air-zinc battery is a zinc gel 100 as a negative electrode, a PP (polypropylene) separator 200 having ion permeability to be separated from the negative electrode side, and reacts with oxygen in air. (1) a catalyst layer 400 containing carbon and manganese oxide (MnO 2 ), which cause the anodic reaction, a metal mesh layer 500 having electron conduction, the separator 200 and the catalyst layer 400 The adhesive layer 300 to be bonded is composed of a PTFE (polytetraflouroethylene) hydrophobic film 600 configured to prevent the absorption of carbon dioxide (CO 2 ) to extend the life of the battery.

공기-아연전지의 반응식은 다음 반응식(1)과 같으며 충전 시에는 이 반응의 역반응이 일어난다. The reaction formula of the air-zinc cell is shown in the following reaction formula (1), and when charged, the reverse reaction of this reaction occurs.

양극 : O2 + 2H2O + 4e- ---> 4OH- Cathode: O 2 + 2H 2 O + 4e - ---> 4OH -

음극 : 2Zn + 4OH- ---> 2ZnO + 2H2O + 4e- Cathode: 2Zn + 4OH - ---> 2ZnO + 2H 2 O + 4e -

전체반응 : 2Zn + O2 ---> 2ZnO Total reaction: 2Zn + O 2 ---> 2ZnO

그러나 양극내로 유입되는 산소의 양이 부족하게 되면 방전전압이 낮아지고 전지의 용량이 감소하는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 현상은 양극층에 있는 산소의 환원이 늦어서 발생하는 것으로, 양극층의 산소환원 촉매인 망간산화물(MnO2)의 입자수를 늘려 촉매의 반응좌석(reaction site)을 늘려주어야 한다. However, when the amount of oxygen introduced into the anode is insufficient, the discharge voltage is lowered and the capacity of the battery is reduced. This phenomenon occurs due to the slow reduction of oxygen in the anode layer, and the reaction site of the catalyst should be increased by increasing the number of particles of manganese oxide (MnO 2 ), which is an oxygen reduction catalyst of the anode layer.

그러기 위해서는 촉매입자 수를 증가시켜야 하나 한정된 공간에 고밀도인 망간산화물(MnO2)의 양을 증가시키는 데에는 한계가 있었다. To this end, the number of catalyst particles must be increased, but there is a limit to increasing the amount of high density manganese oxide (MnO 2 ) in a limited space.

또한, 망간산화물(MnO2)을 밀링 등의 방법을 통해 미립화를 하고 있으나 대부분 1㎛ 이상의 마이크로 오더(micro order)로 나노 스케일(nano scale)화에는 미치지 못한 실정이며, 망간산화물(MnO2)을 나노입자화하는 데는 상당한 공정비용이 들어가는 게 현실이다. In addition, although the manganese oxide (MnO 2 ) is being atomized through milling, etc., most of them do not reach the nano scale in a micro order of 1 µm or more, and manganese oxide (MnO 2 ) The reality is that nanoparticles involve significant process costs.

따라서, 본 발명의 목적은 전기방사를 통해 간단한 방법으로 공기-아연 전지 용 촉매층에 사용되는 나노크기의 망간산화물을 제조할 수 있는 망간산화물 촉매의 제조방법을 제공한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for preparing a manganese oxide catalyst capable of producing nano-sized manganese oxide used in a catalyst layer for an air-zinc battery through a simple method of electrospinning.

또한, 본 발명의 다른 목적은 나노크기의 망간산화물을 제조하여 촉매층으로 사용하여 공기극을 제조할 수 있는 공기극의 제조방법을 제공한다. In addition, another object of the present invention to provide a method for producing a cathode that can produce a cathode using a nano-sized manganese oxide as a catalyst layer.

더욱이, 본 발명의 또 다른 목적은 나노크기의 망간산화물 촉매를 제조하여 공기-아연 전지용 공기극에 촉매층으로 사용하여 높은 에너지밀도를 가질 수 있는 망간산화물 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 공기극의 제조방법을 제공한다. Furthermore, another object of the present invention is to prepare a manganese oxide catalyst of the nano-size to provide a method for producing a manganese oxide catalyst that can have a high energy density by using as a catalyst layer in the cathode for air-zinc batteries and a method for producing the cathode using the same do.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 섬유성형성 고분자 물질과 망간산화물 전구체를 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 집전판에 방사하여 복합 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 복합 나노섬유 웹을 열처리하여 망간산화물 나노입자를 생성하는 단계를 포함하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the step of preparing a spinning solution by dissolving a fibrous forming polymer material and a manganese oxide precursor in a solvent; Spinning the spinning solution on a current collector plate to form a composite nanofiber web; And it provides a method for producing a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for air-zinc batteries comprising the step of heat-treating the composite nanofiber web to produce manganese oxide nanoparticles.

상기 섬유성형성 고분자 물질은 PMMA(polymethyl methacrylate), PVAc(polyvinylacetate), PVA(polyvinylachol), PVP(polyvinylpyrrolidone), PEO(polyethyleneoxide), PU(polyurethene), PVC(polyvinylchloride), PAA(polyacrylic acid), PLA-유도체 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. The fibrous forming polymer material may be polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinylacetate (PVAc), polyvinylachol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneoxide (PEO), polyurethene (PU), polyvinylchloride (PVC), polyacrylic acid (PAA), PLA -At least one selected from derivatives.

상기 망간산화물 전구체는 망간 아세테이트(Manganese acetate), 망간 아세 트 테트라하이드레이트(Manganese acetate tetrahydrate), 망간 아세트 디하이드레이트(Manganese acetate dihydrate), 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate), 망간 클로라이드(Manganese chloride) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. The manganese oxide precursor is selected from manganese acetate, manganese acetate tetrahydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetylacetonate, manganese chloride It is characterized by any one or more.

상기 용매는 DMAc(N,N-dimethylaceticamide), DMF(Dimethylformamide), 아세톤(Acetone), 알코올(alcohol), THF(tetra hydro furan) 물 등에서 단독 내지는 복수의 혼합용액인 것을 특징으로 한다. The solvent is characterized in that a single or a plurality of mixed solutions in DMAc (N, N-dimethylaceticamide), DMF (Dimethylformamide), acetone (Acetone), alcohol (alcohol), THF (tetra hydro furan) water and the like.

