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KR102564499B1 - Carbon fiber composite nonwoven fabric, electrode current collector comprising same, and method of manufaturing same - Google Patents

Carbon fiber composite nonwoven fabric, electrode current collector comprising same, and method of manufaturing same Download PDF

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KR102564499B1
KR102564499B1 KR1020210138515A KR20210138515A KR102564499B1 KR 102564499 B1 KR102564499 B1 KR 102564499B1 KR 1020210138515 A KR1020210138515 A KR 1020210138515A KR 20210138515 A KR20210138515 A KR 20210138515A KR 102564499 B1 KR102564499 B1 KR 102564499B1
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한국생산기술연구원
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Abstract

탄소섬유 복합 부직포, 그를 포함하는 전극 집전체 및 그의 제조방법이 개시된다. 상기 탄소섬유 복합 부직포는 탄소섬유; 및 마이크로 단섬유 및 나노 장섬유를 포함하는 바인더;를 포함하고, 상기 마이크로 단섬유는 친수성 고분자를 포함하고, 상기 나노 장섬유는 셀룰로오스 나노파이버(cellulose nanofiber, CNF)를 포함하는 것으로 낮은 면저항 및 우수한 인장강도를 갖는 효과가 있으며, 친수성이 우수하여 수계 아연전지의 전극 집전체로 활용 가능하다.A carbon fiber composite nonwoven fabric, an electrode current collector including the same, and a manufacturing method thereof are disclosed. The carbon fiber composite nonwoven fabric is carbon fiber; and a binder including micro short fibers and nano long fibers, wherein the micro short fibers include a hydrophilic polymer, and the nano long fibers include cellulose nanofibers (CNF) and have low sheet resistance and excellent It has the effect of having tensile strength and has excellent hydrophilicity, so it can be used as an electrode current collector for aqueous zinc batteries.

Description

탄소섬유 복합 부직포, 그를 포함하는 전극 집전체 및 그의 제조방법{CARBON FIBER COMPOSITE NONWOVEN FABRIC, ELECTRODE CURRENT COLLECTOR COMPRISING SAME, AND METHOD OF MANUFATURING SAME}Carbon fiber composite non-woven fabric, electrode current collector including the same, and manufacturing method thereof

본 발명은 탄소섬유 복합 부직포, 그를 포함하는 전극 집전체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 마이크로 단섬유와 나노 장섬유가 가교를 이루며 복합화되어 강한 결합을 이룸으로써 향상된 기계적 물성과 전기전도성을 가지는 3차원 네트워크 구조의 탄소섬유 복합 부직포, 그를 포함하는 전극 집전체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber composite nonwoven fabric, an electrode current collector including the same, and a method for manufacturing the same, wherein micro short fibers and nano long fibers are cross-linked and combined to form a strong bond, resulting in a three-dimensional three-dimensional structure having improved mechanical properties and electrical conductivity. It relates to a carbon fiber composite nonwoven fabric having a network structure, an electrode current collector including the same, and a manufacturing method thereof.

현재 가장 널리 사용되고 있는 이차전지 기술은 리튬 이온 기반의 전지(Li-ion battery)로써, 높은 구동전압과 출력안정성으로 다양한 휴대용 전자기기 및 전기자동차 등에 적용되고 있다. 최근 웨어러블 시장의 확대와 함께 기존의 고용량화 뿐만 아니라 고안정성, 친환경 전지에 대한 요구가 더욱 커졌으며, 특히, 가볍고 유연성을 가지면서도 폭발 및 화재의 위험성이 없는 안정적인 전지를 구동하기 위한 기술이 필수적이다. 다만, 리튬 이온전지는 유기계 전해질을 사용하는데 이는 전기적 단락이 생길 경우 높은 가연성으로 인하여 화재의 위험에 노출되기 쉽다. 이에 대한 대안으로 수계 이차전지가 주목을 받고 있으며, 특히 아연(Zn) 금속은 매우 높은 이론적 용량 (820 mAh/g)과 친환경성, 그리고 낮은 가격으로 인하여 수계 전지의 음극소재로서 매우 적합한 소재로 여겨진다. Currently, the most widely used secondary battery technology is a lithium ion-based battery (Li-ion battery), which is applied to various portable electronic devices and electric vehicles due to its high driving voltage and output stability. With the recent expansion of the wearable market, demand for high-capacity, high-stability, and eco-friendly batteries has increased. However, lithium ion batteries use an organic electrolyte, which is easily exposed to the risk of fire due to high flammability when an electrical short circuit occurs. As an alternative to this, water-based secondary batteries are attracting attention, and zinc (Zn) metal, in particular, is considered a very suitable material as an anode material for water-based batteries due to its very high theoretical capacity (820 mAh/g), eco-friendliness, and low price. .

통상적으로 이차전지의 집전체로 금속 포일이 사용되나, 이는 용량이 제한적이고 무거우며 전지를 구현시 구겨지는 특성이 있어 유연 전지의 집전체로써 적합하지 못하다. 특히, 수계 아연전지의 음극으로 아연 박막이 사용되나 전지의 충방전시 반복되는 아연 이온의 도금 및 박리가 일어나게 되며 이때 아연은 수상 돌기(dendrite)를 형성하게 되고, 이는 낮은 쿨롱 효율(Coulombic efficiency) 및 낮은 수명특성 외에도 전기적 단락을 일으키는 문제가 있으며 이를 제어하는 것이 수계 아연전지의 상용화를 위한 중요한 과제이다. 이러한 수상 돌기의 형성을 제어하기 위해서 다양한 종류의 첨가제를 전해질 내에 첨가하거나, 합금 형태의 아연 금속을 활용하게 된다. 그러나 이러한 첨가제는 전지 내에서 또다른 부반응을 야기하게 되거나, 전지의 수명과 용량을 단축시키는 문제점을 가지고 있다.Generally, metal foil is used as a current collector of a secondary battery, but it is not suitable as a current collector of a flexible battery because it has a limited capacity, is heavy, and has a characteristic of being crumpled when implementing a battery. In particular, although a zinc thin film is used as the anode of an aqueous zinc battery, repeated plating and peeling of zinc ions occur during charging and discharging of the battery, and at this time, zinc forms dendrites, which leads to low Coulombic efficiency. and low lifespan, there is a problem of causing an electrical short circuit, and controlling it is an important task for the commercialization of an aqueous zinc battery. In order to control the formation of these dendrites, various types of additives are added to the electrolyte or zinc metal in the form of an alloy is used. However, these additives have a problem of causing another side reaction in the battery or shortening the life and capacity of the battery.

따라서, 아연의 수상 돌기 형성을 제어할 수 있으며, 전기화학적 안정성 및 우수한 수명 특성을 갖는 수계 아연전지용 전극 집전체에 관한 연구가 요구된다.Therefore, research on an electrode current collector for an aqueous zinc battery capable of controlling the formation of zinc dendrites and having electrochemical stability and excellent lifespan characteristics is required.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 낮은 면저항 및 우수한 인장강도를 가짐으로써 전극 집전체로 활용 가능한 탄소섬유 부직포 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a carbon fiber nonwoven fabric that can be used as an electrode current collector and a manufacturing method thereof by having low sheet resistance and excellent tensile strength.

또한, 전기화학적 안정성 및 우수한 수명 특성을 갖는 수계 아연전지용 전극 집전체 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다. In addition, an electrode current collector for an aqueous zinc battery having electrochemical stability and excellent lifespan characteristics and a manufacturing method thereof are provided.

본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소섬유; 및 마이크로 단섬유 및 나노 장섬유를 포함하는 바인더;를 포함하고, 상기 마이크로 단섬유는 친수성 고분자를 포함하고, 상기 나노 장섬유는 셀룰로오스 나노파이버(cellulose nanofiber, CNF)를 포함하는 것인, 탄소섬유 복합 부직포가 제공된다.According to one aspect of the present invention, carbon fiber; and a binder including micro short fibers and nano long fibers, wherein the micro short fibers include a hydrophilic polymer, and the nano long fibers include cellulose nanofibers (CNF). A composite nonwoven fabric is provided.

또한, 상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유와 탄소섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 탄소섬유를 서로 가교시키거나, 상기 나노 장섬유가 상기 마이크로 단섬유와 마이크로 단섬유 상에 위치하여 상기 마이크로 단섬유와 마이크로 단섬유를 서로 가교시키거나, 상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유와 마이크로 단섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 마이크로 단섬유를 서로 가교시켜 3차원 네트워크 구조의 탄소섬유 복합 부직포를 형성할 수 있다.In addition, the nano-long fiber is positioned on the carbon fiber and the carbon fiber to crosslink the carbon fiber and the carbon fiber, or the nano-long fiber is positioned on the micro short fiber and the micro short fiber to cross-link the micro short fiber. and micro short fibers can be cross-linked, or the nano-long fibers are positioned on the carbon fibers and micro short fibers to cross-link the carbon fibers and micro short fibers with each other to form a carbon fiber composite nonwoven fabric having a three-dimensional network structure. there is.

