KR20220114366A - Manufacturing method for complex of positive electrode active materials with improved durability and complex of positive electrode active materials therefrom - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기화학공정 등의 다양한 반응 장치의 핵심 부품인 양극의 내구성을 향상시키기 위하여 양극 모재와 촉매층 사이에 금속도금층과 산화금속층으로 구성되는 이중층이 형성된 양극 활물질 복합체의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극 활물질 복합체를 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a positive electrode active material composite in which a double layer composed of a metal plating layer and a metal oxide layer is formed between a positive electrode base material and a catalyst layer in order to improve the durability of a positive electrode, which is a core component of various reaction devices such as an electrochemical process, and a method for manufacturing the same To provide a positive electrode active material composite.
혼합금속산화물(Mixed Metal Oxide, 이하 MMO) 전극은 DSA(Dimensionally Stable Anode)라고도 불리고, 전기분해 반응에서 음극에 대응하는 양극으로 최근에 널리 사용되는 전극을 말한다. MMO는 화학약품에 대한 내식성이 매우 뛰어난 이리듐, 루테늄, 백금, 로듐 등 백금족 금속이 2종 이상 혼합된 산화물로 구성되어, 전기분해 반응에 사용되는 양극(Anode) 모재에 코팅함으로써 전극 표면에서 전기화학 반응을 촉진하는 촉매역할을 한다. MMO 전극은 식염전해(Chlor-alkali) 공정, 살균수 제조, 금속 전해 채취, 금속 전해 정련, 음극방식 및 도금 등의 산업에서 널리 사용되고 있는 소재 부품로서, 특히 공급 전류 밀도가 매우 높고, 양극 표면에서 다량의 산소가 발생하는 전기분해 반응에서 널리 사용되고 있다. A mixed metal oxide (MMO) electrode is also called a dimensionally stable anode (DSA), and refers to an electrode that is recently widely used as an anode corresponding to a cathode in an electrolysis reaction. MMO is composed of oxides mixed with two or more platinum group metals such as iridium, ruthenium, platinum, and rhodium, which have excellent corrosion resistance to chemicals. It acts as a catalyst to accelerate the reaction. MMO electrode is a material component widely used in industries such as chlor-alkali process, sterilizing water production, metal electrolysis extraction, metal electrolytic refining, cathodic corrosion protection and plating. In particular, the supply current density is very high, and the It is widely used in electrolysis reactions in which a large amount of oxygen is generated.
상기 MMO 전극은 금속 산화물이 한 개의 층을 이루는지 또는 서로 다른 성분의 금속 산화물이 다층 구조를 이루는지에 따라 Bulk MMO 전극과 Supported MMO 전극으로 크게 분류할 수 있다. The MMO electrode can be broadly classified into a bulk MMO electrode and a supported MMO electrode depending on whether the metal oxide forms a single layer or the metal oxides of different components form a multi-layer structure.
상기와 같은 양극의 제조 방법은 열분해법, 전기도금법, 양극산화법, 졸-겔법, 플라즈마 보강 화학적 기상 증착법(Plazma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 등과 같은 화학적 방법과, 스퍼터링 또는 물리 기상 증착법(Physical vapor deposition, PVD) 등의 물리적 방법으로 구분할 수 있다. Methods of manufacturing the anode as described above include chemical methods such as thermal decomposition, electroplating, anodization, sol-gel, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and sputtering or physical vapor deposition. , PVD) and the like).
예를 들면, 상기 열분해법은 양극 모재 위에 균일한 필름을 형성하는 Bulk MMO 양극 제조법으로 가장 유리한 방법이며, 졸-겔법은 Supported MMO 양극 제조에 유리한 방법이다. For example, the thermal decomposition method is the most advantageous method for manufacturing a bulk MMO positive electrode that forms a uniform film on the positive electrode base material, and the sol-gel method is an advantageous method for manufacturing a supported MMO positive electrode.
전극 코팅에서 가장 널리 사용되는 상기 열분해법의 가장 큰 장점은 공정이 쉽다는 것이고, 가장 큰 단점으로는 높은 내부응력에 의한 크랙 발생에 따른 낮은 수명이다. 또한 졸-겔법은 열분해 방법의 단점인 크랙 발생에 따른 내구성 결여를 개선하기 위해 개발되었다. The biggest advantage of the thermal decomposition method, which is most widely used in electrode coating, is that it is easy to process, and the biggest disadvantage is a low lifespan due to crack generation due to high internal stress. In addition, the sol-gel method was developed to improve the lack of durability due to crack generation, which is a disadvantage of the thermal decomposition method.