상기 열처리는 1차 열처리 수행 후 상온에서 냉각시켜 분쇄한 후 2차 열처리 하는 단계를 포함한다. The heat treatment may include performing a second heat treatment after pulverizing by cooling at room temperature after performing the first heat treatment.

상기 방사는 전기방사(electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다. The radiation is characterized in that at least one selected from electrospinning, electrospray, electrobrown spinning, centrifugal electrospinning, flash-electrospinning.

상기 망간산화물 전구체의 함량은 섬유성형성 고분자 물질 100중량부를 기준으로 0.5~90 중량부를 포함한다. The content of the manganese oxide precursor includes 0.5 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the fibrous forming polymer material.

또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 생성된 망간산화물 나노입자, 활성탄, 도전재, 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 제조된 슬러리를 건조시킨 후, 금속 매쉬 상에 롤프레싱(roll pressing)하여 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 촉매층을 소수성막 상에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징 으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매를 이용한 공기극의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the step of preparing a slurry by mixing the resulting manganese oxide nanoparticles, activated carbon, conductive material, binder; After drying the prepared slurry, roll pressing on a metal mesh to form a catalyst layer; And arranging the formed catalyst layer on a hydrophobic film. The method provides a method of manufacturing an air electrode using a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 탄소섬유 전구체 고분자 물질과 망간산화물 전구체를 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 집전판에 방사하여 복합 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 상기 복합 나노섬유 웹을 열처리하여 불융화 나노섬유를 생성하는 단계; 및 상기 불융화 섬유를 탄화시켜 망간산화물/탄소나노섬유를 생성하는 단계를 포함하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법을 제공한다. According to another aspect of the invention, the step of dissolving the carbon fiber precursor polymer material and manganese oxide precursor in a solvent to prepare a spinning solution; Spinning the spinning solution on a current collector plate to form a composite nanofiber web; Heat treating the composite nanofiber web to produce infusible nanofibers; And carbonizing the insoluble fiber to produce manganese oxide / carbon nanofibers. The method provides a method of preparing nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery.

상기 탄소섬유 전구체 고분자 물질은 PAN(polyacrylonitrile), 셀룰로스(Cellulose), PBI(polybenzimidazole), 피치(pitch), PI(polyimide), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. The carbon fiber precursor polymer material is polyacrylonitrile (PAN), cellulose (Cellulose), polybenzimidazole (PBI), pitch (polyimide), polyacetylene (polyacetylene), polyaniline (polyaniline), polypyrrole (polypyrrole), polythiol At least one selected from polythiophene and poly sulfur nitride.

상기 망간산화물 전구체는 망간 아세테이트(Manganese acetate), 망간 아세트 테트라하이드레이트(Manganese acetate tetrahydrate), 망간 아세트 디하이드레이트(Manganese acetate dihydrate), 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate), 망간 클로라이드(Manganese chloride) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. The manganese oxide precursor is selected from manganese acetate, manganese acetate tetrahydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetylacetonate, manganese chloride It is characterized by one or more.

상기 용매는 DMAc(N,N-dimethylaceticamide), DMF(Dimethylformamide), 아세 톤(Acetone), 알코올(alcohol), THF(tetra hydro furan) 물 등에서 단독 내지는 복수의 혼합용액인 것을 특징으로 한다. The solvent is characterized in that a single or a plurality of mixed solutions in DMAc (N, N-dimethylaceticamide), DMF (Dimethylformamide), acetone (Acetone), alcohol (alcohol), THF (tetra hydro furan) water and the like.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 생성된 망간산화물/탄소나노섬유, 도전재, 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 제조된 슬러리를 건조시킨 후, 금속 매쉬 상에 롤프레싱하여 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 촉매층을 소수성막 상에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매를 이용한 공기극의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the step of preparing a slurry by mixing the resulting manganese oxide / carbon nanofibers, conductive material, binder; Drying the slurry thus prepared, followed by roll pressing on a metal mesh to form a catalyst layer; And arranging the formed catalyst layer on a hydrophobic film. The method provides a method of manufacturing an air electrode using a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 생성된 망간산화물 나노입자 또는 망간산화물/탄소나노섬유를 포함하는 촉매층을 형성하여 공기극을 제조하는 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매를 이용한 공기극의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, the nano-size manganese oxide (MnO 2) for air-zinc battery, characterized in that to form a cathode by forming a catalyst layer comprising the manganese oxide nanoparticles or manganese oxide / carbon nanofibers produced Provided is a method of manufacturing an air electrode using a catalyst.

따라서, 본 발명에서는 나노크기의 망간산화물을 촉매로 사용하므로 공기-아연 전지의 고용량, 고출력, 고안전성을 가질 수 있다. Therefore, in the present invention, since the nano-sized manganese oxide is used as a catalyst, the air-zinc battery may have high capacity, high power, and high safety.

또한, 본 발명에서는 전기방사를 통해 간단한 방법으로 나노크기의 망간산화물을 제조하므로 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하다. In addition, in the present invention, since the nano-sized manganese oxide is manufactured by a simple method through electrospinning, mass production at low cost is possible.

아울러 본 발명에서는 나노크기의 망간산화물이 균일하게 분포하는 탄소나노섬유층이 형성되어 우수한 전기전도 채널을 보유하여 고속의 충방전이 가능하다. In addition, in the present invention, a carbon nanofiber layer in which nano-sized manganese oxides are uniformly formed is formed to have excellent electric conduction channels, thereby enabling high-speed charging and discharging.

본 발명은 공기-아연 전지용 양극 활물질인 공기를 환원시키는 망간산화물 촉매를 나노크기로 제조하고 이를 이용하여 공기극을 제조하기 위해 전기방사를 통해 망간산화물 나노입자 또는 망간산화물/탄소나노섬유를 제조하여 망간산화물 촉매로 사용한다. The present invention is to prepare a manganese oxide catalyst for reducing the air, a cathode active material for air-zinc batteries in nano size and to prepare a manganese oxide nanoparticles or manganese oxide / carbon nanofibers through electrospinning to produce an air electrode using the manganese Used as an oxide catalyst.