또한, 상기 나노 장섬유가 필름상의 섬유 다발 형태를 형성할 수 있다.In addition, the nano-long fibers may form a film-like fiber bundle.

또한, 상기 친수성 고분자가 폴리비닐알코올(PVA), 친수성 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리도파민, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)(PEDOT:PSS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the hydrophilic polymer is polyvinyl alcohol (PVA), hydrophilic polyurethane, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polydopamine, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT) : PSS) and combinations thereof.

또한, 상기 탄소섬유 복합 부직포가 상기 탄소섬유 100 중량부를 기준으로 상기 바인더 10 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.In addition, the carbon fiber composite nonwoven fabric may include 10 to 50 parts by weight of the binder based on 100 parts by weight of the carbon fibers.

또한, 상기 마이크로 단섬유(MF) 및 상기 나노 장섬유(NF)의 중량(wt) 비율(MF:NF)이 5:5 내지 9:1일 수 있다.In addition, the weight (wt) ratio (MF:NF) of the micro short fibers (MF) and the nano long fibers (NF) may be 5:5 to 9:1.

또한, 상기 탄소섬유 복합 부직포의 평량이 50 내지 300 gsm일 수 있다.In addition, the basis weight of the carbon fiber composite nonwoven fabric may be 50 to 300 gsm.

또한, 상기 마이크로 단섬유의 길이가 0.5 내지 3 mm이고, 상기 마이크로 단섬유의 너비가 5 내지 30 μm일 수 있다.In addition, the length of the micro short fibers may be 0.5 to 3 mm, and the width of the micro short fibers may be 5 to 30 μm.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 상기 탄소섬유 복합 부직포를 포함하는전극 집전체가 제공된다.According to another aspect of the present invention, an electrode current collector including the carbon fiber composite nonwoven fabric is provided.

또한, 상기 전극 집전체가 상기 탄소섬유 복합 부직포; 및 상기 탄소섬유 복합 부직포 상에 코팅되는 금속;을 포함할 수 있다.In addition, the electrode current collector is the carbon fiber composite non-woven fabric; and a metal coated on the carbon fiber composite nonwoven fabric.

또한, 상기 금속이 아연(Zn), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 구리(Cu), 크롬(Cr), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 인듐(In), 이리듐(Ir), 망간(Mn), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 나이오븀(Nb), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루비듐(Ru), 안티모니(Sb), 주석(Sn), 탄탈럼(Ta), 텔루륨(Te), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 텅스텐(W) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the metal is zinc (Zn), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), copper (Cu), chromium (Cr), Cadmium (Cd), Iron (Fe), Gallium (Ga), Hafnium (Hf), Indium (In), Iridium (Ir), Manganese (Mn), Molybdenum (Mo), Magnesium (Mg), Nickel (Ni) ), niobium (Nb), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), rubidium (Ru), antimony (Sb), tin (Sn), tantalum It may include at least one selected from the group consisting of rum (Ta), tellurium (Te), titanium (Ti), vanadium (V), tungsten (W), and zirconium (Zr).

본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 탄소섬유를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계; (b) 마이크로 단섬유 및 나노 장섬유를 포함하는 바인더용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 혼합용액 및 상기 바인더용액을 혼합하여 제1항에 따른 탄소섬유 복합 부직포를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) preparing a mixed solution containing carbon fibers; (b) preparing a binder solution containing micro short fibers and nano long fibers; and (c) preparing the carbon fiber composite nonwoven fabric according to claim 1 by mixing the mixed solution and the binder solution.

또한, 상기 단계 (c)의 혼합에 의해 상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유 및 상기 마이크로 단섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 가교시켜 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있다.In addition, by mixing in step (c), the nano-long fibers cross-link at least one selected from the group consisting of the carbon fibers and the micro-short fibers to form a three-dimensional network structure.

또한, 상기 나노 장섬유가 섬유 다발 형태일 수 있다.In addition, the nano-long fiber may be in the form of a fiber bundle.

또한, 상기 바인더용액에서 상기 마이크로 단섬유(MF) 및 상기 나노 장섬유(NF)의 중량(wt) 비율(MF:NF)이 5:5 내지 9:1일 수 있다.In addition, the weight (wt) ratio (MF:NF) of the micro short fibers (MF) and the nano long fibers (NF) in the binder solution may be 5:5 to 9:1.

본 발명의 탄소섬유 복합 부직포는 낮은 면저항 및 우수한 인장강도를 갖는 효과가 있으며, 친수성이 우수하여 수계 아연전지의 전극 집전체로 활용 가능하다.The carbon fiber composite nonwoven fabric of the present invention has the effect of having low sheet resistance and excellent tensile strength, and can be used as an electrode current collector for an aqueous zinc battery due to its excellent hydrophilicity.

또한, 본 발명의 탄소섬유 복합 부직포는 습식 방식을 이용하여 친환경적으로 제조 가능하며, 기존의 탄소 기반 2차원 구조체와 비교해 공정 방법이 간결하며 공정 시간이 짧은 장점이 있다.In addition, the carbon fiber composite nonwoven fabric of the present invention can be manufactured in an environmentally friendly manner using a wet method, and has advantages of a simple processing method and a short processing time compared to conventional carbon-based two-dimensional structures.

또한, 본 발명의 전극 집전체는 상기 탄소섬유 복합 부직포를 포함함으로써 전기화학적 안정성 및 수명 특성이 우수한 효과가 있다. In addition, the electrode current collector of the present invention has excellent electrochemical stability and lifespan characteristics by including the carbon fiber composite nonwoven fabric.

또한, 본 발명의 전극 집전체는 상기 탄소섬유 복합 부직포의 3차원 네트워크 구조를 통하여 아연의 수지상 돌기를 효과적으로 제어함으로써 상기 전극 집전체를 사용할 경우 높은 쿨롱효율 및 수명특성이 개선된 수계 아연전지를 제공할 수 있다.In addition, the electrode current collector of the present invention effectively controls the dendrites of zinc through the three-dimensional network structure of the carbon fiber composite nonwoven fabric, thereby providing an aqueous zinc battery with high coulombic efficiency and improved lifespan characteristics when the electrode current collector is used. can do.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 탄소섬유 복합 부직포 및 그의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명 하나의 실시예에 따른 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 탄소섬유 부직포의 실제 이미지 및 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 5에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포의 실제 이미지를 나타낸 것이다.
도 5a는 실시예 5에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포 표면의 SEM 이미지(scare bar = 500 μm)를 나타낸 것이다.
도 5b는 실시예 5에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포 표면의 SEM 이미지(scare bar = 50 μm)를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1의 탄소섬유 복합 부직포의 접촉각 분석 자료를 나타낸 것이다.
도 7a는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 저항 분석 자료를 나타낸 것이다.
도 7b는 실시예 1, 실시예 6 내지 10의 평량별 저항 분석 자료를 나타낸 것이다.
도 7c는 실시예 1, 실시예 11 내지 14의 바인더 함량별 저항 분석 자료를 나타낸 것이다.
도 8a는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 인장강도 분석 자료를 나타낸 것이다.
도 8b는 실시예 1, 실시예 6 내지 10의 평량별 인장강도 분석 자료를 나타낸 것이다.
도 8c는 실시예 1, 실시예 11 내지 14의 바인더 함량별 인장강도 분석 자료를 나타낸 것이다.
도 9a는 실시예 15에 따라 제조된 전극 집전체의 디지털 사진을 나타낸 것이다.
도 9b는 실시예 15에 따라 제조된 전극 집전체의 배율별 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 15에 따라 제조된 전극 집전체의 에너지 분산 X-선 분광법 (EDS) 매핑 및 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 소자실시예 1(아연-탄소섬유 복합 부직포) 및 소자비교예 1(아연 박막)의 율속 변화에 따른 충방전 과전압 그래프이다.
도 12는 소자실시예 1(아연-탄소섬유 복합 부직포) 및 소자비교예 1(아연 박막)의 사이클 테스트 결과이다.
Since these drawings are for reference in explaining exemplary embodiments of the present invention, the technical spirit of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a schematic diagram showing a carbon fiber composite nonwoven fabric and a manufacturing method thereof according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a carbon fiber composite nonwoven fabric according to one embodiment of the present invention.
3 shows actual images and SEM images of carbon fiber nonwoven fabrics for each CNF content of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
4 shows an actual image of the carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to Example 5.
Figure 5a shows a SEM image (scare bar = 500 μm) of the surface of the carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to Example 5.
Figure 5b shows a SEM image (scare bar = 50 μm) of the surface of the carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to Example 5.
6 shows contact angle analysis data of the carbon fiber composite nonwoven fabric of Example 1.
Figure 7a shows resistance analysis data for each CNF content of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
7B shows resistance analysis data for each basis weight of Example 1 and Examples 6 to 10.
7C shows resistance analysis data for each binder content in Example 1 and Examples 11 to 14.
Figure 8a shows the tensile strength analysis data for each CNF content of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
Figure 8b shows the tensile strength analysis data for each basis weight of Example 1 and Examples 6 to 10.
Figure 8c shows the tensile strength analysis data for each binder content of Example 1 and Examples 11 to 14.
9A shows a digital photograph of an electrode current collector manufactured according to Example 15.
FIG. 9B shows SEM pictures at different magnifications of the electrode current collector manufactured according to Example 15. FIG.
10 shows energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping and spectrum results of an electrode current collector prepared according to Example 15.
11 is a graph of charging and discharging overvoltage according to rate change of Device Example 1 (zinc-carbon fiber composite nonwoven fabric) and Device Comparative Example 1 (zinc thin film).
12 shows cycle test results of Device Example 1 (zinc-carbon fiber composite nonwoven fabric) and Device Comparative Example 1 (zinc thin film).