일반적으로 아노다이징(Anodizing, 양극산화)은 양극(Anode)과 산화(Oxidizing)의 합성어로서, 금속에 양극전원을 연결하고 희석한 산성 전해액에 직류전원을 통전하여, 양극에서 발생하는 산소의 반응으로 금속에 견고한 밀착력을 가진 산화피막을 형성하는 방법을 통칭한다. 양극산화 공정의 대표적인 소재는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb) 등으로서, 상기 금속소재를 처리하여 표면에 산화금속층을 형성하여 부식에 대한 저항력을 증가시킨 소재들이 사압화되어 시판되고 있다. In general, anodizing (anodizing) is a compound word of anode and oxidation. Connect the anode power to the metal and apply direct current to the diluted acidic electrolyte. It refers to a method of forming an oxide film with strong adhesion to Representative materials of the anodization process are aluminum (Al), magnesium (Mg), zinc (Zn), titanium (Ti), tantalum (Ta), hafnium (Hf), niobium (Nb), etc. Materials that increase resistance to corrosion by forming a metal oxide layer on the surface are being sold under pressure.
상기 양극산화에 의해 형성된 산화금속층의 특성으로서, 내식성이 우수하고, 상당히 단단하여 내마모성이 우수하고, 도장 밀착력을 향상시키며, 본딩(Bonding) 성능 등이 우수하다. As the characteristics of the metal oxide layer formed by the anodization, it has excellent corrosion resistance, excellent abrasion resistance because it is quite hard, improves adhesion to paint, and has excellent bonding performance.
이러한 아노다이징을 통한 산화금속층 형성관련 종래기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 10-1608862 외 다수에 아노다이징 장치 및 방법에 대한 언급이 있으나, 언급된 제품들은 대부분 특정 부품의 화학약품 등에 대한 내식성을 증가시키기 위한 제품들에 대한 것이며, 양극 성능 향상에 응용한 내용에 대한 언급은 없다. 또한 대한민국 등록특허 10-1419276 등에는 상기의 아노다이징 기술이 금속 표면에 산화피막을 형성시키기 위하여 15V 내외의 낮은 전압을 사용함으로 생산성이 저하되는 단점을 개선하기 위한 방법으로, 높은 전압의 사용이 가능한 플라즈마 전해 산화법(PEO : Plasma Electronic Oxidation, 이하 PEO) 공정을 사용하여 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 나이오븀(Nb) 계 합금의 표면에 산화피막을 형성시키는 방법을 제시하고 있다. Looking at the prior art related to the formation of a metal oxide layer through such anodizing, Korean Patent Registration No. 10-1608862 and many others mention anodizing apparatus and method, but most of the mentioned products are products for increasing corrosion resistance to chemicals of specific parts There is no mention of the contents applied to the improvement of the anode performance. In addition, Korean Patent Registration No. 10-1419276, etc. discloses that the anodizing technology uses a low voltage of around 15V to form an oxide film on the metal surface, thereby improving the disadvantage of lowering productivity. Plasma that can use a high voltage Aluminum (Al), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), zinc (Zn), tantalum (Ta), niobium (Nb) using an electrolytic oxidation method (PEO: Plasma Electronic Oxidation, hereinafter PEO) process ) to form an oxide film on the surface of the alloy.
그러나 종래기술인 PEO 공정에 의해 형성된 산화금속층은 접착력과 내부식성이 우수하다고 알려져 있으나 표면에서 발생하는 플라즈마의 영향으로 인해 표면 거칠기가 크고, 상기 산화금속층이 두껍게 형성되며, 산화층 표면 상부에 기공이 많은 푸석층이 발생하여 오히려 접합성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한 표면거칠기가 과다하게 거칠어지면서 매끈한 표면을 얻기에 어려운 단점을 갖고 있다. However, the metal oxide layer formed by the conventional PEO process is known to have excellent adhesion and corrosion resistance, but due to the effect of plasma generated on the surface, the surface roughness is large, the metal oxide layer is thickly formed, and the oxide layer has many pores on the upper surface of the oxide layer. There is a disadvantage in that the layer is generated and the bondability is rather deteriorated. In addition, as the surface roughness becomes excessively rough, it is difficult to obtain a smooth surface.
또한 제조되는 양극의 표면에 미세기공이 형성되고, 상기 미세기공을 통해 유입되는 전해액에 의해 양극 모재가 손상된다. In addition, micropores are formed on the surface of the produced anode, and the cathode base material is damaged by the electrolyte introduced through the micropores.