먼저, 망간산화물 나노입자를 제조하기 위해서는 망간산화물 전구체 물질과 섬유성형성 고분자 물질을 혼합하여 방사용액을 제조하고, 이를 전기방사방법으로 전기방사하여 복합 나노섬유 웹을 형성한 후, 산화성 분위기에서 열처리과정을 통해 섬유성형성 고분자를 분해시켜 망간산화물 나노입자를 얻는다. First, in order to manufacture manganese oxide nanoparticles, a spinning solution is prepared by mixing a manganese oxide precursor material and a fibrous forming polymer material, and electrospinning them by an electrospinning method to form a composite nanofiber web, followed by heat treatment in an oxidizing atmosphere. Through the process, the fibrous forming polymer is decomposed to obtain manganese oxide nanoparticles.

또한, 망간산화물/탄소나노섬유를 제조하기 위해서는 망간산화물 전구체 물질과 탄소섬유 전구체 물질을 혼합하여 방사용액을 제조하고, 이를 전기방사방법으로 전기방사하여 복합 나노섬유 웹을 형성한 후, 350℃미만의 산화성 분위기에서 열처리함으로써 불융화된 나노섬유를 제조한다. 상기 불융화된 나노섬유를 불활성 분위기에서 탄화처리하면 탄소나노섬유가 형성되면서 그 표면에 나노입자의 망간산화물이 균일하게 분포하는 망간산화물/탄소나노섬유를 형성할 수 있다. In addition, in order to manufacture manganese oxide / carbon nanofibers, a spinning solution is prepared by mixing a manganese oxide precursor material and a carbon fiber precursor material, and electrospinning it by an electrospinning method to form a composite nanofiber web, and then the temperature is lower than 350 ° C. Infusible nanofibers are prepared by heat treatment in an oxidizing atmosphere. Carbonization of the infusible nanofibers in an inert atmosphere may form carbon nanofibers and form manganese oxide / carbon nanofibers in which manganese oxides of nanoparticles are uniformly distributed on the surface thereof.

상기 섬유성형성 고분자 물질은 PMMA(polymethyl methacrylate), PVAc(polyvinylacetate), PVA(polyvinylachol), PVP(polyvinylpyrrolidone), PEO(polyethyleneoxide), PU(polyurethene), PVC(polyvinylchloride), PAA(polyacrylic acid), PLA-유도체 등의 생분해성 고분자 등을 단독 내지는 복합화하여 사용할 수 있으나, 상기 물질에 한정하는 것은 아니며 열처리 후 분해되어 열분해물이 금속산화물층에 증착되지 않고, 망간산화물 나노입자를 형성할 수 있는 것이면 특별한 제한이 없다. The fibrous forming polymer material may be polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinylacetate (PVAc), polyvinylachol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneoxide (PEO), polyurethene (PU), polyvinylchloride (PVC), polyacrylic acid (PAA), PLA Biodegradable polymers, such as derivatives, may be used alone or in combination, but are not limited to the above materials, and may be decomposed after heat treatment so that pyrolysates are not deposited on the metal oxide layer, and may form manganese oxide nanoparticles. no limits.

탄소섬유 전구체 고분자 물질은 PAN(polyacrylonitrile), 셀룰로스(Cellulose), PBI(polybenzimidazole), 피치(pitch), PI(polyimide), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 등의 군에서 선택되는 것으로 단독 내지는 복합화하여 사용할 수 있으나, 상기 물질에 한정하는 것은 아니며 열처리 후 탄소섬유 내지는 카본층을 형성할 수 있는 물질이면 특별한 제한이 없다. Carbon fiber precursor polymer materials include polyacrylonitrile (PAN), cellulose (Cellulose), polybenzimidazole (PBI), pitch (polyimide), polyacetylene (polyacetylene), polyaniline (polyaniline), polypyrrole (polypyrrole), polythiophene (polythiophene), poly sulfur nitride (poly sulfur nitride) and the like can be used alone or in combination, but is not limited to the above materials, and if the material that can form a carbon fiber or carbon layer after heat treatment is special no limits.

상기 망간산화물 전구체 물질은 망간 아세테이트(Manganese acetate), 망간 아세트 테트라하이드레이트(Manganese acetate tetrahydrate), 망간 아세트 디하이드레이트(Manganese acetate dihydrate), 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate), 망간 클로라이드(Manganese chloride) 등을 단독 내지는 복합화하여 사용할수 있으나, 상기 물질에 한정하는 것은 아니며 열처리 후 망간산화물 입자를 형성할 수 있는 것이면 특별한 제한이 없다. The manganese oxide precursor material includes manganese acetate, manganese acetate tetrahydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetylacetonate, manganese chloride, and the like. It may be used alone or in combination, but is not limited to the above material, and there is no particular limitation as long as it can form manganese oxide particles after heat treatment.

상기 방사 방법은 전기방사(electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 등에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다. The radiation method is characterized in that at least one selected from electrospinning, electrospray, electrobrown spinning, centrifugal electrospinning, flash-electrospinning and the like. .

이하 각 단계별로 상세히 설명한다. Hereinafter, each step will be described in detail.

A. 금속산화물 전구체 함유 방사용액 제조단계A. Step of preparing spinning solution containing metal oxide precursor

망간산화물 전구체와 섬유성형성 고분자 물질 또는 망간산화물 전구체와 탄소섬유 전구체 고분자 물질을 혼합한 후, 상용성 있는 용매를 이용하여 방사 가능한 농도로 교반 용해하여 방사용액을 각각 준비한다. After the manganese oxide precursor and the fibrous forming polymer material or the manganese oxide precursor and the carbon fiber precursor polymer material are mixed, the spinning solution is prepared by stirring and dissolving to a spinning concentration using a compatible solvent.