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 도는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification, but one or more other features or It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, or combinations thereof is not precluded.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Also, terms including ordinal numbers such as first and second to be used below may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when a component is referred to as being “formed” or “layered” on another component, it may be formed or laminated directly on the front or one side of the surface of the other component, but intermediate It should be understood that other components may be further present.

이하, 탄소섬유 복합 부직포, 그를 포함하는 전극 집전체 및 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, a carbon fiber composite nonwoven fabric, an electrode current collector including the same, and a manufacturing method thereof will be described in detail. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 탄소섬유 복합 부직포 및 그의 제조방법을 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a carbon fiber composite nonwoven fabric and a manufacturing method thereof according to one embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명은 탄소섬유; 및 마이크로 단섬유 및 나노 장섬유를 포함하는 바인더;를 포함하고, 상기 마이크로 단섬유는 친수성 고분자를 포함하고, 상기 나노 장섬유는 셀룰로오스 나노파이버(cellulose nanofiber, CNF)를 포함하는 것인, 탄소섬유 복합 부직포를 제공한다.Referring to Figure 1, the present invention is a carbon fiber; and a binder including micro short fibers and nano long fibers, wherein the micro short fibers include a hydrophilic polymer, and the nano long fibers include cellulose nanofibers (CNF). A composite nonwoven fabric is provided.

또한, 상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유와 탄소섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 탄소섬유를 서로 가교시키거나, 상기 나노 장섬유가 상기 마이크로 단섬유와 마이크로 단섬유 상에 위치하여 상기 마이크로 단섬유와 마이크로 단섬유를 서로 가교시키거나, 상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유와 마이크로 단섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 마이크로 단섬유를 서로 가교시켜 3차원 네트워크 구조의 탄소섬유 복합 부직포를 형성하는 것일 수 있다. In addition, the nano-long fiber is positioned on the carbon fiber and the carbon fiber to crosslink the carbon fiber and the carbon fiber, or the nano-long fiber is positioned on the micro short fiber and the micro short fiber to cross-link the micro short fiber. Crosslinking and micro short fibers with each other, or the nano long fibers are located on the carbon fibers and micro short fibers to cross-link the carbon fibers and micro short fibers with each other to form a carbon fiber composite nonwoven fabric with a three-dimensional network structure. can

또한, 상기 나노 장섬유가 필름상의 섬유 다발 형태를 형성할 수 있다. In addition, the nano-long fibers may form a film-like fiber bundle.

또한, 상기 친수성 고분자가 폴리비닐알코올(PVA), 친수성 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리도파민, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)(PEDOT:PSS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리비닐알코올을 포함할 수 있다.In addition, the hydrophilic polymer is polyvinyl alcohol (PVA), hydrophilic polyurethane, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polydopamine, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT) :PSS) and at least one selected from the group consisting of combinations thereof, preferably polyvinyl alcohol.

또한, 상기 탄소섬유 복합 부직포가 상기 탄소섬유 100 중량부를 기준으로 상기 바인더 10 내지 50 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 30 내지 50 중량부를 포함할 수 있다. 상기 바인더가 10 중량부 미만일 경우 바인더의 함량이 낮아 부직포가 형성되기 어려워 바람직하지 않고, 50 중량부를 초과할 경우 탄소섬유의 함량이 낮아 탄소섬유 복합 부직포의 면저항이 높아져 바람직하지 않다. In addition, the carbon fiber composite nonwoven fabric may include 10 to 50 parts by weight of the binder based on 100 parts by weight of the carbon fibers, and preferably 30 to 50 parts by weight. When the amount of the binder is less than 10 parts by weight, it is difficult to form a nonwoven fabric due to the low content of the binder, and when it exceeds 50 parts by weight, the content of carbon fibers is low, and sheet resistance of the carbon fiber composite nonwoven fabric is increased, which is not preferable.

또한, 상기 마이크로 단섬유(MF) 및 상기 나노 장섬유(NF)의 중량(wt) 비율(MF:NF)이 5:5 내지 9:1일 수 있고, 바람직하게는 5:5 내지 7:3일 수 있다. 상기 중량(wt) 비율(MF:NF) 5:5에서 상기 마이크로 단섬유(MF)의 비율이 높아질 경우 습식 제조 방법으로 탄소섬유 복합 부직포를 제조하는 과정에서 용매가 빠져나갈 기공이 막히게 되어 공정시간이 대폭 증가하게 되므로 바람직하지 않고, 중량(wt) 비율(MF:NF) 9:1에서 상기 나노 장섬유(NF)의 비율이 적어질 경우 마이크로 단섬유 및 탄소섬유와 나노섬유간의 가교가 충분히 발생하지 않아 인장강도가 현저히 떨어져 바람직하지 않다.In addition, the weight (wt) ratio (MF:NF) of the micro short fibers (MF) and the nano long fibers (NF) may be 5:5 to 9:1, preferably 5:5 to 7:3 can be When the ratio of the micro short fibers (MF) is increased at the weight (wt) ratio (MF:NF) of 5:5, the pores through which the solvent escapes are blocked during the process of manufacturing the carbon fiber composite nonwoven fabric by the wet manufacturing method, thereby reducing the process time This is undesirable because this drastically increases, and when the ratio of the nano long fibers (NF) is reduced at a weight (wt) ratio (MF:NF) of 9:1, sufficient crosslinking occurs between micro short fibers and carbon fibers and nanofibers. If not, the tensile strength is significantly lowered, which is undesirable.

또한, 상기 탄소섬유 복합 부직포의 평량이 50 내지 300 gsm일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 200 gsm일 수 있다. 상기 탄소섬유 복합 부직포의 평량이 50 gsm 미만일 경우 탄소섬유 복합 부직포를 제조할 때 건조 후 샘플을 박리하는 과정에서 손상될 가능성이 커 바람직하지 않고, 300 gsm을 초과할 경우 탄소섬유 복합 부직포를 제조하는 과정에서 용매가 빠져나가는데 시간이 오래 걸려 공정시간이 대폭 증가하게 되므로 바람직하지 않다.In addition, the basis weight of the carbon fiber composite nonwoven fabric may be 50 to 300 gsm, preferably 100 to 200 gsm. If the basis weight of the carbon fiber composite nonwoven fabric is less than 50 gsm, it is highly likely to be damaged in the process of peeling off the sample after drying when manufacturing the carbon fiber composite nonwoven fabric, and if it exceeds 300 gsm, to prepare a carbon fiber composite nonwoven fabric It takes a long time for the solvent to escape during the process, which is undesirable because the process time is greatly increased.

또한, 상기 마이크로 단섬유의 길이가 0.5 내지 3 mm이고, 상기 마이크로 단섬유의 너비가 5 내지 30 μm일 수 있다.In addition, the length of the micro short fibers may be 0.5 to 3 mm, and the width of the micro short fibers may be 5 to 30 μm.

본 발명은 상기 탄소섬유 복합 부직포를 포함하는전극 집전체를 제공한다.The present invention provides an electrode current collector including the carbon fiber composite nonwoven fabric.