따라서 산화금속층의 형성시 보다 경제성을 확보하기 위하여 높은 전류밀도를 사용하는 공정 및 다량의 산소가 발생하는 공정에서 충분히 만족할 만한 내구성을 갖는 양극 활물질 복합체의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극 활물질 복합체의 개발이 요구되고 있다.Therefore, in order to secure more economic feasibility when forming a metal oxide layer, a method for manufacturing a positive electrode active material composite having sufficiently satisfactory durability in a process using a high current density and a process in which a large amount of oxygen is generated, and development of a positive electrode active material composite manufactured therefrom this is being requested
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 높은 전류밀도 그리고 다량의 산소를 발생하는 전기화학반응 장치, 특히 인바(Invar) 박막 필름 제조 및 구리 박막 제조 도금장치에서 사용되고 있는 내구성이 향상된 양극 활물질 복합체의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극 활물질 복합체를 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve this problem, and has improved durability, which is used in an electrochemical reaction device that generates a high current density and a large amount of oxygen, in particular, an Invar thin film film production and a copper thin film production plating apparatus. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite and a positive active material composite prepared therefrom.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 양극 활물질 복합체(100)는, 양극 모재(10); 상기 양극 모재(10)의 상부 표면에 구비되는 금속도금층(20); 상기 금속도금층(20)의 상부 일정 두께를 산화하여 형성되는 산화금속층(30); 및 상기 산화금속층(30)의 상부에 구비되는 촉매층(40);을 포함하고, 상기 양극 모재(10)는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb) 그리고 지르코늄(Zr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상이며, 상기 금속도금층(20)은 백금족 금속 또는 밸브금속이며고, 상기 백금족 금속은 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 로듐(Rh) 중 어느 하나이고, 밸브 금속은 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.The positive electrode
또한, 상기 금속도금층(20)은 그 두께가 2 mm 이하이며, 상기 산화금속층(20)은 그 두께가 3 ㎛ 이하이고, 상기 촉매층(40)은 주촉매와 조촉매로 구성될 수 있고, 상기 주촉매는 백금족 금속의 염화물(chloride) 또는 질산염(nitrate)이고, 상기 조촉매는 밸브금속의 염화물(chloride) 또는 질산염(nitrate)이고,In addition, the
상기 양극 활물질 복합체(100)는 양극을 제조할 수있고, 또한 상기 양극을 이용하여 인바(Invar) 박막 제조용 도금장치, 동박 제조용 도금장치, 산소 발생용 전기분해장치, 염수 전해용 전기분해장치 또는 폐수 처리용 전기분해장치 중 어느 하나인 전기 화학반응 장치의 제조가 가능하다.The positive electrode
그리고 본 발명에 따른 내구성이 향상된 양극 활물질 복합체(100)의 제조방법은, 양극 모재(10)를 준비하는 제 1 단계; 상기 양극 모재(10)의 표면에 금속이 도금된 금속도금층(20)을 형성하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 형성된 금속도금층(20)의 표면의 일정 두께를 산화하여 산화금속층(30) 형성하는 제 3 단계; 및 상기 산화금속층(30)의 표면에 촉매층(40)을 코팅하는 제 4 단계;를 포함하고, 상기 금속은 백금족 금속 또는 밸브 금속이고, 상기 제 3 단계는 전처리 단계와, 아노다이징 단계 및 후처리 단계로 구성되며, 상기 아노다이징 단계는 1몰 농도 이하의 황산 용액인 전해액과, 5 ~ 15 ± 2A인 전류 및 10 ~ 20 ± 2V인 전압에서 수행되고, 상기의 전해액의 온도는 10 ℃ 이하인 것이 바람직하다.And the manufacturing method of the positive electrode
본 발명에 따른 양극 활물질 복합체(100)는 양극 모재(10)와 촉매층(40)의 사이에 금속도금층(20)과 산화금속층(30)으로 구성되는 이중층(25)을 형성하여 미세 기공을 통한 상기 양극 모재(10)로의 전해액의 침투를 방지함으로써, 상기 전해액에 의한 양극 모재(10)의 손상을 방지하는 효과를 갖는다. 즉, 상기 양극 모재(10)로부터 전해액과 발생되는 산소에 의한 손상을 방지함으로써 내구성을 획기적으로 증가시키는 효과를 갖는다. The positive electrode
도 1은 본 발명에 따른 양극 활물질 복합체(100)의 단면모식도이고,
도 2는 본 발명에 따른 양극 활물질 복합체(100)의 현미경 사진이다1 is a cross-sectional schematic view of a positive electrode
2 is a photomicrograph of the positive electrode
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present application, terms such as “comprises”, “have” or “include” are intended to designate that the features, numbers, steps, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other It should be understood that this does not preclude the possibility of addition or presence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. In addition, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
아래에서는 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, in order to facilitate the overall understanding, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions of the same components are omitted.
이하, 본 발명에 따른 금속도금층(20)과 산화금속층(30)으로 구성되는 이중층(25)의 형성으로 내구성이 향상되는 양극 활물질 복합체(100)의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극 활물질 복합체(100)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명에 따른 양극 활물질 복합체(100)의 단면모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 양극 활물질 복합체(100)의 현미경 사진이다Hereinafter, according to the present invention, a method for manufacturing a positive electrode
본 발명은 높은 전류밀도에서 운전하는 전기화학 반응장치, 특히 도금장치인 인바(Invar) 박막제조 장치, 구리 박막 제조 장치 및 전기화학적 폐수처리장치 등의 주요 구성품인 양극이 높은 전류밀도를 사용하는 상기 반응장치에서 반응시 다량으로 발생되는 산소의 영향으로 내구성이 감소하는 것을 방지하도록 내구성이 향상된 양극 활물질 복합체(100)의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극 활물질 복합체(100)에 대한 것이다.The present invention relates to an electrochemical reaction device operating at high current density, in particular, an anode, which is a main component of a plating device, such as an Invar thin film manufacturing device, a copper thin film manufacturing device, and an electrochemical wastewater treatment device, using a high current density. It relates to a method of manufacturing a positive electrode
본 발명에 따르면, 상기 내구성이 향상된 양극 활물질 복합체(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양극 모재(10)와, 상기 양극 모재(10)의 상부에 구비되는 금속도금층(20)과, 상기 금속도금층(20)의 상부에 일정 두께를 산화하여 형성되는 산화금속층(30); 및 상기 산화금속층(30)의 상부에 구비되는 촉매층(40);을 포함하는 것이 바람직하다. According to the present invention, the positive electrode
이하 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.Hereinafter, examples will be given to describe the present invention in detail. However, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. Also, the embodiment according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiment described in detail below.
