KR102365020B1 - Method for Preparing Composite Materials Using Slurries Containing Reduced Graphene Oxide - Google Patents
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Abstract
본 개시 내용에서는 환원된 후에도 양호한 분산성을 유지하기 위하여 표면을 개질시킨 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 그래핀 산화물을 제조하고, 이를 함유하는 슬러리로 금속 산화물, 예를 들면 (리튬)-니켈-코발트-망간 기반 산화물(NCM)과 같이 열 안정성이 낮은 금속 산화물의 표면을 코팅 또는 캡슐화함으로써 출력 및 수명안정성이 개선된 복합 소재를 제조하는 방법, 그리고 이를 이용한 리튬 2차전지의 양극재가 기재된다.In the present disclosure, a reduced graphene oxide is prepared by reducing graphene oxide whose surface has been modified to maintain good dispersibility even after reduction, and a metal oxide, for example (lithium)-nickel-, is prepared as a slurry containing the same. A method for manufacturing a composite material with improved output and lifespan stability by coating or encapsulating the surface of a metal oxide with low thermal stability, such as cobalt-manganese-based oxide (NCM), and a cathode material for a lithium secondary battery using the same are described.
Description
본 개시 내용은 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide; rGO)을 함유하는 슬러리를 이용한 복합 소재의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시 내용은 환원된 후에도 양호한 분산성을 유지하기 위하여 표면을 개질시킨 산화 그래핀을 환원시켜 환원 그래핀 산화물을 제조하고, 이를 함유하는 슬러리로 금속 산화물, 예를 들면 (리튬)-니켈-코발트-망간 기반 산화물(NCM), 특히 니켈이 풍부한 NCM과 같이 안정성이 낮은 금속 산화물의 표면을 코팅 또는 캡슐화함으로써 복합 소재를 제조하는 방법, 그리고 출력 및 수명안정성이 개선된 리튬 2차전지의 양극재에 관한 것이다. The present disclosure relates to a method for manufacturing a composite material using a slurry containing reduced graphene oxide (rGO). Specifically, the present disclosure prepares reduced graphene oxide by reducing graphene oxide whose surface has been modified to maintain good dispersibility even after being reduced, and a metal oxide, for example (lithium)- A method for manufacturing a composite material by coating or encapsulating the surface of a nickel-cobalt-manganese based oxide (NCM), particularly a metal oxide with low stability, such as nickel-rich NCM, and a lithium secondary battery with improved output and lifespan stability It is about cathode materials.
리튬 2차전지는 높은 에너지 밀도 및 경량 특성을 갖고 있기 때문에 소형 휴대장비의 동력원으로 사용되고 있고, 최근에는 소형 가전기기 및 모바일용 전자 제품을 비롯하여 하이브리드/전기자동차(HEV/EV) 등의 동력원으로 각광받고 있다.Lithium secondary batteries are used as power sources for small portable equipment because of their high energy density and light weight characteristics. there is.
2차전지로서 리튬 이온을 이용한 리튬이온 2차전지는 소형의 모바일 기기 전원에서 중대형의 전기자동차(예를 들면, EV, HEV, 등) 및 에너지 저장 장치(ESS)의 전원으로 적용 분야가 확대되는 추세에 있다. 특히, 친환경 자동차인 전기자동차에 대한 관심은 매우 높아지고 있으며, 전 세계 주요 자동차 업체들은 친환경을 모토로 전기 자동차를 차세대 성장 기술로 인지하여 관련기술의 개발에 박차를 가하고 있다. Lithium ion secondary battery using lithium ion as a secondary battery has a tendency to expand from a small mobile device power source to a power source for mid- to large-sized electric vehicles (eg EV, HEV, etc.) and energy storage device (ESS). is in In particular, interest in electric vehicles, which are eco-friendly vehicles, is very high, and major automakers around the world are accelerating the development of related technologies by recognizing electric vehicles as the next-generation growth technology under the motto of eco-friendliness.