또한, 상기 전극 집전체가 상기 탄소섬유 복합 부직포; 및 상기 탄소섬유 복합 부직포 상에 코팅되는 금속;을 포함할 수 있다.In addition, the electrode current collector is the carbon fiber composite non-woven fabric; and a metal coated on the carbon fiber composite nonwoven fabric.

또한, 상기 금속이 아연(Zn), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 구리(Cu), 크롬(Cr), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 인듐(In), 이리듐(Ir), 망간(Mn), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 나이오븀(Nb), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루비듐(Ru), 안티모니(Sb), 주석(Sn), 탄탈럼(Ta), 텔루륨(Te), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 텅스텐(W) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 아연을 포함할 수 있다. In addition, the metal is zinc (Zn), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), copper (Cu), chromium (Cr), Cadmium (Cd), Iron (Fe), Gallium (Ga), Hafnium (Hf), Indium (In), Iridium (Ir), Manganese (Mn), Molybdenum (Mo), Magnesium (Mg), Nickel (Ni) ), niobium (Nb), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), rubidium (Ru), antimony (Sb), tin (Sn), tantalum It may contain at least one selected from the group consisting of rum (Ta), tellurium (Te), titanium (Ti), vanadium (V), tungsten (W) and zirconium (Zr), preferably containing zinc can do.

도 2는 본 발명 하나의 실시예에 따른 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법을 나타낸 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a carbon fiber composite nonwoven fabric according to one embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 본 발명은 (a) 탄소섬유를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계; (b) 마이크로 단섬유 및 나노 장섬유를 포함하는 바인더용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 혼합용액 및 상기 바인더용액을 혼합하여 제1항에 따른 탄소섬유 복합 부직포를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법을 제공한다.Referring to Figure 2, the present invention comprises the steps of (a) preparing a mixed solution containing carbon fibers; (b) preparing a binder solution containing micro short fibers and nano long fibers; and (c) preparing the carbon fiber composite nonwoven fabric according to claim 1 by mixing the mixed solution and the binder solution.

또한, 상기 단계 (c)의 혼합에 의해 상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유 및 상기 마이크로 단섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 가교시켜 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있다.In addition, by mixing in step (c), the nano-long fibers cross-link at least one selected from the group consisting of the carbon fibers and the micro-short fibers to form a three-dimensional network structure.

또한, 상기 나노 장섬유가 섬유 다발 형태일 수 있다.In addition, the nano-long fiber may be in the form of a fiber bundle.

또한, 상기 바인더용액에서 상기 마이크로 단섬유(MF) 및 상기 나노 장섬유(NF)의 중량(wt) 비율(MF:NF)이 5:5 내지 9:1일 수 있고, 바람직하게는 5:5 내지 7:3일 수 있다. 상기 중량(wt) 비율(MF:NF) 5:5에서 상기 마이크로 단섬유(MF)의 비율이 높아질 경우 습식 제조 방법으로 탄소섬유 복합 부직포를 제조하는 과정에서 용매가 빠져나갈 기공이 막히게 되어 공정시간이 대폭 증가하게 되므로 바람직하지 않고, 중량(wt) 비율(MF:NF) 9:1에서 상기 나노 장섬유(NF)의 비율이 적어질 경우 마이크로 단섬유 및 탄소섬유와 나노섬유간의 가교가 충분히 발생하지 않아 인장강도가 현저히 떨어져 바람직하지 않다.In addition, the weight (wt) ratio (MF:NF) of the micro short fibers (MF) and the nano long fibers (NF) in the binder solution may be 5:5 to 9:1, preferably 5:5 to 7:3. When the ratio of the micro short fibers (MF) is increased at the weight (wt) ratio (MF:NF) of 5:5, the pores through which the solvent escapes are blocked during the process of manufacturing the carbon fiber composite nonwoven fabric by the wet manufacturing method, thereby reducing the process time This is undesirable because this drastically increases, and when the ratio of the nano long fibers (NF) is reduced at a weight (wt) ratio (MF:NF) of 9:1, sufficient crosslinking occurs between micro short fibers and carbon fibers and nanofibers. If not, the tensile strength is significantly lowered, which is undesirable.

[실시예] [Example]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes and the scope of the present invention is not limited thereby.

탄소섬유 복합 부직포의 제조Manufacture of carbon fiber composite nonwoven fabric

실시예 1Example 1

도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 탄소섬유 복합 부직포 및 그의 제조방법을 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명 하나의 실시예에 따른 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법을 나타낸 모식도이다. 도 1 및 2를 참고하여 실시예 1의 탄소섬유 복합 부직포를 제조하였다.1 is a schematic diagram showing a carbon fiber composite nonwoven fabric and a manufacturing method thereof according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a manufacturing method of a carbon fiber composite nonwoven fabric according to one embodiment of the present invention. A carbon fiber composite nonwoven fabric of Example 1 was prepared with reference to FIGS. 1 and 2.

먼저, 탄소섬유(㈜카텍에이치, T300)를 3 mm 미만인 단섬유로 절단하고, 상기 탄소섬유 1 g당 증류수 1 L를 기준으로 하여 혼합용액을 제조하였다.First, carbon fibers (Catech H, T300) were cut into short fibers of less than 3 mm, and a mixed solution was prepared based on 1 L of distilled water per 1 g of the carbon fibers.

마이크로 단섬유인 폴리비닐알코올(PVA)(Kuraray, KURALON K-IITM) 및 나노 장섬유인 셀룰로오스 나노파이버(cellulose nanofiber, CNF)(무림 P&P, 길이 3 내지 300 μm, 너비 50 nm 미만인 섬유가 2 wt% 만큼 물에 분산된 겔)를 500 mL의 증류수에서 교반기를 이용하여 약 10분 동안 분산시켜 백색 현탁액(바인더용액)을 제조하였다. 이때, 상기 PVA와 상기 CNF는 9:1의 비율로 제조하였다.Micro short fibers, polyvinyl alcohol (PVA) (Kuraray, KURALON K-II TM ) and nano long fibers, cellulose nanofibers (CNF) (Moorim P&P, fibers with a length of 3 to 300 μm and a width of less than 50 nm are 2 The gel dispersed in water by wt%) was dispersed in 500 mL of distilled water using a stirrer for about 10 minutes to prepare a white suspension (binder solution). At this time, the PVA and the CNF were prepared at a ratio of 9:1.

이후, 상기 혼합용액과 상기 바인더용액을 혼합하고 습식 부직포 제조장치를 이용하여 평량 200 gsm의 탄소섬유 복합 부직포를 제조하였으며, 상기 탄소섬유 복합 부직포에서 탄소섬유와 바인더(PVA+CNF)의 비율은 7:3으로 제조하였다.Thereafter, the mixed solution and the binder solution were mixed and a carbon fiber composite nonwoven fabric having a basis weight of 200 gsm was prepared using a wet nonwoven fabric manufacturing apparatus. The ratio of carbon fiber and binder (PVA + CNF) in the carbon fiber composite nonwoven fabric was 7 :3.

실시예 2 내지 5, 비교예 1Examples 2 to 5, Comparative Example 1

실시예 1과 동일한 조건으로 탄소섬유 복합 부직포를 제조하되, PVA와 CNF 비율을 달리하여 제조하였고, 제조조건을 아래 표 1에 기재하였다.A carbon fiber composite nonwoven fabric was prepared under the same conditions as in Example 1, but with a different ratio of PVA and CNF, and the manufacturing conditions are shown in Table 1 below.

구분division 탄소섬유 (%)Carbon Fiber (%) PVA (%)PVA (%) CNF (%)CNFs (%) 실시예 1Example 1 7070 2727 33 실시예 2Example 2 7070 2424 66 실시예 3Example 3 7070 2121 99 실시예 4Example 4 7070 1818 1212 실시예 5Example 5 7070 1515 1515 비교예 1Comparative Example 1 7070 3030 00

실시예 6 내지 10Examples 6 to 10

실시예 1과 동일한 조건으로 탄소섬유 복합 부직포를 제조하되, 탄소섬유 복합 부직포의 평량을 달리하여 제조하였고, 제조조건을 아래 표 2에 기재하였다.A carbon fiber composite nonwoven fabric was manufactured under the same conditions as in Example 1, but the basis weight of the carbon fiber composite nonwoven fabric was changed, and the manufacturing conditions are shown in Table 2 below.