상기 방사용액 제조에 있어서 망간산화물 전구체의 함량은 섬유성형성 고분자 물질 100중량부를 기준으로 0.5~90 중량부가 적당하다. 0.5중량부 미만의 경우 수율이 낮아 경제성이 없으며, 90중량부를 초과하는 경우에는 고분자의 함량이 낮아 방사가 불가능하여 망간산화물 전구체를 균일 분산시킬 수 없다. The amount of manganese oxide precursor in preparing the spinning solution is 0.5 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the fibrous forming polymer material. If the amount is less than 0.5 parts by weight, there is no economic efficiency, and if it exceeds 90 parts by weight, it is impossible to uniformly disperse the manganese oxide precursor because the content of the polymer is low and the spinning is impossible.

또한 용매의 경우 특별히 제한되지 않으나, DMAc(N,N-dimethylaceticamide), DMF(Dimethylformamide), 아세톤(Acetone), 알코올(alcohol), THF(tetra hydro furan) 물 등에서 단독 내지는 복수의 혼합용액을 사용할 수 있다. 용매는 방사용액 총 중량에 대하여 3~60중량%로 포함하여야 섬유상 구조의 형성이 용이하고, 섬유의 형상(morphology)제어에 유리하다. In addition, the solvent is not particularly limited, but a single or a plurality of mixed solutions may be used in DMAc (N, N-dimethylaceticamide), DMF (Dimethylformamide), acetone, alcohol (alcohol), and THF (tetra hydrofuran) water. have. The solvent should be included in the range of 3 to 60% by weight based on the total weight of the spinning solution to facilitate the formation of the fibrous structure and to control the morphology of the fiber.

B. 복합 나노섬유 웹 형성 단계B. Formation of Composite Nanofiber Web

상기에서 제조된 각각의 방사용액을 정량펌프를 사용하여 방사팩(spin pack)으로 이송하고, 고전압 조절장치를 사용하여 방사팩에 전압을 인가하여 전기방사를 실시한다. Each spinning solution prepared above is transferred to a spin pack using a metering pump, and a high voltage regulator is used to apply a voltage to the spinning pack to perform electrospinning.

이때 사용되는 전압은 0.5kV~100kV까지 조절하는 것이 가능하며, 집전판은 접지를 하거나 (-)극으로 대전하여 사용할 수 있다. 집전판은 전기전도성 금속판 및 박리지 등으로 구성된다. 집전판의 경우 전기방사시 섬유의 집속을 원활하게 하기 위해 포집장치(suction collector)를 부착하여 사용하는 것이 바람직하다. At this time, the voltage used can be adjusted to 0.5kV ~ 100kV, the current collector can be grounded or charged to the (-) pole. The current collector plate is composed of an electrically conductive metal plate, a release paper, and the like. In the case of the current collector plate, it is preferable to attach and use a suction collector to smoothly focus the fibers during electrospinning.

또한, 방사팩과 집전판까지의 거리는 5~50㎝로 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. 전기방사시 토출량은 정량펌프를 사용하여 홀당 0.01~5cc/holeㅇmin으로 토출하여 방사하고, 방사는 온도 및 습도를 조절할 수 있는 챔버 내에서 상대 습도 10-90%의 환경에서 실시하여 직경 1㎛미만의 복합 나노섬유 웹을 제조한다. In addition, the distance between the spin pack and the collector plate is preferably adjusted to 5 to 50 cm. In the case of electrospinning, the discharge amount is discharged by discharging at 0.01 ~ 5cc / holemin per hole using a metering pump, and spinning is conducted in the environment of 10-90% relative humidity in a chamber where temperature and humidity can be controlled. Prepare less than composite nanofiber webs.

이하에서는, 상기 망간산화물 전구체와 섬유성형성 고분자 물질로 형성된 복합 나노섬유 웹을 섬유성형성 고분자물질 복합 나노섬유 웹이라 하고, 망간산화물 전구체와 탄소섬유 전구체 고분자물질로 형성된 복합 나노섬유 웹을 탄소섬유 전구체 복합 나노섬유 웹이라 한다. Hereinafter, the composite nanofiber web formed of the manganese oxide precursor and the fibrous forming polymer material is called a fibrous forming polymer material composite nanofiber web, and the composite nanofiber web formed of the manganese oxide precursor and the carbon fiber precursor polymer material is carbon fiber. Called the precursor composite nanofiber web.

C-a. 망간산화물 나노입자 형성 단계C-a. Manganese Oxide Nanoparticle Formation Step

상기에서 제조된 섬유성형성 고분자물질 복합 나노섬유 웹을 열처리하면 섬유성형성 고분자는 열분해되면서 망간(Mn) 나노입자에 산소가 증착되어 망간산화물 나노입자가 형성된다. 이때 열처리는 산화성 분위기 내지는 공기중에서 실시하는 것이 바람직한데, 그러한 조건은 망간 나노입자에 산소가 증착되어 망간산화물을 형성시키기 위한 것이다. When the fibrous forming polymer composite nanofiber web prepared above is heat-treated, the fibrous forming polymer is pyrolyzed and oxygen is deposited on the manganese (Mn) nanoparticles to form manganese oxide nanoparticles. At this time, the heat treatment is preferably carried out in an oxidizing atmosphere or air, such conditions are to form manganese oxide by depositing oxygen on the manganese nanoparticles.

상기 열처리는 다단 열처리로 수행될 수 있으며, 1차 열처리 후 분쇄, 분급 등의 과정을 거쳐 2차 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 1차 열처리의 경우, 300~500℃ 전후에서 실시하여 나노입자간에 엉겨 붙는 것을 방지하고 볼 밀, 어트리션 밀, 젯트 밀 등의 방법을 사용해 분쇄 및 분급한 후, 500~1000℃에서 2차 열처리를 실시하여 공기-아연전지용 망간산화물 나노입자를 제조한다. The heat treatment may be carried out in a multi-stage heat treatment, it is preferable to perform a second heat treatment after the first heat treatment through a process such as grinding, classification. In the case of the first heat treatment, it is carried out at around 300 ~ 500 ℃ to prevent entanglement between nanoparticles, and pulverized and classified using a method such as a ball mill, an attention mill, or a jet mill, and then secondary at 500 ~ 1000 ℃. Heat treatment is performed to prepare manganese oxide nanoparticles for air-zinc batteries.