본 발명은 내구성을 향상하기 방법으로 도 1에 도시된 바와 같이 양극 활물질 복합체(100)를 구성하는 양극 모재(10)의 상부에 금속도금층(20)을 형성하고, 상기 금속도금층(20) 표면의 일정 두께를 산화하여 산화금속층(30)을 형성하여 금속도금층(20) 및 산화금속층(30)으로 구성되는 이중층(25)을 형성한다. 상기와 같이 형성된 이중층(25)의 표면에 전기화학 반응시 필요한 촉매층(40)을 코팅함으로써, 상기 양극 모재(10)와 촉매층(40)의 밀착성을 향상시키고, 산소발생에 대한 우수한 내구성을 나타내는 양극 활물질 복합체(100) 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.In the present invention, as shown in FIG. 1 as a method to improve durability, a
본 발명에 따르면, 상기 양극 활물질 복합체(100)를 구성하는 양극 모재(10)는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb) 그리고 지르코늄(Zr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상으로 구성될 수 있다. According to the present invention, the positive
상기 양극 모재(10)의 상부 표면에는 도 1에 도시된 바와 같이 금속도금층(20)이 형성된다. 상기 금속도금층(20)은 상기 양극 모재(10)의 표면에 균일하게 금속을 코팅할 수 있는 공지의 표면 코팅 방법을 통하여 제조될 수 있고, 특정한 방법에 한정되지 않는다. A
본 발명에 따르면, 상기 금속도금층(20)은 백금족의 금속 또는 밸브 금속으로 형성될 수 있다. 상기 백금족의 금속은 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 로듐(Rh) 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 밸브 금속은 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb)중 어느 하나 인 것이 바람직하다. According to the present invention, the
상기 백금족은 주기율표의 열번째 족에 속하는 원소이고, 상기 밸브금속은 용액에서 금속으로 전류가 흐르지만, 금속에서 용액으로는 거의 전류가 흐르지 않는 밸브(valve) 작용을 가지고 있기 때문에 밸브 금속이라고 불린다. The platinum group is an element belonging to the tenth group of the periodic table, and the valve metal is called a valve metal because it has a valve action in which current flows from solution to metal, but hardly current flows from metal to solution.
상기 금속도금층(20)은 그 두께가 2 mm 이하인 것이 바람직하다. 상기 금속도급층(20)의 두깨가 2mm 를 초과하면 도금두께 상승에 따른 제조 비용이 급격하게 상승하여 경제성이 떨어진다.The
상기와 같이 양극 모재(10)의 표면에 형성되는 금속도금층(20)은 이후에 일정 두께를 산화하여 산화금속층(30)을 형성하게 된다. As described above, the
상기 산화금속층(30)의 형성은 상기 금속도금층(20)이 형성된 양극 모재(10)를 전해질 수용액에 침지시키고 소정의 전압을 인가함으로써 형성할 수 있다. The
본 발명에 따르면, 상기 산화금속층(30)은 그 두께가 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 즉, 산화금속층(30)의 두깨가 3 ㎛를 초과하게 되면 제조 비용이 크게 증가하고, 또한 산화금속층(30)의 형성 시간이 오래 걸려 경제성이 떨어지게 된다. 또한 전극 표면에서 산화금속층(30)의 증가에 따른 저항이 점점 증가되고, 이에 따른 전기분해 장치의 운전 전압이 증가하며, 이의 결과로서 전기분해장치 운전 비용도 증가하게 된다.According to the present invention, the
본 발명에 따르면, 상기 산화금속층(20)의 상부에는 촉매층(40)을 형성함으로써, 양극 활물질 복합체(100)가 제조될 수 있다.According to the present invention, by forming the
상기 촉매층(40)은 1종 이상의 주촉매와 1종의 조촉매로 구성될 수 있고, 상기 주촉매는 백금족 금속의 산화물이고, 상기 조촉매는 밸브 금속의 산화물이 될 수 있다.The
본 발명에 따르면, 상기 백금족 금속은 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 로듐(Rh) 중 어느 하나이고, 밸브 금속은 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb) 중 어느 하나인 것이 바람직하다. According to the present invention, the platinum group metal is any one of iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), platinum (Pt), and rhodium (Rh), and the valve metal is tantalum (Ta), titanium (Ti) , it is preferably any one of zirconium (Zr), hafnium (Hf), and niobium (Nb).