구분division 평량 (gsm)Basis weight (gsm) 실시예 1Example 1 200200 실시예 6Example 6 5050 실시예 7Example 7 100100 실시예 8Example 8 150150 실시예 9Example 9 250250 실시예 10Example 10 300300

실시예 11 내지 14Examples 11 to 14

실시예 1과 동일한 조건으로 탄소섬유 복합 부직포를 제조하되, 탄소섬유와 바인더(PVA+CNF)의 비율을 달리하여 제조하였고, 제조조건을 아래 표 3에 기재하였다.A carbon fiber composite nonwoven fabric was prepared under the same conditions as in Example 1, but was prepared by varying the ratio of carbon fiber and binder (PVA + CNF), and the manufacturing conditions are shown in Table 3 below.

구분division 탄소섬유 (%)Carbon Fiber (%) PVA (%)PVA (%) CNF (%)CNFs (%) 실시예 1Example 1 7070 2727 33 실시예 11Example 11 9090 99 1One 실시예 12Example 12 8080 1818 22 실시예 13Example 13 6060 3636 44 실시예 14Example 14 5050 4545 55

전극 집전체 제조Manufacture of electrode current collector

실시예 15Example 15

실시예 1에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포 표면에 스퍼터링(sputtering)을 통하여 아연을 코팅함으로써 전극 집전체를 제조하였다. 상기 스퍼터링은 2 시간 동안 진행하였다.An electrode current collector was manufactured by coating zinc on the surface of the carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to Example 1 through sputtering. The sputtering was conducted for 2 hours.

전기화학적 대칭셀(Symmetric cell) 제조Manufacture of electrochemical symmetric cell

소자실시예 1Device Example 1

실시예 15에 따라 제조된 전극 집전체를 직경 8 파이 크기로 제단하였다. 이후 2032 코인 셀 내에 제단된 상기 전극 집전체를 각각 양극과 음극으로 사용하고 3 M ZnSO4가 주입된 대칭셀을 제조하였다. The electrode current collector prepared according to Example 15 was cut into a size of 8 pie in diameter. Thereafter, the electrode current collector cut into a 2032 coin cell was used as an anode and a cathode, respectively, and a symmetrical cell injected with 3 M ZnSO 4 was manufactured.

소자비교예 1Device comparison example 1

아연 박막(Zn foil)을 직경 8 파이 크기로 제단하였다. 이후 2032 코인 셀 내에 제단된 상기 아연 박막을 각각 양극과 음극으로 사용하고 3 M ZnSO4가 주입된 대칭셀을 제조하였다. Zn foil was cut into a size of 8 pie in diameter. Thereafter, the zinc thin film cut into a 2032 coin cell was used as an anode and a cathode, respectively, and a symmetrical cell injected with 3 M ZnSO 4 was manufactured.

[시험예] [Test Example]

전자현미경 분석(FE-SEM)은 SU8020(HITACHI)을 이용하여 분석하였다.Electron microscopic analysis (FE-SEM) was analyzed using SU8020 (HITACHI).

인장강도 분석은 Instron-3343(INSTRON)을 이용하여 분석하였고, 탄소섬유 복합 부직포의 인장강도는 시료의 크기를 길이 10 mm, 너비 50mm로 하여 20 mm의 측정 거리에서 분당 20 mm로 당겨서 진행되었다.The tensile strength was analyzed using Instron-3343 (INSTRON), and the tensile strength of the carbon fiber composite nonwoven fabric was measured by pulling at 20 mm per minute at a measuring distance of 20 mm with a sample size of 10 mm in length and 50 mm in width.

시험예 1: 바인더의 조성 변화에 따른 탄소섬유 복합 부직포 형태 확인Test Example 1: Confirmation of carbon fiber composite nonwoven fabric shape according to composition change of binder

도 3은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 탄소섬유 복합 부직포의 실제 이미지 및 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 상세하게는, 도 3a는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 탄소섬유 복합 부직포의 실제 이미지를 나타낸 것이고, 도 3b는 실시예 1의 단면 SEM 이미지, 도 3c는 실시예 5의 단면 SEM 이미지, 도 3d는 비교예 1의 표면 SEM 이미지, 도 3e는 실시예 1의 표면 SEM 이미지, 도 3f는 실시예 2의 표면 SEM 이미지, 도 3g는 실시예 3의 표면 SEM 이미지, 도 3h는 실시예 4의 표면 SEM 이미지, 도 3i는 실시예 5의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.3 shows actual images and SEM images of carbon fiber composite nonwoven fabrics for each CNF content of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. In detail, Figure 3a shows actual images of carbon fiber composite nonwoven fabrics for each CNF content in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, Figure 3b is a cross-sectional SEM image of Example 1, and Figure 3c is a cross-section of Example 5 SEM image, Figure 3d is a surface SEM image of Comparative Example 1, Figure 3e is a surface SEM image of Example 1, Figure 3f is a surface SEM image of Example 2, Figure 3g is a surface SEM image of Example 3, Figure 3h is a surface SEM image Surface SEM image of Example 4, Figure 3i shows the surface SEM image of Example 5.

도 3a에 따르면, CNF가 첨가되지 않은 것(CNF 0%, 비교예 1)과 첨가된 탄소섬유 부직포(실시예 1 내지 5)의 형상은 큰 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. CNF가 첨가되지 않은 탄소섬유 부직포는 탄소섬유와 PVA 단섬유사이에 결합이 이루어지지 않아 2.3 mm의 두께로 형성되며 섬유들이 떨어져 나오기도 하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 CNF가 첨가된 탄소섬유 부직포는 상대적으로 두께가 얇으며 단단한 구조체의 형상을 띄며 CNF의 함량이 증가할수록 떨어져 나오는 섬유가 적어지는 것을 확인할 수 있다.According to Figure 3a, it can be seen that there is a big difference in the shape of the carbon fiber nonwoven fabric with no CNF added (CNF 0%, Comparative Example 1) and the added carbon fiber nonwoven fabric (Examples 1 to 5). It can be seen that the carbon fiber nonwoven fabric without CNF is formed with a thickness of 2.3 mm because the bond between the carbon fiber and the PVA short fiber is not formed, and the fibers sometimes come off. On the other hand, it can be seen that the carbon fiber nonwoven fabric to which CNF is added has a relatively thin thickness and has a rigid structure, and as the content of CNF increases, the number of fibers falling off decreases.

도 3b 및 3c에 따르면, CNF의 함량이 10%인 실시예 1(도 3b)은 탄소섬유와 PVA가 무분별하게 적층되어 있으며 섬유의 사이를 연결해줄 CNF의 함량이 낮아 층이 분리되는 현상을 관찰할 수 있다. 반면에, CNF의 함량이 50%인 실시예 5(도 3c)의 경우 탄소섬유와 PVA가 적층된 마이크로 섬유의 사이를 CNF가 가교 역할을 하여 연결하고 있기 때문에 CNF의 함량이 증가할수록 부직포의 기계적 물성이 향상될 것을 기대할 수 있다.According to FIGS. 3b and 3c, in Example 1 (FIG. 3b) in which the CNF content is 10%, carbon fibers and PVA are indiscriminately laminated, and the layer separation phenomenon is observed due to the low content of CNF to connect the fibers. can do. On the other hand, in the case of Example 5 (FIG. 3c) in which the CNF content is 50%, since the CNF serves as a bridge between the carbon fibers and the PVA-laminated microfibers, the mechanical strength of the nonwoven fabric increases as the CNF content increases. Improvements in physical properties can be expected.

도 3d에 따르면, 상대적으로 얇고 원통 구조로 직선인 것은 탄소섬유이며 상대적으로 두껍고 넓은 면을 가지는 것은 PVA 단섬유이다. 탄소섬유와 PVA 단섬유는 섬유끼리 결합하지 않고 쌓여 있는 구조를 이루기 때문에 결합력이 매우 약한 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 3D, carbon fiber is relatively thin and straight with a cylindrical structure, and PVA short fiber is relatively thick and has a wide surface. It can be seen that the bonding strength is very weak because the carbon fiber and the PVA single fiber form a structure in which the fibers are stacked without bonding with each other.

도 3e에 따르면, 실시예 1은 탄소섬유와 PVA 단섬유 표면에 미세구조의 섬유들이 네트워크를 형성하며 CNF의 함량이 0 %인 비교예 1(도 3d)보다 결합력이 다소 강해지는 것을 확인할 수 있다. 탄소섬유 부직포의 바인더 중 CNF 함량이 증가할수록 섬유 다발이 면을 이루어 탄소섬유와 PVA 단섬유 사이를 이어주는 구조이다. 이러한 구조로 인해 부직포의 형태 유지에 도움을 주며 CNF의 함량이 상대적으로 적은 0 %와 10 %의 샘플은 탄소섬유 파편이 떨어져 나오기도 한다.According to FIG. 3e, in Example 1, microstructured fibers form a network on the surface of the carbon fiber and PVA single fiber, and it can be seen that the bonding force is somewhat stronger than that of Comparative Example 1 (FIG. 3d) in which the CNF content is 0%. . As the CNF content in the binder of the carbon fiber nonwoven fabric increases, the fiber bundle forms a surface and connects the carbon fiber and the PVA short fiber. Due to this structure, it helps to maintain the shape of the nonwoven fabric, and in samples with 0% and 10% relatively low CNF content, carbon fiber fragments may come off.