전기자동차와 같은 중·대형 어플리케이션에 이용되기 위해서는 고용량 리튬이온 2차전지의 개발이 필수적이다. 일반적으로, 리튬이온 2차전지의 양극(cathode)은 양극재, 도전체, 바인더 및 집전체를 포함하는 바, 특히 가역성이 우수하고, 낮은 자가 방전율, 고용량 및 고에너지 밀도를 갖는 양극재가 요구된다. 이러한 양극재로서 LiCoO2(LCO), LiMn2O4(LMO), LiFePO4(LFP), Li(NixMnyCoz)O2(x+y+z=1)(NCM), LiNiCoAlO2(NCA) 등이 알려져 있으며, 특히 니켈계 층상 구조 산화물(NCM, NCA 등)이 주로 사용되고 있다. 이중 리튬-니켈-코발트-망간 산화물(NCM)은 양극재로서 성능이 높고 안정성이 양호하여 하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV) 등의 리튬 2차전지용 양극재로 관심을 받고 있으며, 이에 대한 수요 역시 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 고품질의 NCM을 대량으로 생산하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있는 바, 니켈 : 망간 : 코발트를 1 : 1 : 1로 배합한 양극재가 주를 이루고 있다.The development of high-capacity lithium-ion secondary batteries is essential to be used in medium and large-sized applications such as electric vehicles. In general, a cathode of a lithium ion secondary battery includes a cathode material, a conductor, a binder, and a current collector. In particular, a cathode material having excellent reversibility, low self-discharge rate, high capacity, and high energy density is required. . As such a cathode material, LiCoO 2 (LCO), LiMn 2 O 4 (LMO), LiFePO 4 (LFP), Li(Ni x Mn y Co z )O 2 (x+y+z=1) (NCM), LiNiCoAlO 2 (NCA) and the like are known, and in particular, nickel-based layered oxides (NCM, NCA, etc.) are mainly used. Among them, lithium-nickel-cobalt-manganese oxide (NCM) is attracting attention as a cathode material for lithium secondary batteries such as hybrid vehicles (HEV) and electric vehicles (EV) because of its high performance and good stability as a cathode material. Demand is also constantly increasing. In particular, as research for mass production of high-quality NCMs is being actively conducted, cathode materials in which nickel:manganese:cobalt are mixed in a 1:1 ratio are mainly used.
전술한 양극 활물질인 NCM은 이를 구성하는 니켈, 코발트 및 망간 각각의 조성에 따라 다른 전기화학적 특성을 나타낸다. 예를 들면, 니켈은 용량, 코발트는 출력, 그리고 망간은 구조안정성에 기여한다. 특히, 니켈은 다양한 산화 상태를 바탕으로 활물질의 용량 발현에 기여하므로 중·대형 전기자동차에 이용하기 위하여서는 니켈의 함량을 최대한 증가시켜 고 에너지 양극 활물질 (니켈(Ni)-풍부 NCM, Ni≥80%)을 도입하는 것이 유리하다. 그러나, 전술한 바와 같이 니켈의 함량이 증가할수록 출력 및 안정성에 기여하는 코발트 및 망간의 비율이 낮아지므로 전지의 출력이나 수명 안정성이 낮아질 수 있다. The above-described positive electrode active material, NCM, exhibits different electrochemical properties depending on the composition of each of nickel, cobalt, and manganese constituting the same. For example, nickel contributes to capacity, cobalt to output, and manganese to structural stability. In particular, nickel contributes to the capacity expression of active materials based on various oxidation states, so for use in medium and large electric vehicles, the content of nickel is increased as much as possible and high-energy positive electrode active materials (nickel (Ni)-rich NCM, Ni≥80 %) is advantageous. However, as described above, as the content of nickel increases, the ratio of cobalt and manganese, which contributes to output and stability, decreases, and thus the output or lifespan stability of the battery may decrease.
상술한 단점을 보완하기 위하여, 활물질에 다양한 물질을 표면 코팅하거나 도핑하는 방안이 제시되고 있다. 이중 탄소(그래핀) 코팅을 형성하는 방법이 알려져 있는데, 출력 및 수명 안정성을 동시에 개선하면서 그래핀의 층상 2차원 구조로 인하여 다양한 형태의 입자들과 용이하게 복합화할 수 있다. In order to compensate for the above-mentioned disadvantages, a method of surface coating or doping various materials on the active material has been proposed. A method of forming a double carbon (graphene) coating is known, and it can be easily combined with various types of particles due to the layered two-dimensional structure of graphene while simultaneously improving output and lifespan stability.