상기에서 분쇄 및 분급을 거친 망간산화물 나노입자는 1㎛ 미만의 길이를 갖 는 것이 전극 슬러리 제조면에서 바람직하다. The manganese oxide nanoparticles which have been pulverized and classified in the above have a length of less than 1 μm in terms of electrode slurry production.

상기 열처리 과정을 거치면서 금속산화물이 성장하게 되는데, 본 발명의 제조방법에 의하면, 1차 열처리시에 금속산화물이 섬유성형성 고분자에 의해 피복되어 있으므로, 성장하지 못하고 빠르게 결정을 형성하며, 2차 열처리는 섬유성형성 고분자가 잔류되어 있거나 금속산화물의 결정이 성장하지 않는 경우 행하는 것이 바람직하며 온도설정은 금속산화물의 성장, 합체되지 않는 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다. The metal oxide is grown while the heat treatment is performed. According to the manufacturing method of the present invention, since the metal oxide is covered by the fibrous forming polymer during the first heat treatment, it cannot grow and quickly forms crystals. The heat treatment is preferably performed when the fibrous forming polymer remains or the crystals of the metal oxide do not grow, and the temperature is preferably set in a temperature range in which the metal oxide is not grown or coalesced.

C-b-1. 복합 나노섬유 불융화 나노섬유 형성 단계C-b-1. Composite Nanofiber Infusible Nanofiber Forming Step

상기에서 제조된 탄소섬유 전구체 복합 나노섬유 웹을 공기중에서 분당 1~3℃씩 승온하여 240~350℃의 온도범위에서 열처리하여 산화안정화 섬유 즉, 불융화 섬유를 얻는다. The carbon fiber precursor composite nanofiber web prepared above is heated by 1 to 3 ° C. per minute in air and heat-treated at a temperature in the range of 240 to 350 ° C. to obtain an oxidative stabilized fiber, that is, an incompatible fiber.

산화안정화 과정은 열가소성 고분자에 산소를 도입시켜 열경화성 물질로 변환시키는 공정으로 최종 온도는 사용하는 전구체 물질에 따라 적절하게 조절하여 설정하는 것이 바람직하다. The oxidative stabilization process is a process of introducing oxygen into the thermoplastic polymer to convert it into a thermosetting material. The final temperature is preferably adjusted and set according to the precursor material to be used.

C-b-2. 망간산화물/탄소나노섬유 형성 단계C-b-2. Manganese Oxide / Carbon Nanofiber Forming Step

상기에서 C-b-1에서 제조된 불융화 섬유를 불활성 분위기(N2, Ar 또는 He)에서 600~1500℃의 온도범위에서 탄소화하여 망간산화물/탄소나노섬유를 형성한다. 형성된 망간산화물/탄소나노섬유는 망간산화물 나노입자가 탄소나노섬유의 표면에 존재하는 형태이다. The insoluble fiber prepared in Cb-1 is carbonized at an inert atmosphere (N 2 , Ar or He) at a temperature in the range of 600 to 1500 ° C. to form manganese oxide / carbon nanofibers. The manganese oxide / carbon nanofibers formed are those in which manganese oxide nanoparticles are present on the surface of the carbon nanofibers.

불융화를 거친 탄소섬유 전구체 고분자는 탄소이외의 이종원소를 계외로 방출시키면서 탄소원소로만 구성되어 있으며 열처리 온도가 상승할수록 흑연결정의 형성으로 전도성은 상승되나 열처리 온도를 상승시키면 공정비용이 상승할 우려가 있으며, 망간산화물의 결정이 파괴되지 않는 온도범위를 적절히 설정하여 실시하는 것이 바람직하다. The carbon fiber precursor polymer, which has undergone infusion, is composed of only carbon elements while releasing heterogeneous elements other than carbon out of the system, and as the heat treatment temperature increases, the conductivity increases due to the formation of graphite crystals, but the process cost increases when the heat treatment temperature increases. It is preferable to carry out by setting the temperature range which the crystal | crystallization of a manganese oxide does not destroy suitably.

또한 탄소화 과정중 불활성 가스와 수증기를 동시에 공급하여 탄소섬유 표면에 미세한 세공이 형성되도록 하여 비표면적을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이때 활성화 온도는 700~1000℃이 적당하며, 1000℃ 초과의 온도에서는 활성화된 표면이 탄소결정의 성장으로 인해 세공이 막히면서 수율이 감소하여 경제적인 활성화를 기대하기 어렵다. 또한, 700℃미만의 온도에서는 수증기가 탄소섬유 표면에 세공을 형성시키기 어렵게 되어 비표면적을 향상시키기 어렵다. 따라서 활성화는 최종 제품의 물성에 따라 적절하게 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. In addition, by supplying an inert gas and water vapor at the same time during the carbonization process to form fine pores on the surface of the carbon fiber it can significantly improve the specific surface area. At this time, the activation temperature is suitable 700 ~ 1000 ℃, at the temperature of more than 1000 ℃ pore blockage due to the growth of the activated carbon crystals, the yield is reduced, it is difficult to expect economic activation. In addition, at a temperature of less than 700 ° C., water vapor hardly forms pores on the surface of the carbon fiber, which makes it difficult to improve the specific surface area. Therefore, it is preferable to use the activation adjusted appropriately according to the physical properties of the final product.

이하에서는 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며, 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 변경될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the following examples, and the following examples are appropriately changed by those skilled in the art within the scope of the present invention. Can be.

(실시예 1)(Example 1)

DMAc(N,N-dimethylaceticamide)와 THF(tetrahydrofuran)를 70:30(중량%)의 중량비로 혼합한 용매에 폴리비닐아세테이트(PVAc)를 18중량부가 되도록 용해하고, 폴리비닐아세테이트(PVAc)에 대해 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate)가 20중량부가 되도록 혼합하여 방사용액을 제조하였다. 18 parts by weight of polyvinylacetate (PVAc) was dissolved in a solvent in which DMAc (N, N-dimethylaceticamide) and THF (tetrahydrofuran) were mixed at a weight ratio of 70:30 (% by weight), and then polyvinylacetate (PVAc) Manganese acetylacetonate (Manganese acetylacetonate) was mixed to 20 parts by weight to prepare a spinning solution.