도 3f 및 3g에 따르면, CNF의 함량이 20 %인 실시예 2, CNF의 함량이 30 %인 실시예 3은 부직포 형태가 유지가 잘 되며 탄소섬유 파편이 떨어져 나오는 현상이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.According to FIGS. 3f and 3g, Example 2 in which the content of CNF is 20% and Example 3 in which the content of CNF is 30% are well maintained, and it can be seen that the phenomenon of carbon fiber fragments falling off is significantly reduced. .

도 3h 및 3i에 따르면, CNF의 함량이 40 %인 실시예 4, CNF의 함량이 50 %인 실시예 5는 탄소섬유 및 PVA 단섬유를 필름이 뒤덮고 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 필름은 나노 장섬유인 CNF가 수많은 다발을 이루며 마이크로 섬유(탄소섬유 및 PVA 단섬유)를 연결해주고 있기 때문에 나타나는 모습이고 CNF의 함량이 증가할수록 더 많은 필름의 형상이 나타나는 것을 확인할 수 있다.According to FIGS. 3h and 3i, in Example 4 in which the CNF content is 40% and in Example 5 in which the CNF content is 50%, it can be seen that the carbon fiber and the PVA short fiber are covered with films. The film appears because CNF, which is a nano-long fiber, forms numerous bundles and connects micro fibers (carbon fiber and PVA short fiber), and it can be seen that more film shapes appear as the content of CNF increases.

시험예 2: 탄소섬유 복합 부직포 형성 및 구조 확인Test Example 2: Confirmation of formation and structure of carbon fiber composite nonwoven fabric

도 4는 본 발명 실시예 5에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포의 실제 이미지를 나타낸 것이다.4 shows an actual image of a carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to Example 5 of the present invention.

도 4에 따르면, 본 발명의 제조방법에 따라 탄소섬유 복합 부직포가 잘 제조된 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 4, it can be confirmed that the carbon fiber composite nonwoven fabric is well manufactured according to the manufacturing method of the present invention.

도 5a는 실시예 5에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포 표면의 SEM 이미지(scare bar = 500 μm)를 나타낸 것이고, 도 5b는 실시예 5에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포 표면의 SEM 이미지(scare bar = 50 μm)를 나타낸 것이다.Figure 5a shows a SEM image (scare bar = 500 μm) of the surface of the carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to Example 5, Figure 5b is a SEM image (scare bar = 500 μm) of the surface of the carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to Example 5 = 50 μm).

도 5a에 따르면, 탄소섬유는 반듯한 직선 형태를 나타내고, PVA는 섬유의 형태를 띄는 것을 확인할 수 있다. 또한, CNF가 상기 상기 탄소섬유와 탄소섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 탄소섬유를 서로 가교시키거나, 상기 PVA 단섬유와 PVA 단섬유 상에 위치하여 상기 PVA 단섬유와 PVA 단섬유를 서로 가교시키거나, 상기 탄소섬유와 PVA 단섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 PVA 단섬유를 서로 가교시켜 3차원 네트워크 구조의 탄소섬유 복합 부직포를 형성하는 것을 확인할 수 있다. According to FIG. 5a, it can be seen that the carbon fiber has a straight line shape and the PVA has a fiber shape. In addition, CNF is located on the carbon fibers and carbon fibers to cross-link the carbon fibers and carbon fibers, or is located on the PVA short fibers and PVA short fibers to cross-link the PVA short fibers and PVA short fibers to each other. Alternatively, it can be confirmed that the carbon fiber and the PVA short fiber are cross-linked with each other to form a carbon fiber composite nonwoven fabric having a three-dimensional network structure.

도 5b에 따르면, CNF가 섬유 다발 형태를 띠고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 CNF가 탄소섬유 또는 PVA 단섬유 표면을 감싸고 있으며 섬유와 섬유를 이어주는 역할인 것을 확인할 수 있다.According to Figure 5b, it can be seen that the CNF has a fiber bundle form. In addition, it can be confirmed that the CNF surrounds the surface of the carbon fiber or the PVA short fiber and serves to connect fibers to fibers.

시험예 3: 탄소섬유 복합 부직포의 친수성 성질 분석Test Example 3: Hydrophilic property analysis of carbon fiber composite nonwoven fabric

도 6은 실시예 1의 탄소섬유 복합 부직포의 접촉각 분석 자료를 나타낸 것이다. 6 shows contact angle analysis data of the carbon fiber composite nonwoven fabric of Example 1.

상세하게는, 실시예 5의 탄소섬유 복합 부직포를 접촉각 측정 장치에 고정하여 일정량(0.03 mL)의 증류수를 투하시키면서 정해진 시간동안 디지털 카메라를 이용하여 연속적으로 동영상을 촬영하고, 상기 동영상의 일부를 도 4로 나타낸 것이다.In detail, while fixing the carbon fiber composite nonwoven fabric of Example 5 to a contact angle measuring device and dropping a certain amount (0.03 mL) of distilled water, a video was continuously taken using a digital camera for a predetermined time, and a part of the video was assisted. is indicated by 4.

도 6에 따르면, 탄소섬유 복합 부직포의 표면에 투하한 물방울은 부직포 내부에 즉각적으로 흡수되는 것을 확인할 수 있다. 이는 탄소섬유 복합 부직포의 다수의 기공을 가지고 있는 3차원 네트워크 구조와 바인더인 PVA 마이크로 단섬유와 CNF 나노 장섬유에 친수성 소재에 의한 현상이다. According to FIG. 6, it can be confirmed that water droplets dropped on the surface of the carbon fiber composite nonwoven fabric are immediately absorbed into the nonwoven fabric. This is a phenomenon caused by the hydrophilic material in the three-dimensional network structure of the carbon fiber composite nonwoven fabric with many pores and the binder, PVA micro short fibers and CNF nano long fibers.

친수성 성질은 수계 이차전지의 전극으로 활용하는데 있어서 중요한 인자이고, 본 발명의 탄소섬유 복합 부직포는 우수한 친수성 성질을 가짐으로 본 발명의 탄소섬유 복합 부직포는 수계 이차전지의 전극으로 활용이 가능하다.Hydrophilic property is an important factor for use as an electrode for an aqueous secondary battery, and since the carbon fiber composite nonwoven fabric of the present invention has excellent hydrophilic properties, the carbon fiber composite nonwoven fabric of the present invention can be used as an electrode for an aqueous secondary battery.

시험예 4: 탄소섬유 복합 부직포의 면저항 측정 및 인장강도 분석Test Example 4: Sheet resistance measurement and tensile strength analysis of carbon fiber composite nonwoven fabric

시험예 4-1: CNF 함량별 면저항 및 인장강도 분석Test Example 4-1: Analysis of Sheet Resistance and Tensile Strength by CNF Content

도 7a는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 저항 분석 자료를 나타낸 것이고, 도 8a는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 인장강도 분석 자료를 나타낸 것이다. 또한, 아래 표 4에 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 CNF 함량별 저항 및 인장강도를 정리하여 나타내었다.Figure 7a shows resistance analysis data by CNF content of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, and Figure 8a shows tensile strength analysis data by CNF content of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. In addition, in Table 4 below, the resistance and tensile strength according to the CNF content of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 are summarized and shown.

구분division 탄소섬유 (%)Carbon Fiber (%) PVA (%)PVA (%) CNF (%)CNFs (%) 저항 (Ω)Resistance (Ω) 인장강도 (gf)Tensile strength (gf) 실시예 1Example 1 7070 2727 33 4.34.3 1,9711,971 실시예 2Example 2 7070 2424 66 3.83.8 2,4572,457 실시예 3Example 3 7070 2121 99 3.33.3 3,4443,444 실시예 4Example 4 7070 1818 1212 3.23.2 5,3265,326 실시예 5Example 5 7070 1515 1515 2.52.5 6,6626,662 비교예 1Comparative Example 1 7070 3030 00 6.06.0 9292

도 7a, 8a 및 상기 표 4에 따르면, 탄소섬유 복합 부직포에서 CNF의 함량이 증가할수록 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, CNF가 일정 수준 이상 확보 되어야 낮은 면저항 값을 가질 수 있는 것을 알 수 있다.According to Figures 7a, 8a and Table 4, it can be seen that the resistance decreases as the content of CNF in the carbon fiber composite nonwoven fabric increases. Therefore, it can be seen that a low sheet resistance value can be obtained only when CNF is secured above a certain level.