이때, 본 발명에 따른 촉매층(40)의 양은 2 내지 5 mg/㎠ 인 것이 특히 바람직하다. 즉, 상기 촉매층(40)의 양이 2 mg/㎠ 미만으로 형성되는 경우에는 요구되는 촉매의 활성이 부족하고, 촉매의 내구성이 감소하여 양극의 충분한 운전시간을 보장할 수 없다. 그리고 촉매층(40)의 양이 5 mg/㎠ 초과하는 경우에는 촉매층(40)을 형성하는 공정에서 양극에 코팅되는 촉매양보다 양극에 코팅되지 않고 떨어져 손실되는 양이 급격하게 증가하게 된다. 따라서 상기 촉매층(40)의 양은 2 내지 5 mg/㎠ 로 형성되는 것이 가장 바람직하다. At this time, it is particularly preferable that the amount of the
상기와 같이 구성되는 본 발명의 양극 활물질 복합체(100)는 높은 전류밀도에서 운전하는 전기화학 반응장치, 특히 도금장치와 전기화학 반응장치 그리고 전기화학적 폐수처리장치 등의 주요 구성품인 양극을 제조할 수 있게 된다. The positive electrode
상기와 같이 제조되는 양극은 금속도금층(20)과 산화금속층(30)으로 구성되는 이중층(25)이 형성되어 높은 전류밀도를 사용하는 전기화학 반응장치에서 다량으로 발생되는 산소의 영향으로 내구성이 감소하는 것을 방지하는 효과를 갖는 것을 그 특징으로 한다. The anode manufactured as described above is formed with a
상기와 같이 구성되는 본 발명의 양극 활물질 복합체(100)는 전기화학반응 장치에 사용할 수 있는 양극을 제조할 수 있으며, 상기와 같이 제조되는 양극은 전기화학반응 장치 즉, 인바(Invar) 박막 제조용 도금장치, 동박 제조용 도금장치, 산소 발생용 전기분해장치, 염수 전해용 전기분해장치 또는 폐수 처리용 전기분해장치 중 어느 하나에 적용될 수 있다. The positive electrode
이하에서는 본 발명에 따른 양극 활물질 복합체(100)의 제조방법에 대하여 구체적으로 알아본다.Hereinafter, a method of manufacturing the positive electrode active material composite 100 according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 양극 활물질 복합체(100)의 제조방법은, 양극 모재(10)를 준비하는 제 1 단계;와, 상기 양극 모재(10)의 표면에 금속이 도금된 금속도금층(20)을 형성하는 제 2 단계;와, 상기 제 2 단계에서 형성된 금속도금층(20)의 표면의 일정 두께를 산화하여 산화금속층(30)을 형성하는 제 3 단계; 및 상기 산화금속층(30)의 표면에 촉매층(40)을 코팅하는 제 4 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The method of manufacturing the positive electrode active material composite 100 according to the present invention includes a first step of preparing the positive
이를 자세히 살펴보면, 상기 제 1 단계는 양극 모재(10)를 준비하는 단계로서, 상기 양극 모재(10)는 금속 재질이라면 제한 없이 사용 가능하며, 바람직하기로는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb) 그리고 지르코늄(Zr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 특히 바람직하다.Looking at this in detail, the first step is a step of preparing the
상기와 같이 제 1 단계를 통해 준비되는 양극 모재(10)는 제 2 단계로서 상기 양극 모재(10)의 표면에 금속이 도금된 금속도금층(20)을 형성하는 단계를 거치게 된다. 상기 금속도금층(20)을 형성하는 제 2 단계는 통상의 물리 기상 증착법(Physics Vapor Deposition, PVD) 또는 전해 도금법 등을 통해 수행할 수 있다. As described above, the
상기 물리 기상 증착법은 증착하고자 하는 박막 재료를 진공 중에서 증발 또는 스퍼터링 시켜 금속의 기판 위에 증착시키는 기술로서, 공정이 단순하고 고순도의 도금층을 얻을 수 있는 장점이 있다. The physical vapor deposition method is a technique for depositing a thin film material to be deposited on a metal substrate by evaporating or sputtering in a vacuum, and has an advantage in that the process is simple and a high-purity plating layer can be obtained.
또한, 상기 전해 도금법은 전기분해를 이용한 도금방법으로서, 기판의 종류와 상관없이 균일한 도금층을 형성할 수 있는 장점이 있고, 또한 신뢰도가 높고 공정비용이 낮아 양산에 용이하여 보편적으로 사용되고 있다. In addition, the electrolytic plating method is a plating method using electrolysis, has the advantage of forming a uniform plating layer regardless of the type of substrate, and has high reliability and low process cost, so it is easy to mass-produce and is commonly used.