이렇게 제조된 방사용액을 전기방사 장치를 사용하여 인가전압 30kV, 방사구와 집전체와의 거리 15㎝, 토출량 분당 0.05cc/g(cc/h)으로 상온상압에서 전기 방사를 실시하였다. 도 2는 이때 방사된 복합 나노섬유 웹의 주사전자 현미경 사진을 나타낸다.The spinning solution thus prepared was subjected to electrospinning at room temperature and normal pressure at an applied voltage of 30 kV, a distance of 15 cm between the spinneret and the current collector, and a discharge amount of 0.05 cc / g (cc / h). 2 shows a scanning electron micrograph of the composite nanofiber web spun at this time.

상기 방사된 웹을 공기 중에서 분당 5℃씩 승온하여 400℃에서 2시간 열처리 한 후 상온으로 냉각시켰다. 냉각된 시료를 볼 밀을 통해 4시간 분쇄한 후 50~200㎚으로 분급한 후 다시 공기중에서 700℃까지 승온하여 1시간 열처리하였다. 이렇게 하여 망간산화물 나노입자를 제조하였다. The spun web was heated at 5 ° C. per minute in air, heat-treated at 400 ° C. for 2 hours, and then cooled to room temperature. The cooled sample was pulverized through a ball mill for 4 hours, classified into 50-200 nm, and then heated up to 700 ° C. in air, followed by heat treatment for 1 hour. Thus, manganese oxide nanoparticles were prepared.

도 3은 제조된 망간산화물 나노입자의 주사전자 현미경 사진을 나타냈다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제조된 망간산화물의 나노입자 직경은 약 50~300㎚의 분포를 나타냈으며, 평균 200㎚의 것이 제조되었다.Figure 3 shows a scanning electron micrograph of the prepared manganese oxide nanoparticles. As shown in Figure 3, the nanoparticle diameter of the prepared manganese oxide showed a distribution of about 50 ~ 300nm, an average of 200nm was prepared.

(실시예 2)(Example 2)

상기 실시예 1의 방법과 동일한 비율로 PAN(polyacrylonitrle)과 망간 아세틸아세토네이트를 혼합하여 DMF(N,N-dimethylformamide) 용매에 용해하여 방사용액을 제조하였다. In the same ratio as in Example 1, PAN (polyacrylonitrle) and manganese acetylacetonate were mixed, dissolved in DMF (N, N-dimethylformamide) solvent to prepare a spinning solution.

이렇게 제조된 방사용액을 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 방사하여 복합 나노섬유 웹을 제조하였다. The spinning solution thus prepared was spun in the same manner as in Example 1 to prepare a composite nanofiber web.

이렇게 제조된 복합 나노섬유 웹을 열풍순환로를 사용하여 분당 1℃씩 승온하여 240℃에서 1시간 열처리하여 진한갈색(dark-brown)의 불융화 섬유를 얻었다. The composite nanofiber web thus prepared was heated to 1 ° C. per minute using a hot air circulation furnace and heat-treated at 240 ° C. for 1 hour to obtain dark-brown infusible fibers.

이렇게 제조된 불융화 섬유를 질소가스 분위기의 튜브형 탄화로를 사용하여 분당 5℃씩 승온하여 700℃에서 1시간 탄화시켜 망간산화물/탄소나노섬유를 제조하였다. Thus prepared infusible fibers were heated by 5 ℃ per minute using a tube-type carbonization furnace in a nitrogen gas atmosphere and carbonized at 700 ℃ for 1 hour to prepare a manganese oxide / carbon nanofibers.

도 4는 제조된 망간산화물/탄소나노섬유의 주사전자 현미경 사진을 나타냈으며, 탄소나노섬유의 직경은 대략 100~500㎚의 분포를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 도 4에 나타낸 망간산화물/탄소나노섬유는 열처리에 의해 PAN섬유가 탄화되어 탄소나노섬유가 되며, 망간산화물 전구체는 도 2에 도시된 망간산화물 나노입자가 생성되는 것으로부터 탄소나노섬유의 표면에 망간산화물 나노입자가 균일하게 분포하고 있음을 예상할 수 있다. Figure 4 shows a scanning electron micrograph of the prepared manganese oxide / carbon nanofibers, the diameter of the carbon nanofibers was confirmed to have a distribution of approximately 100 ~ 500nm. The manganese oxide / carbon nanofiber shown in FIG. 4 is carbonized with PAN fibers by heat treatment, and the manganese oxide precursor is formed from manganese oxide nanoparticles shown in FIG. 2 on the surface of carbon nanofibers. It can be expected that the oxide nanoparticles are uniformly distributed.

(실시예 3)(Example 3)

상기 실시예 1의 방법에 의해 제조된 망간산화물 나노입자를 비표면적이 800㎡/g인 활성탄을 사용하여 공기-아연전지의 공기극을 제조하였다. The manganese oxide nanoparticles prepared by the method of Example 1 were prepared using an activated carbon having a specific surface area of 800 m 2 / g to prepare a cathode of an air-zinc battery.

공기극은 나노입자의 망간산화물 10중량부, 활성탄 55중량부, 전도성 카본블랙 5중량부, 바인더로는 PTFE 현탁 용액 30중량부를 증류수에 혼합하여 교반하였다. The cathode was mixed with 10 parts by weight of manganese oxide of nanoparticles, 55 parts by weight of activated carbon, 5 parts by weight of conductive carbon black, and 30 parts by weight of a PTFE suspension solution as a binder in distilled water and stirred.