또한, CNF의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하고, 증가폭 또한 감소하지 않는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the tensile strength increases as the content of CNF increases, and the increase does not decrease.

하지만 CNF 함량이 일정 수준 이상으로 첨가될 경우 습식 부직포 제조 공정에서 물을 빼는데 필요한 시간이 급격히 증가(공정시간 증가)하므로 바인더(PVA+CNF) 100 중량부 대비 10 내지 50 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.However, when the CNF content is added above a certain level, the time required to remove water in the wet-laid nonwoven fabric manufacturing process increases rapidly (process time increase), so it is preferable to include 10 to 50 parts by weight relative to 100 parts by weight of the binder (PVA + CNF) .

시험예 4-2: 평량별 면저항 및 인장강도 분석Test Example 4-2: Sheet resistance and tensile strength analysis by basis weight

도 7b는 실시예 1, 실시예 6 내지 10의 평량별 저항 분석 자료를 나타낸 것이고, 도 8b는 실시예 1, 실시예 6 내지 10의 평량별 인장강도 분석 자료를 나타낸 것이다. 또한, 아래 표 5에 실시예 1, 실시예 6 내지 10의 평량별 저항 및 인장강도를 정리하여 나타내었다.7B shows resistance analysis data by basis weight of Example 1 and Examples 6 to 10, and FIG. 8B shows tensile strength analysis data by basis weight of Example 1 and Examples 6 to 10. In addition, in Table 5 below, resistance and tensile strength by basis weight of Example 1 and Examples 6 to 10 are summarized and shown.

구분division 평량 (gsm)Basis weight (gsm) 저항 (Ω)Resistance (Ω) 인장강도 (gf)Tensile strength (gf) 실시예 1Example 1 200200 4.34.3 1,9711,971 실시예 6Example 6 5050 13.513.5 430430 실시예 7Example 7 100100 6.96.9 746746 실시예 8Example 8 150150 3.33.3 1,5311,531 실시예 9Example 9 250250 3.13.1 2,1612,161 실시예 10Example 10 300300 3.23.2 2,1972,197

도 7b, 8b 및 상기 표 5에 따르면, 탄소섬유 복합 부직포에서 평량이 증가할수록 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있고 평량이 증가할수록 인장강도가 증가하나, 점차 증가 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다.According to FIGS. 7b and 8b and Table 5, it can be confirmed that the resistance decreases as the basis weight increases in the carbon fiber composite nonwoven fabric, and the tensile strength increases as the basis weight increases, but the increase gradually decreases.

따라서, 탄소섬유 복합 부직포의 바람직한 평량 값은 100 내지 200 gsm인 것을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be confirmed that the preferred basis weight value of the carbon fiber composite nonwoven fabric is 100 to 200 gsm.

시험예 4-3: 바인더 함량별 면저항 및 인장강도 분석Test Example 4-3: Analysis of Sheet Resistance and Tensile Strength by Binder Content

도 7c는 실시예 1, 실시예 11 내지 14의 바인더 함량별 저항 분석 자료를 나타낸 것이고, 도 8c는 실시예 1, 실시예 11 내지 14의 바인더 함량별 인장강도 분석 자료를 나타낸 것이다. 또한, 아래 표 6에 실시예 1, 실시예 11 내지 14의 바인더 함량별 저항 및 인장강도를 정리하여 나타내었다.7C shows resistance analysis data for each binder content of Example 1 and Examples 11 to 14, and FIG. 8C shows tensile strength analysis data for each binder content of Example 1 and Examples 11 to 14. In addition, in Table 6 below, resistance and tensile strength for each binder content of Example 1 and Examples 11 to 14 are summarized and shown.

구분division 탄소섬유 (%)Carbon Fiber (%) PVA (%)PVA (%) CNF (%)CNFs (%) 저항 (Ω)Resistance (Ω) 인장강도 (gf)Tensile strength (gf) 실시예 1Example 1 7070 2727 33 4.34.3 1,9711,971 실시예 11Example 11 9090 99 1One 2.62.6 194194 실시예 12Example 12 8080 1818 22 2.42.4 734734 실시예 13Example 13 6060 3636 44 5.15.1 2,3902,390 실시예 14Example 14 5050 4545 55 4.54.5 2,7942,794

도 7c, 8c 및 상기 표 6에 따르면, 탄소섬유의 함량이 줄어들수록 높은 면저항 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 탄소섬유의 함량이 높아야 낮은 면저항 값을 가질 수 있는 것을 알 수 있다.7c and 8c and Table 6, it can be seen that the higher the sheet resistance value, the lower the carbon fiber content. Therefore, it can be seen that a low sheet resistance value can be obtained only when the content of carbon fiber is high.

또한, 탄소섬유의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하나, 점차 증가 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the tensile strength increases as the carbon fiber content increases, but the increase gradually decreases.

따라서, 바람직한 바인더 함량은 탄소섬유 복합 부직포 100 중량부를 기준으로 30 내지 50 중량부인 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the preferred content of the binder is 30 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon fiber composite nonwoven fabric.

시험예 5: 전극 집전체 형성 확인Test Example 5: Confirmation of Formation of Electrode Current Collector

도 9a는 실시예 15에 따라 제조된 전극 집전체의 디지털 사진을 나타낸 것이고, 도 9b는 실시예 15에 따라 제조된 전극 집전체의 배율별 SEM 사진을 나타낸 것이다.FIG. 9A shows a digital photograph of an electrode current collector manufactured according to Example 15, and FIG. 9B shows an SEM photograph of the electrode current collector manufactured according to Example 15 at different magnifications.

도 9a 및 9b에 따르면, 탄소섬유 복합 부직포의 표면 색깔이 미세하게 갈색으로 변화한 것을 확인할 수 있고, 탄소섬유 복합 부직포의 미세구조에 큰 변화는 나타나지 않으며, 아연이 부직포 표면에 얇게 코팅된 것을 확인할 수 있다.9a and 9b, it can be seen that the surface color of the carbon fiber composite nonwoven fabric has changed slightly to brown, there is no significant change in the microstructure of the carbon fiber composite nonwoven fabric, and it can be confirmed that zinc is thinly coated on the surface of the nonwoven fabric. can

도 10은 실시예 15에 따라 제조된 전극 집전체의 에너지 분산 X-선 분광법 (EDS) 매핑 및 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.10 shows energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping and spectrum results of an electrode current collector prepared according to Example 15.

도 10에 따르면, 실시예 15의 전극 집전체는 탄소섬유 복합 부직포 표면에 아연으로만 구성된 얇은 층이 형성된 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 10, it can be seen that in the electrode current collector of Example 15, a thin layer composed only of zinc is formed on the surface of the carbon fiber composite nonwoven fabric.

시험예 6: 대칭셀 평가Test Example 6: Symmetric cell evaluation

도 11은 소자실시예 1(아연-탄소섬유 복합 부직포) 및 소자비교예 1(아연 박막)의 율속 변화에 따른 충방전 과전압 그래프이다. 상세하게는 율속특성을 확인하기 위하여, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10 mA/cm2 조건으로 각각 10분씩 충방전을 진행하였고 그 결과를 도 11에 나타낸 것이다.11 is a graph of charging and discharging overvoltage according to rate change of Device Example 1 (zinc-carbon fiber composite nonwoven fabric) and Device Comparative Example 1 (zinc thin film). In detail, in order to confirm the rate characteristic, charging and discharging were performed for 10 minutes each under conditions of 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, and 10 mA/cm 2 , and the results are shown in FIG. 11 .

도 11에 따르면, 아연 박막(Zn foil)을 사용한 소자비교예 1의 경우 율속이 0.5 mA/cm2에 이를 때부터 매우 불안정한 충방전 과전압 거동을 보였고, 율속을 높여감에 따라 그 불안정성이 지속적으로 향상이 되는 모습을 보이는 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 11, in the case of Device Comparative Example 1 using a zinc foil, a very unstable charge/discharge overvoltage behavior was shown from the time the rate limit reached 0.5 mA/cm 2 , and the instability continued as the rate rate increased. You can see that you are seeing an improvement.

한편, 아연-탄소섬유 부직포(실시예 15의 전극 집전체)를 사용한 소자실시예 1의 경우 각 율속에서 안정적인 충방전 과전압 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of Device Example 1 using the zinc-carbon fiber nonwoven fabric (electrode current collector of Example 15), it can be seen that stable charge/discharge overvoltage behavior is exhibited at each rate.