이와 관련하여, 활물질 입자의 표면에 탄소(그래핀) 코팅을 하는 방법들은 일반적으로 수계 용액 공정 및 비활성 가스 환경에서의 고온 처리가 필수적이다. 그러나, 니켈(Ni)이 풍부한 NCM(특히, Ni : Co : Mn의 몰 비가 8 : 1 : 1인 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811))은 열 안정성이 낮을 뿐만 아니라, 수계 매질에서는 표면의 리튬 합성 잔여물과 같은 불순물이 용매와 반응하여 전기화학적으로 비활성인 물질을 표면에 남기거나 수소 이온과 리튬 이온 간의 교환이 일어나기 때문에 탄소 코팅을 적용하기 곤란할 수 있다. 더욱이, 고온 처리 조건 하에서, 그래핀뿐만 아니라, 금속 산화물도 환원되는데, 이를 회피하기 위하여 비교적 저온에서 열 처리할 경우에는 그래핀의 sp2 구조를 충분히 확보할 수 없는 등의 부가적인 문제점도 유발된다. In this regard, methods for coating carbon (graphene) on the surface of active material particles generally require an aqueous solution process and high-temperature treatment in an inert gas environment. However, nickel (Ni)-rich NCMs (especially LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811) with a molar ratio of Ni:Co:Mn of 8:1:1) have poor thermal stability, and surface It can be difficult to apply a carbon coating because impurities such as residues of lithium synthesis from the solvent react with the solvent to leave an electrochemically inactive material on the surface or because an exchange between hydrogen ions and lithium ions occurs. Moreover, under high-temperature treatment conditions, not only graphene but also metal oxides are reduced. In order to avoid this, when heat treatment is performed at a relatively low temperature, additional problems such as not being able to sufficiently secure the sp 2 structure of graphene are also induced. .
따라서, 니켈(Ni)-풍부 NCM과 같이 안정성(특히, 열 안정성)이 낮고, 또한 수분에 대한 민감성이 큰 금속 산화물에 탄소질 코팅을 효과적으로 적용하기 위한 방법이 요구된다.Therefore, there is a need for a method for effectively applying a carbonaceous coating to a metal oxide having low stability (particularly, thermal stability) and high moisture sensitivity, such as nickel (Ni)-rich NCM.
본 개시 내용의 일 구체예에서는 안정성이 낮은 금속 산화물에 양호한 성상의 탄소-함유 코팅층(구체적으로, 3차원 구조의 탄소-함유 네트워크 캡슐화 층)이 형성된 복합 소재 및 이를 제조하는 방안을 제공하고자 한다.In one embodiment of the present disclosure, a composite material in which a carbon-containing coating layer having good properties (specifically, a carbon-containing network encapsulation layer having a three-dimensional structure) is formed on a metal oxide having low stability and a method for manufacturing the same.
본 개시 내용의 다른 구체예에서는 상술한 복합 소재를 포함하는 양극 소재를 제공하고자 한다.Another embodiment of the present disclosure is to provide a positive electrode material including the above-described composite material.
본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to the first aspect of the present disclosure,
a) 그래핀 산화물 내 에폭시기를 개환시키면서 탄소 원자와 결합하여 수계 매질 내에서 그래핀 산화물의 표면이 음(-)의 전하를 띄도록 하는 아미노기-함유 화합물을 이용하여 그래핀 산화물을 표면 개질하는 단계;a) surface-modifying the graphene oxide using an amino group-containing compound that bonds with carbon atoms while ring-opening the epoxy group in the graphene oxide so that the surface of the graphene oxide has a negative (-) charge in an aqueous medium ;
b) 상기 표면 개질된 그래핀 산화물을 환원 처리하여 환원 그래핀 산화물(rGO)을 형성하는 단계;b) reducing the surface-modified graphene oxide to form reduced graphene oxide (rGO);
c) 액상 매질 내에 상기 환원 그래핀 산화물 및 도전성 나노입자를 함유하는 제1 분산물을 제조하는 단계;c) preparing a first dispersion containing the reduced graphene oxide and conductive nanoparticles in a liquid medium;
d) 상기 제1 분산물을 농축하여 슬러리 형태의 제2 분산물을 형성하는 단계;d) concentrating the first dispersion to form a second dispersion in the form of a slurry;
e) 상기 제2 분산물 및 금속 산화물 입자를 조합하여 제3 분산물을 형성하는 단계; 및e) combining the second dispersion and the metal oxide particles to form a third dispersion; and
f) 상기 제3 분산물로부터 액상 매질을 제거하는 단계;f) removing the liquid medium from the third dispersion;
를 포함하는 복합 소재의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for manufacturing a composite material comprising a.