본 발명에서 양극 모재(10)의 표면에 금속도금층(20)을 형성하는 상기 제 2 단계는 물리 기상 증착법(PVD) 또는 전해도금법 등을 통해 적절하게 수행될 수 있다.In the present invention, the second step of forming the
상기 같이 금속도금층(20)이 형성된 후에는 상기 금속도금층(20)의 표면의 일정 두께를 산화하여 산화금속층(30)을 형성하는 제 3 단계를 거치게 된다.After the
본 발명에 따르면, 상기 산화금속층(30)은 아노다이징 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 아노다이징(Anodizing)은 양극(Anode)과 산화(Oxidizing)의 합성어로서, 양극산화를 가리킨다. 상기 아노다이징은 금속 등을 양극에 걸고 전해액 중에서 전해하면, 양극에서 발생하는 산소에 의해서 금속과 대단한 밀착력을 가진 산화피막을 형성하는 공정을 가리킨다.According to the present invention, the
본 발명에 따르면, 금속도금층(20)의 표면에 산화금속층(30)을 형성하기 위한 제 3 단계는 전처리 단계와, 아노다이징 단계 및 후처리 단계로 구성될 수 있다. According to the present invention, the third step for forming the
상기 전처리 단계는 상기 금속도금층(20)의 표면에 아노다이징 단계를 통해 균일한 산화금속층(30)을 형성하기 위하여 불순물울 제거하고 조도를 향상시키기 위한 공정이다. The pretreatment step is a process for removing impurities and improving roughness in order to form a uniform
상기 제 3 단계중 전처리 단계는 양극 모재(10)에 도금된 금속의 표면에 대한 아노다이징 효율을 높이기 위한 단계로서, 상기 금속도금층(20)의 표면에 부착된 불순물 및 오일을 제거하기 위하여 아래와 같은 순서로 진행할 수 있다. The pretreatment step of the third step is a step for increasing the anodizing efficiency for the surface of the metal plated on the
즉, 5 중량% 염산 수용액에 상기 금속도금층(20)이 형성된 양극 모재(10)를 침지하고, 상온에서 60분간 초음파 세척으로 불순물 및 오일 성분을 제거한다. 이후에 상기 초음파 세척된 금속도금층(20)이 형성된 양극 모재(10)를 상온의 증류수에서 10분간 초음파 세척으로 염산 수용액을 제거한 후, 60 ℃에서 1시간 이상 에어를 공급하여 건조한다. That is, the
상기와 같이 전처리 단계를 거친 양극 모재(10)는 산화금속층(30)을 형성하는 아노다이징 단계를 수행하게 된다. The
상기 아노다이징 단계는 금속도금층(20)의 표면에 양극 산화 공정을 수행하여 산화금속층(30)을 형성한다. 이를 위해, 상기 금속도금층(20)이 형성된 양극 모재(10)를 양극(positive electrode)으로 하고, 이를 전해액 용액에 침지한 후 전압을 인가하여 상대전극에 음극(-)을 인가하면 양극화(Anodization)가 발생한다. 이때 인가된 전압에 의해 양극 모재(10)가 표면에서부터 전기적으로 산화되어 상기 양극 모재(10)의 표면이 산화금속층(30)으로 전환된다.In the anodizing step, an anodizing process is performed on the surface of the
본 발명에 따르면, 상기 아노다이징 단계는 아노다이징 처리장치를 통해 수행이 가능하다. 상기 아노다이징 처리장치는 전해액이 채워지는 전해조와, 상기 전해조의 전해공간에 구비되어 양극전원이 투입되는 양극(+)전원 공급부, 그리고 전해액이 채워지는 전해공간의 일측에 음극(-)전원이 투입되는 음극단자가 구비될 수 있다. According to the present invention, the anodizing step can be performed through an anodizing processing apparatus. The anodizing treatment apparatus includes an electrolytic cell filled with an electrolyte, an anode (+) power supply provided in the electrolytic space of the electrolytic cell to which anode power is input, and a cathode (-) power supply to one side of the electrolytic space filled with the electrolyte. A negative terminal may be provided.
이때, 전해조는 일정 용량의 전해액이 저수되고, 정류기를 통해 전원이 공급된다. 상기 정류기에서 공급되는 전원은 10 ~ 50V 범위 내에서 적절하게 설정하여 직류전압을 공급할 수 있다. 이와 같은 다양한 전원의 공급을 통해 다양한 두께의 산화금속층(30)을 형성할 수 있다. 또한 전해조에 공급되는 전압 및 전류 값과 아노다이징 처리 시간에 비례하여 산화금속층(30)의 두께가 결정된다.At this time, the electrolytic cell stores the electrolyte of a certain capacity, and power is supplied through the rectifier. The power supplied from the rectifier may be appropriately set within a range of 10 to 50V to supply a DC voltage. The
본 발명에 따르면, 상기 아노다이징 단계의 수행시 전해액은 1몰 농도 이하의 황산 용액을 사용하고, 전류는 5 ~ 15 ± 2A, 전압은 10 ~ 20 ± 2V으로 설정하여 수행하는 것이 바람직하다.According to the present invention, when performing the anodizing step, the electrolyte is preferably a sulfuric acid solution of 1 molar concentration or less, the current is set to 5 ~ 15 ± 2A, and the voltage is set to 10 ~ 20 ± 2V.