도 12는 소자실시예 1(아연-탄소섬유 복합 부직포) 및 소자비교예 1(아연 박막)의 사이클 테스트 결과이다. 상세하게는 3 mA/cm2의 율속으로 0.5 mAh/cm2의 용량으로 반복 충방전 테스트 결과를 도 12에 나타낸 것이다. 12 shows cycle test results of Device Example 1 (zinc-carbon fiber composite nonwoven fabric) and Device Comparative Example 1 (zinc thin film). In detail, FIG. 12 shows the results of the repeated charge/discharge test at a rate of 3 mA/cm 2 and a capacity of 0.5 mAh/cm 2 .

도 12에 따르면, 아연 박막(Zn foil)을 사용한 소자비교예 1의 경우 10 시간이 채 지나기 전에 심하게 충방전 과전압이 요동치는 반면, 아연-탄소섬유 부직포(실시예 15의 전극 집전체)를 사용한 소자실시예 1의 경우 300 시간 이상 안정적인 과전압 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 12, in the case of Device Comparative Example 1 using a zinc foil, the charge/discharge overvoltage fluctuated severely before 10 hours passed, whereas the zinc-carbon fiber nonwoven fabric (electrode current collector of Example 15) was used. In the case of Device Example 1, it can be confirmed that stable overvoltage behavior is exhibited for more than 300 hours.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 탄소섬유 복합 부직포는 아연 이온전지의 음극 집전체로써 안정적인 충방전 반응을 도와주는 역할을 하는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the carbon fiber composite nonwoven fabric prepared according to the present invention serves to help stable charge and discharge reactions as a negative electrode current collector of a zinc ion battery.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (15)

탄소섬유; 및
마이크로 단섬유 및 나노 장섬유를 포함하는 바인더;를 포함하고,
상기 마이크로 단섬유는 친수성 고분자를 포함하고,
상기 나노 장섬유는 셀룰로오스 나노파이버(cellulose nanofiber, CNF)를 포함하고,
상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유와 탄소섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 탄소섬유를 서로 가교시키거나,
상기 나노 장섬유가 상기 마이크로 단섬유와 마이크로 단섬유 상에 위치하여 상기 마이크로 단섬유와 마이크로 단섬유를 서로 가교시키거나,
상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유와 마이크로 단섬유 상에 위치하여 상기 탄소섬유와 마이크로 단섬유를 서로 가교시켜 3차원 네트워크 구조의 탄소섬유 복합 부직포를 형성하는 것이고,
수계 전지의 전극 집전체에 사용하기 위한 탄소섬유 복합 부직포.
carbon fiber; and
A binder including micro short fibers and nano long fibers;
The micro short fibers include a hydrophilic polymer,
The nano-long fibers include cellulose nanofibers (CNF),
The nano-long fiber is positioned on the carbon fiber and the carbon fiber to crosslink the carbon fiber and the carbon fiber with each other,
The nano-long fibers are positioned on the micro-short fibers and the micro-short fibers to cross-link the micro-short fibers with each other;
The nano-long fibers are positioned on the carbon fibers and micro short fibers to crosslink the carbon fibers and micro short fibers with each other to form a carbon fiber composite nonwoven fabric having a three-dimensional network structure,
A carbon fiber composite nonwoven fabric for use in electrode current collectors of water-based batteries.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노 장섬유가 필름상의 섬유 다발 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포.
According to claim 1,
Carbon fiber composite nonwoven fabric, characterized in that the nano-long fibers form a film-like fiber bundle form.
제1항에 있어서,
상기 친수성 고분자가 폴리비닐알코올(PVA), 친수성 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리도파민, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)(PEDOT:PSS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포.
According to claim 1,
The hydrophilic polymer is polyvinyl alcohol (PVA), hydrophilic polyurethane, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polydopamine, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS ) And a carbon fiber composite nonwoven fabric comprising at least one selected from the group consisting of combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 복합 부직포가 상기 탄소섬유 100 중량부를 기준으로 상기 바인더 10 내지 50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포.
According to claim 1,
The carbon fiber composite nonwoven fabric comprises 10 to 50 parts by weight of the binder based on 100 parts by weight of the carbon fiber.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 단섬유(MF) 및 상기 나노 장섬유(NF)의 중량(wt) 비율(MF:NF)이 5:5 내지 9:1인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포.
According to claim 1,
The carbon fiber composite nonwoven fabric, characterized in that the weight (wt) ratio (MF: NF) of the micro short fibers (MF) and the nano long fibers (NF) is 5: 5 to 9: 1.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 복합 부직포의 평량이 50 내지 300 gsm인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포.
According to claim 1,
Carbon fiber composite nonwoven fabric, characterized in that the basis weight of the carbon fiber composite nonwoven fabric is 50 to 300 gsm.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 단섬유의 길이가 0.5 내지 3 mm이고,
상기 마이크로 단섬유의 너비가 5 내지 30 μm인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포.
According to claim 1,
The length of the micro short fibers is 0.5 to 3 mm,
Carbon fiber composite nonwoven fabric, characterized in that the width of the micro short fibers is 5 to 30 μm.
제1항에 따른 탄소섬유 복합 부직포를 포함하고, 수계 전지에 사용하기 위한 전극 집전체.An electrode current collector for use in an aqueous battery, comprising the carbon fiber composite nonwoven fabric according to claim 1 . 제9항에 있어서,
상기 전극 집전체가
상기 탄소섬유 복합 부직포; 및
상기 탄소섬유 복합 부직포 상에 코팅되는 금속;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 집전체.
According to claim 9,
the electrode current collector
The carbon fiber composite nonwoven fabric; and
An electrode current collector comprising a; metal coated on the carbon fiber composite nonwoven fabric.
제10항에 있어서,
상기 금속이 아연(Zn), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 구리(Cu), 크롬(Cr), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 인듐(In), 이리듐(Ir), 망간(Mn), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 나이오븀(Nb), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루비듐(Ru), 안티모니(Sb), 주석(Sn), 탄탈럼(Ta), 텔루륨(Te), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 텅스텐(W) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 집전체.
According to claim 10,
The metal is zinc (Zn), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), copper (Cu), chromium (Cr), cadmium ( Cd), iron (Fe), gallium (Ga), hafnium (Hf), indium (In), iridium (Ir), manganese (Mn), molybdenum (Mo), magnesium (Mg), nickel (Ni), Niobium (Nb), Lead (Pb), Palladium (Pd), Platinum (Pt), Rhodium (Rh), Rhenium (Re), Rubidium (Ru), Antimony (Sb), Tin (Sn), Tantalum ( An electrode current collector characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of Ta), tellurium (Te), titanium (Ti), vanadium (V), tungsten (W), and zirconium (Zr).
(a) 탄소섬유를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계;
(b) 마이크로 단섬유 및 나노 장섬유를 포함하는 바인더용액을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 혼합용액 및 상기 바인더용액을 혼합하여 제1항에 따른 탄소섬유 복합 부직포를 제조하는 단계;를
포함하는 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법.
(a) preparing a mixed solution containing carbon fibers;
(b) preparing a binder solution containing micro short fibers and nano long fibers; and
(c) preparing a carbon fiber composite nonwoven fabric according to claim 1 by mixing the mixed solution and the binder solution;
A method for producing a carbon fiber composite nonwoven fabric comprising:
제12항에 있어서,
상기 단계 (c)의 혼합에 의해 상기 나노 장섬유가 상기 탄소섬유 및 상기 마이크로 단섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 가교시켜 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법.
According to claim 12,
Preparation of a carbon fiber composite nonwoven fabric, characterized in that by mixing in step (c), the nano-long fibers cross-link at least one selected from the group consisting of the carbon fibers and the micro short fibers to form a three-dimensional network structure. method.
제13항에 있어서,
상기 나노 장섬유가 섬유 다발 형태인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법.
According to claim 13,
Method for producing a carbon fiber composite nonwoven fabric, characterized in that the nano-long fiber is in the form of a fiber bundle.
제12항에 있어서,
상기 바인더용액에서 상기 마이크로 단섬유(MF) 및 상기 나노 장섬유(NF)의 중량(wt) 비율(MF:NF)이 5:5 내지 9:1인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합 부직포의 제조방법.
According to claim 12,
Method for producing a carbon fiber composite nonwoven fabric, characterized in that the weight (wt) ratio (MF: NF) of the micro short fibers (MF) and the nano long fibers (NF) in the binder solution is 5: 5 to 9: 1 .
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