혼합된 슬러리를 100℃오븐에서 건조시킨 후 400cc의 IPA(isopropyl alcohol)에 첨가 반죽하였다. 이후 롤프레스(Roll press)로 니딩(kneading)하여 800㎛의 두께를 만든 후 니켈 메쉬(Ni-mesh)에 압착하여 400㎛의 전극을 제조하고 이것을 열압착기를 통해 150℃까지 열처리하여 수분을 제거하고 산소의 유입경로인 기공이 형성될 수 있도록 하였다. The mixed slurry was dried at 100 ° C. oven and then kneaded with 400 cc of IPA (isopropyl alcohol). After kneading with a roll press to make a thickness of 800㎛ and then pressed to a nickel mesh (Ni-mesh) to produce an electrode of 400㎛ and heat-treated to 150 ℃ through a thermocompressor to remove moisture And pores, which are inflow paths of oxygen, were formed.

음극은 8.5M KOH수용액에 전해액의 증발을 막아주는 겔화제(gelling agent)로 PAA를 0.5중량부 혼합한 후 3시간 교반하고 여기에 아연분말이 74중량부가 되도록 반죽하여 아연 겔을 제조하였다. The negative electrode was mixed with 0.5 parts by weight of PAA with a gelling agent (gelling agent) to prevent evaporation of the electrolyte in an aqueous solution of 8.5M KOH, stirred for 3 hours and kneaded so that the zinc powder is 74 parts by weight to prepare a zinc gel.

전지는 1.4×1.4×0.2의 직육면체 실리콘 러버에 1.3g의 아연 겔을 채우고 친수화 처리된 PP분리막(celgard 3501)을 놓고, 제조된 양극인 PTFE부직포, 탄소층 등을 올려놓은 후 산소흡입 구멍이 있는 탑캡(top cap)을 씌워 전지를 조립하여 평가하였다. The battery is filled with 1.3 g of zinc gel in a 1.4 × 1.4 × 0.2 rectangular silicon rubber, placed on a hydrophilized PP separator (celgard 3501), a PTFE non-woven fabric, a carbon layer, and the like, and then an oxygen intake hole is formed. The battery was assembled and evaluated by covering the top cap.

(실시예 4)(Example 4)

상기 실시예 2의 방법에 의해 제조된 망간산화물/탄소나노섬유를 이용하며, 슬러리 제조 시에 활성탄을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 실시예3과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다. A battery was manufactured in the same manner as in Example 3, except that manganese oxide / carbon nanofibers prepared by the method of Example 2 were used, and activated carbon was not added during slurry preparation.

상기 실시예 3 및 실시예 4에 의해 제조된 전지의 성능평가는 50~500㎃/㎠의 전류밀도로 정전류 방전 및 펄스방전하여 전지의 용량 및 에너지 평균방전전압을 비교하였다. Performance evaluation of the batteries prepared by Examples 3 and 4 was a constant current discharge and pulse discharge at a current density of 50 ~ 500 ㎃ / ㎠ to compare the capacity and energy average discharge voltage of the battery.

망간산화물 입자사이즈에 따른 비교실험을 하기 위하여 상기 조건과 동일한 조성에서 망간산화물의 입자사이즈가 10㎛, 1㎛를 사용하여 전극을 제조하여 평가하였다. In order to perform comparative experiments according to the manganese oxide particle size, the electrode was manufactured and evaluated using a particle size of 10 μm and 1 μm of manganese oxide under the same composition as the above conditions.

실시예 3과 4의 결과로부터, 저전류 방전의 경우 망간산화물의 입자사이즈에 따른 성능에는 큰 변화가 없었으나, 100㎃/㎠ 이상의 고전류 방전의 경우 망간산화물의 입자사이즈가 작아질수록 전지의 성능은 비약적으로 향상되는 것을 알 수 있 었다. From the results of Examples 3 and 4, there was no significant change in the performance according to the particle size of manganese oxide in the low current discharge, but in the case of high current discharge of 100 mA / cm 2 or more, the smaller the particle size of the manganese oxide was, the battery performance was improved. Was found to improve dramatically.

특히 펄스방전의 경우에서도 망간산화물의 입자사이즈가 작아질수록 전지의 성능이 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Especially in the case of pulse discharge, the smaller the particle size of the manganese oxide, the better the battery performance was confirmed.

본 발명에 따르면, 금속전구체를 이용하여 원하는 나노 크기로 나노 입자상 또는 나노섬유상의 금속산화물을 제조 가능하여 다양한 전지에 전극조성물로도 적용이 가능하다. According to the present invention, it is possible to produce a nano-particle or nano-fiber metal oxide in a desired nano-size using a metal precursor can be applied as an electrode composition to a variety of batteries.

도 1은 일반적인 공기-아연전지의 구성을 보여주는 단면도,1 is a cross-sectional view showing the configuration of a general air-zinc battery,

도 2는 방사된 복합 나노섬유 웹의 주사전자 현미경 사진,2 is a scanning electron micrograph of the spun composite nanofiber web,

도 3은 제조된 망간산화물 나노입자의 주사전자 현미경 사진,3 is a scanning electron micrograph of the prepared manganese oxide nanoparticles,

도 4는 제조된 망간산화물/탄소나노섬유의 주사전자 현미경 사진.Figure 4 is a scanning electron micrograph of the prepared manganese oxide / carbon nanofibers.

Claims (13)