예시적 구체예에 따르면, 상기 아미노기-함유 화합물은 하기 일반식 1 및 2로 표시되는 화합물로부터 선택되는 적어도 하나 또는 이의 염일 수 있다: According to an exemplary embodiment, the amino group-containing compound may be at least one selected from compounds represented by the following
[일반식 1][General formula 1]
NH2-R1-SO3HNH 2 -R 1 -SO 3 H
[일반식 2][General formula 2]
NH2-R2-PO3H2 NH 2 -R 2 -PO 3 H 2
상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 탄소수 1 내지 12(구체적으로 탄소수 1 내지 6)의 알킬렌기, 방향족 고리가 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 6 내지 18(구체적으로 탄소수 6 내지 12)의 아릴렌기(여기서, 치환기는 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 수산화기, 케톤기, 카르복시기, 또는 할로겐기임)일 수 있다.In the above formula, R 1 and R 2 are independently an alkylene group having 1 to 12 carbon atoms (specifically, 1 to 6 carbon atoms), an arylene group having 6 to 18 carbon atoms (specifically 6 to 12 carbon atoms) with or without an aromatic ring substituted. (Here, the substituent may be an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a hydroxyl group, a ketone group, a carboxy group, or a halogen group).
예시적 구체예에 따르면, 금속 산화물은 니켈-코발트-망간계 산화물(NCM)일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the metal oxide may be a nickel-cobalt-manganese oxide (NCM).
예시적 구체예에 따르면, 금속 산화물은 하기 일반식 3으로 표시될 수 있다:According to an exemplary embodiment, the metal oxide may be represented by the following general formula 3:
[일반식 3][General Formula 3]
Li(NixCoyMnz)O2 Li(Ni x Co y Mn z )O 2
상기 식에서 x는 0.3 내지 0.95, y는 0.025 내지 0.35, 및 z는 0.025 내지 0.35, 그리고 x+y+z=1이다.In the above formula, x is 0.3 to 0.95, y is 0.025 to 0.35, and z is 0.025 to 0.35, and x+y+z=1.
본 개시 내용의 제2 면에 따르면, According to a second aspect of the present disclosure,
금속 산화물 입자; 및metal oxide particles; and
상기 금속 산화물 입자 상에 형성되고, 환원 그래핀 산화물 및 도전성 나노입자를 포함하는 캡슐화 층;an encapsulation layer formed on the metal oxide particles and including reduced graphene oxide and conductive nanoparticles;
을 포함하는 복합 소재로서,As a composite material comprising:
상기 복합 소재 중량을 기준으로, 탄소 성분의 함량은 0.5 내지 10 중량% 범위이고,Based on the weight of the composite material, the content of the carbon component is in the range of 0.5 to 10% by weight,
상기 캡슐화 층은 15 내지 40 nm의 두께를 갖고, 캡슐화 층의 중량을 기준으로, 환원 그래핀 산화물 30 내지 70 중량% 및 도전성 나노입자 70 내지 30 중량%를 포함하며, 그리고the encapsulation layer has a thickness of 15 to 40 nm, and comprises 30 to 70% by weight of reduced graphene oxide and 70 to 30% by weight of conductive nanoparticles, based on the weight of the encapsulation layer, and
상기 복합 소재는 1 내지 50 ㎡/g 범위의 비표면적(BET) 및 0.005 내지 1 ㎤/g 범위의 포어 체적을 갖는 복합 소재가 제공된다.The composite material is provided with a specific surface area (BET) in the range of 1 to 50
본 개시 내용의 제3 면에 따르면, 전술한 복합 소재를 포함하는 2차전지용 양극재가 제공된다.According to a third aspect of the present disclosure, there is provided a cathode material for a secondary battery including the above-described composite material.