전해액의 농도가 1몰 동도를 초과하게 되면, 전해액 농도에 비례하여 전해액으로 사용되는 산용액에서 산소 발생과 더불어 아황산가스(SO2) 또는 염산가스(Cl2)의 발생 가능성이 커져서 코팅층에 불필요한 반응을 초래할 수 있다.When the concentration of the electrolyte exceeds 1 molar copper, the possibility of generation of sulfurous acid gas (SO 2 ) or hydrochloric acid gas (Cl 2 ) is increased along with the generation of oxygen in the acid solution used as the electrolyte in proportion to the concentration of the electrolyte, so unnecessary reaction in the coating layer may cause
또한 상기 전해액의 온도는 10 ℃ 이하의 저온 상태인 것이 바람직하다. 즉, 상기와 같은 조건에서 산화가 수행되는 경우에 두께 2㎛ 이하의 산화금속층(30)을 형성하는 것이 가능하다. In addition, it is preferable that the temperature of the electrolyte solution is a low temperature state of 10° C. or less. That is, when oxidation is performed under the above conditions, it is possible to form the
특히 상기 전해액의 온도는 10℃ 이하에서 형성된 산화금속층(30)이 색변화가 없고 기계적 강도가 우수한 장점을 갖는다. In particular, the temperature of the electrolyte has the advantage that the
상기 아노다이징 단계를 수행한 후에는, 상기의 아노다이징 단계를 통해 형성된 산화금속층(30)의 표면에 부착된 불순물 및 도금 표면의 불균일성을 해소하기 위한 후처리 단계를 수행하게 된다.After performing the anodizing step, a post-treatment step is performed to resolve impurities attached to the surface of the
상기와 같이, 아노다이징 단계에서 표면에 부착된 불순물 및 도금 표면의 불균일성은 산화금속층(30) 두께의 국부적인 편차를 유발할 수 있고, 이러한 두께의 편차를 제거하기 위하여 상기 금속도금층(20)의 표면을 450 ~ 550 ℃인 전기로에서 열처리를 하게 된다. 이를 통해 두께가 균일한 산화금속층(30)을 얻고, 또한 이물질을 함께 제거할 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다.As described above, impurities attached to the surface in the anodizing step and the non-uniformity of the plating surface may cause a local deviation in the thickness of the
즉, 상기와 같이 아노다이징 단계를 거친 양극 모재(10)는 후처리 단계로서, 먼저 60 ℃ 증류수에서 30분간 초음파 세척으로 도금 용액 등의 공정 불순물을 제거 한 후, 100 ℃에서 1시간 이상 건조하여 수분을 제거한다. 이후에 공기를 공급하면서 450 ~ 550 ℃에서 열처리하여 산화금속층(30)의 균일화 및 안정화를 수행하게 된다. That is, the
본 발명에 따르면, 상기 제 3 단계를 통해 형성되는 산화금속층(30)의 두께는 2 ㎛ 이하 인 것이 바람직하다. 즉, 상기 산화금속층(30)의 두께가 2 ㎛ 를 초과하는 경우에는 제조되는 양극의 제조 단가가 상승하여 경제성이 낮아지게 된다. According to the present invention, the thickness of the
상기와 같이 제 3 단계가 완료된 후에는 상기 제 3 단계를 통해 생성된 산화금속층(30)의 표면에 전기화학 반응을 위한 촉매층(40)을 형성하는 제 4 단계를 수행하게 된다. After the third step is completed as described above, a fourth step of forming the
상기 제 4 단계를 통해 산화금속층(30)의 표면에 촉매층(40)을 형성하는 방법은 아래와 같다.A method of forming the
즉, 본 발명에 따르면, 상기 촉매층(40)을 형성하는 촉매는 주촉매와 조촉매로 구성될 수 있고, 상기 주촉매는 백금족 금속의 염화물(chloride) 또는 질산염(nitrate)이 될 수 있다. 또한 상기 조촉매는 밸브금속의 염화물(chloride) 또는 질산염(nitrate)이 될 수 있다.That is, according to the present invention, the catalyst forming the
상기 촉매층(40)은 1종 이상의 주촉매와 1종의 조촉매로 구성될 수 있고, 1종 이상의 상기 주촉매와 1종의 상기 조촉매를 소량의 염산이 가해진 알코올 즉, 이소프로필알코올, 에탄올 또는 부탄올에 용해하여 촉매 용액을 제조한 후, 이를 상기 산화금속층(30)의 표면에 코팅하게 된다. 상기와 같이 코팅된 촉매 용액을 건조하여 주촉매와 조촉매로 구성되는 예비촉매층을 형성하게 된다. The
상기 예비촉매층을 450 ~ 500 ℃에서 15 ~ 20분 열처리하게 되면, 상기 금속 염화물 또는 금속 질산염이 금속 산화물(metal oxide) 형태로 전환된다. When the precatalyst layer is heat-treated at 450 to 500° C. for 15 to 20 minutes, the metal chloride or metal nitrate is converted into a metal oxide form.