섬유성형성 고분자 물질과 망간산화물 전구체를 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계;Preparing a spinning solution by dissolving a fibrous forming polymer material and a manganese oxide precursor in a solvent; 상기 방사용액을 집전판에 방사하여 복합 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 복합 나노섬유 웹을 열처리하여 망간산화물 나노입자를 생성하는 단계를 포함하고,Spinning the spinning solution on a current collector plate to form a composite nanofiber web; And heat treating the composite nanofiber web to produce manganese oxide nanoparticles, 상기 망간산화물 전구체는 망간 아세테이트(Manganese acetate), 망간 아세테이트 테트라하이드레이트(Manganese acetate tetrahydrate), 망간 아세테이트 디하이드레이트(Manganese acetate dihydrate), 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate), 망간 클로라이드(Manganese chloride) 중에서 선택된 어느 하나 이상이며,The manganese oxide precursor is selected from manganese acetate, manganese acetate tetrahydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetylacetonate and manganese chloride. One or more, 상기 열처리는 1차 열처리 수행 후 상온에서 냉각시켜 분쇄한 후 2차 열처리 하는 단계를 포함하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법.The heat treatment is a method for producing a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery comprising the step of performing a second heat treatment after cooling and grinding at room temperature after the first heat treatment. 제1항에 있어서, 상기 섬유성형성 고분자 물질은 PMMA(polymethyl methacrylate), PVAc(polyvinylacetate), PVA(polyvinylachol), PVP(polyvinylpyrrolidone), PEO(polyethyleneoxide), PU(polyurethene), PVC(polyvinylchloride), PAA(polyacrylic acid), PLA-유도체 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법.According to claim 1, wherein the fibrous forming polymer material is polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinylacetate (PVAc), polyvinylachol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneoxide (PEO), polyurethene (PU), polyvinylchloride (PVC), PAA (polyacrylic acid), a method for producing a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery, characterized in that any one or more selected from PLA- derivatives. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 용매는 DMAc(N,N-dimethylaceticamide)와 THF(tetrahydrofuran)의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법.The method of claim 1 wherein the solvent is DMAc (N, N-dimethylaceticamide) and THF (tetrahydrofuran) air, characterized in that a mixture of a zinc cell of nanoscale manganese oxide (MnO 2) process for producing a catalyst. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 방사는 전기방사(electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the radiation is at least one selected from electrospinning, electrospray, electrobrown spinning, centrifugal electrospinning, and flash-electrospinning. Method for producing a nano-sized manganese oxide (MnO2) catalyst for an air-zinc battery, characterized in that. 제1항에 있어서, 망간산화물 전구체의 함량은 섬유성형성 고분자 물질 100중량부를 기준으로 0.5~90 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지 용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the content of the manganese oxide precursor is 0.5 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the fibrous forming polymer material. 탄소섬유 전구체 고분자 물질과 망간산화물 전구체를 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계;Preparing a spinning solution by dissolving a carbon fiber precursor polymer material and a manganese oxide precursor in a solvent; 상기 방사용액을 집전판에 방사하여 복합 나노섬유 웹을 형성하는 단계; Spinning the spinning solution on a current collector plate to form a composite nanofiber web; 상기 복합 나노섬유 웹을 열처리하여 불융화 나노섬유를 생성하는 단계; 및 상기 불융화 섬유를 탄화시켜 망간산화물/탄소나노섬유를 생성하는 단계를 포함하며,Heat treating the composite nanofiber web to produce infusible nanofibers; And carbonizing the incompatible fiber to produce manganese oxide / carbon nanofibers, 상기 망간산화물 전구체는 망간 아세테이트(Manganese acetate), 망간 아세테이트 테트라하이드레이트(Manganese acetate tetrahydrate), 망간 아세테이트 디하이드레이트(Manganese acetate dihydrate), 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate), 망간 클로라이드(Manganese chloride) 중에서 선택된 어느 하나 이상이며,The manganese oxide precursor is selected from manganese acetate, manganese acetate tetrahydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetate dihydrate, manganese acetylacetonate, manganese chloride One or more, 상기 열처리는 1차 열처리 수행 후 상온에서 냉각시켜 분쇄한 후 2차 열처리 하는 단계를 포함하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법.The heat treatment is a method for producing a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery comprising the step of performing a second heat treatment after cooling and grinding at room temperature after the first heat treatment. 제8항에 있어서, 상기 탄소섬유 전구체 고분자 물질은 PAN(polyacrylonitrile), 셀룰로스(Cellulose), PBI(polybenzimidazole), 피치(pitch), PI(polyimide), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매의 제조방법. The method of claim 8, wherein the carbon fiber precursor polymer material is polyacrylonitrile (PAN), cellulose (Cellulose), polybenzimidazole (PBI), pitch (polyimide), polyacetylene (polyacetylene), polyaniline (polyaniline), polypyrrole (Polypyrrole), polythiophene (polythiophene) and poly sulfur nitride (poly sulfur nitride) any one or more selected from the method of producing a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery. 삭제delete 제1항에 의해 생성된 망간산화물 나노입자, 활성탄, 도전재, 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;Preparing a slurry by mixing the manganese oxide nanoparticles, the activated carbon, the conductive material, and the binder produced by claim 1; 상기 제조된 슬러리를 건조시킨 후, 금속 매쉬 상에 롤프레싱하여 촉매층을 형성하는 단계; 및Drying the slurry thus prepared, followed by roll pressing on a metal mesh to form a catalyst layer; And 상기 형성된 촉매층을 소수성막 상에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매를 이용한 공기극의 제조방법.A method of manufacturing an air electrode using a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery, comprising the step of disposing the formed catalyst layer on a hydrophobic film. 제8항에 의해 생성된 망간산화물/탄소나노섬유, 도전재, 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;Preparing a slurry by mixing manganese oxide / carbon nanofibers, a conductive material, and a binder produced by claim 8; 상기 제조된 슬러리를 건조시킨 후, 금속 매쉬 상에 롤프레싱하여 촉매층을 형성하는 단계; 및Drying the slurry thus prepared, followed by roll pressing on a metal mesh to form a catalyst layer; And 상기 형성된 촉매층을 소수성막 상에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매를 이용한 공기극의 제조방법.A method of manufacturing an air electrode using a nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) catalyst for an air-zinc battery, comprising the step of disposing the formed catalyst layer on a hydrophobic film. 제1항 또는 제8항에 의해 생성된 망간산화물 나노입자 또는 망간산화물/탄소나노섬유를 포함하는 촉매층을 형성하여 공기극을 제조하는 것을 특징으로 하는 공기-아연 전지용 나노 크기의 망간산화물(MnO2) 촉매를 이용한 공기극의 제조방법.The nano-sized manganese oxide (MnO 2 ) for air-zinc batteries, characterized in that to form a cathode by forming a catalyst layer containing manganese oxide nanoparticles or manganese oxide / carbon nanofibers produced by claim 1 or claim 10 Method for producing an air electrode using a catalyst.
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