본 개시 내용의 구체예에 따라, 그래핀 산화물에 함유된 에폭시기를 개환시키면서 탄소 원자와 결합하도록 하고, 수계 매질 내에서 음의 전하를 띄도록 하는 아미노기-함유 화합물로 그래핀 산화물을 표면 개질하여 후속 환원 처리 후에도 음의 전하를 유지할 수 있기 때문에 전기적 척력을 이용한 분산 효과를 증가시켜 통상의 환원 그래핀 산화물(rGO)이 갖는 난분산성에 따른 문제점을 해결할 수 있는 슬러리를 제조할 수 있고, 이를 NCM(구체적으로 니켈-풍부 NCM)과 같은 금속 산화물 상에 온화한 조건 하에서 신속하게 균일한 탄소-함유 코팅을 형성할 수 있다. 특히, 금속 산화물 표면 상에 도전성의 3차원 탄소 네트워크 층을 형성할 수 있기 때문에 전자 및 이온의 수송을 촉진하고, 금속 산화물의 탈극성화(depolarization)를 강화함으로써 높은 율속(rate)으로 안정적인 전기화학적 반응을 달성할 수 있다. 더욱이, 환원 그래핀 산화물과 도전성 나노입자를 조합함으로써 후속 건조 과정에서 시트 형태의 환원 그래핀 산화물이 다시 포개지는 리스태킹(restacking) 현상 및 응집 현상으로부터 기인하는 불완전한 코팅에 의하여 리튬 이온의 이동이 방해되는 현상을 억제할 수 있다. 이외에도, 3차원 탄소 네트워크 층으로 인하여 금속 산화물 내 미세-크랙에 의한 전기적 분리 현상, 비가역적 상 전이 및 충방전 과정에서 일어날 수 있는 전해질과의 부반응을 억제할 수 있다. According to an embodiment of the present disclosure, the graphene oxide is surface-modified with an amino group-containing compound that allows the epoxy group contained in the graphene oxide to bond with a carbon atom while ring-opening and to have a negative charge in an aqueous medium. Since the negative charge can be maintained even after the reduction treatment, it is possible to prepare a slurry that can solve the problem of difficult dispersibility of conventional reduced graphene oxide (rGO) by increasing the dispersion effect using electrical repulsion, and Specifically, it is possible to quickly form a uniform carbon-containing coating on a metal oxide such as nickel-rich NCM) under mild conditions. In particular, since a conductive three-dimensional carbon network layer can be formed on the surface of the metal oxide, it promotes the transport of electrons and ions and enhances the depolarization of the metal oxide, thereby providing stable electrochemical properties at a high rate. reaction can be achieved. Furthermore, by combining the reduced graphene oxide with conductive nanoparticles, the movement of lithium ions is hindered by incomplete coating resulting from the stacking and aggregation phenomena in which the reduced graphene oxide in the form of a sheet is overlapped again in the subsequent drying process. phenomenon can be suppressed. In addition, due to the three-dimensional carbon network layer, it is possible to suppress the electrical separation phenomenon due to micro-cracks in the metal oxide, the irreversible phase transition, and the side reaction with the electrolyte that may occur during the charge/discharge process.
그 결과, 본 개시 내용의 구체예에 따라 탄소-함유 코팅층 또는 캡슐화 층이 적용된 금속 산화물, 특히 NCM 기반의 금속 산화물 복합 소재를 2차전지, 구체적으로 리튬 2차전지용 양극재로 사용되어 출력 및 수명 안정성을 개선할 수 있고, 전기자동차용 배터리, 에너지 저장장치 등에 효과적으로 적용할 수 있다.As a result, according to an embodiment of the present disclosure, a metal oxide, in particular, an NCM-based metal oxide composite material to which a carbon-containing coating layer or an encapsulation layer is applied is used as a cathode material for a secondary battery, specifically a lithium secondary battery, so that the output and lifespan It can improve stability and can be effectively applied to batteries for electric vehicles and energy storage devices.