상기와 같이 형성되는 금속 산화물을 520 ~ 550 ℃에서 30분 이상 열처리를 하여 상기 금속 산화물의 결정 구조를 안정화시킴으로서 촉매층(40)의 형성이 가능하게 된다. The
상기와 같이 형성되는 촉매층(40)의 두께는 3.5 ~ 4 ㎛인 것이 바람직하다. 즉, 상기 촉매층(40)의 두께가 상기의 범위를 벗어나는 경우에는 과다한 코팅에 의한 제조 비용 증가에 따른 경제성이 줄어드며, 산화금속으로 제조된 촉매층(40)에 의한 저항 증가에 기인하는 전기분해장치의 전압 증가로 운전 비용이 증가하게 된다.The thickness of the
상기와 같이 촉매층(40)의 형성이 완료되면, 본 발명에 따른 상기 양극 모재(10)로부터 상기 금속도금층(20)과 산화금속층(30)으로 구성되는 이중층(25)이 형성되고, 이를 통해 다량으로 발생되는 산소에 의해 촉매층(40) 등이 박리되는 것을 방지하여 내구성을 획기적으로 증가시키는 효과를 갖는 도 2와 같은 양극 활물질 복합체(100)의 제조가 완료된다.When the formation of the
상기와 같이 제조되는 양극 활물질 복합체(100)는 내구성이 향상된 양극의 제조가 가능하며, 또한 이를 이용한 인바(Invar) 박막 제조용 도금장치, 동박 제조용 도금장치, 산소 발생용 전기분해장치, 염수 전해용 전기분해장치 또는 폐수 처리용 전기분해장치 중 어느 하나의 전기화학반응 장치의 제조가 가능하게 된다.The positive electrode active material composite 100 prepared as described above can produce a positive electrode with improved durability, and also uses the same for Invar thin film production plating apparatus, copper foil production plating apparatus, oxygen generation electrolysis apparatus, salt water electrolysis electricity It becomes possible to manufacture an electrochemical reaction device of either the decomposition device or the electrolysis device for wastewater treatment.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the experimental examples shown in the drawings, which are merely exemplary, those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other experimental examples are possible therefrom. In addition, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive, and the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.
10 : 양극 모재
20 : 금속도금층
30 : 산화금속층
40 : 촉매층10: anode base material
20: metal plating layer
30: metal oxide layer
40: catalyst layer
Claims (8)
상기 양극 모재(10)의 상부 표면에 구비되는 금속도금층(20)
상기 금속도금층(20)의 상부 일정 두께를 산화하여 형성되는 산화금속층(30); 및
상기 산화금속층(30)의 상부에 구비되는 촉매층(40);을 포함하는 양극 활물질 복합체(100)
Anode Base (10)
A metal plating layer (20) provided on the upper surface of the anode base material (10)
a metal oxide layer 30 formed by oxidizing an upper portion of the metal plating layer 20 to a predetermined thickness; and
Catalyst layer 40 provided on the metal oxide layer 30; cathode active material composite 100 comprising a
상기 양극 모재(10)는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb) 그리고 지르코늄(Zr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 양극 활물질 복합체(100)
The method according to claim 1,
The positive electrode base material 10 is a positive electrode active material composite 100, characterized in that at least one selected from the group consisting of titanium (Ti), tantalum (Ta), hafnium (Hf), niobium (Nb), and zirconium (Zr)
상기 금속도금층(20)은 백금족 금속 또는 밸브금속인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 양극 활물질 복합체(100)
The method according to claim 1,
The metal plating layer 20 is a positive electrode active material composite 100, characterized in that the platinum group metal or valve metal.
상기 백금족 금속은 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 로듐(Rh) 중 어느 하나이고, 밸브 금속은 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 양극 활물질 복합체(100)
4. The method of claim 3,
The platinum group metal is any one of iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), platinum (Pt), and rhodium (Rh), and the valve metal is tantalum (Ta), titanium (Ti), or zirconium (Zr). , hafnium (Hf), positive active material composite 100, characterized in that any one of niobium (Nb)
A positive electrode manufactured using the positive electrode active material composite 100 of any one of claims 1 to 4.
An electrochemical reaction device manufactured using the anode of claim 5 .
상기 전기화학반응 장치는 인바(Invar) 박막 제조용 도금장치, 동박 제조용 도금장치, 산소 발생용 전기분해장치, 염수 전해용 전기분해장치 또는 폐수 처리용 전기분해장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기화학반응 장치
7. The method of claim 6,
The electrochemical reaction device is an electrochemical device, characterized in that any one of a plating device for producing an Invar thin film, a plating device for producing copper foil, an electrolysis device for generating oxygen, an electrolysis device for salt water electrolysis, or an electrolysis device for wastewater treatment reaction device
양극 모재(10)를 준비하는 제 1 단계;
상기 양극 모재(10)의 표면에 금속이 도금된 금속도금층(20)을 형성하는 제 2 단계;
상기 제 2 단계에서 형성된 금속도금층(20)의 표면의 일정 두께를 산화하여 산화금속층(30) 형성하는 제 3 단계; 및
상기 산화금속층(30)의 표면에 촉매층(40)을 코팅하는 제 4 단계;를 포함하는 내구성이 향상된 양극 활물질 복합체(100)의 제조방법
As a manufacturing method of the positive electrode active material composite 100 with improved durability,
A first step of preparing the positive electrode base material (10);
a second step of forming a metal plating layer 20 plated with a metal on the surface of the anode base material 10;
a third step of forming a metal oxide layer 30 by oxidizing a predetermined thickness of the surface of the metal plating layer 20 formed in the second step; and
A fourth step of coating the catalyst layer 40 on the surface of the metal oxide layer 30; a method of manufacturing a positive electrode active material composite 100 with improved durability, including a
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