도 1은 실시예에 따라 금속 산화물(NCM811)에 3차원 구조의 탄소 네트워크로 캡슐화된(encapsulated) 복합 소재의 합성 과정 및 구조를 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 2는 실시예에서 합성된 AHNS-rGO의 분산 정도를 확인하기 위한 사진이고;
도 3은, 실시예에서 제조된 BNCM 및 GCNCM에 대한 XRD 패턴(a), 라만 스펙트럼(b), 그리고 XPS C 1s (c), Ni 2p (d), Co 2p (e), 및 Mn 2p (f) 스펙트럼이고;
도 4a는 GO 및 AHNS-rGO의 라만 스펙트럼이고;
도 4b는 GO 및 AHNS-rGO의 XPS C 1s 스펙트럼이고;
도 5는 BNCM, GNCM, 및 GCNCM의 TGA 플롯 (a), 전도도 (b), 흡-탈착 등온선 (c), 그리고 포어 사이즈 분포 (d)이고;
도 6은 BNCM (a,b), GNCM(c,d) 및 GCNCM (e,f)의 SEM 사진, 그리고 BNCM (g), GNCM (h) 및 GCNCM (i)의 TEM 사진이고;
도 7은, BNCM, GNCM, 및 GCNCM 전극에 대한 CV 곡선 (a), 0.1 C에서 초기 충-방전 프로파일 (b), 율속 성능 (c), 사이클 안정성 (d), 1 C에서 1 사이클 후의 EIS 스펙트럼 (e), 및 1 C에서 100 사이클 후의 EIS 스펙트럼이고(삽입 도면은 EIS 데이터 피팅을 위한 등가 회로임),
도 8은 0.1 내지 1 mV/s 범위의 주사 속도에서, BNCM (a), GNCM (b) 및 GCNCM (c) 전극의 CV 곡선이고;
도 9는 0.1 내지 10 C 범위의 C-속도(rate)에서, BNCM (a), GNCM (b) 및 GCNCM (c) 전극의 방전 프로파일이고;
도 10은 100 사이클 후, BNCM (a,b) 및 GCNCM (c,d)의 SEM 사진이고, 그리고 100 사이클 후, BNCM (e) 및 GCNCM (f)의 TEM 사진이고(삽입 도면은 표면으로부터 벌크 상으로의 격자 변형을 보여주는 FFT 사진임);
도 11은 100 사이클 후, BNCM 및 GCNCM 전극의 XPS Ni 2p (a,b), F 1s (c,d) 및 C 1s (e,f) 스펙트럼이고; 그리고
도 12는 3차원 구조의 탄소 네트워크 캡슐화 층의 전기화학적 효과를 개략적으로 보여주는 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating a synthesis process and structure of a composite material encapsulated with a carbon network of a three-dimensional structure in a metal oxide (NCM811) according to an embodiment;
2 is a photograph for confirming the degree of dispersion of AHNS-rGO synthesized in Examples;
3 is an XRD pattern (a), Raman spectrum (b), and
Figure 4a is the Raman spectra of GO and AHNS-rGO;
Figure 4b is the
5 is a TGA plot (a), conductivity (b), adsorption-desorption isotherm (c), and pore size distribution (d) of BNCM, GNCM, and GCNCM;
6 is an SEM picture of BNCM (a,b), GNCM (c,d) and GCNCM (e,f), and a TEM picture of BNCM (g), GNCM (h) and GCNCM (i);
7 shows CV curves for BNCM, GNCM, and GCNCM electrodes (a), initial charge-discharge profile at 0.1 C (b), rate performance (c), cycle stability (d), EIS after 1 cycle at 1 C. Spectrum (e), and EIS spectrum after 100 cycles at 1 C (inset is the equivalent circuit for EIS data fitting),
8 is a CV curve of BNCM (a), GNCM (b) and GCNCM (c) electrodes at scan rates ranging from 0.1 to 1 mV/s;
9 is a discharge profile of BNCM (a), GNCM (b) and GCNCM (c) electrodes at C-rates in the range of 0.1 to 10 C;
10 is a SEM picture of BNCM (a,b) and GCNCM (c,d) after 100 cycles, and a TEM picture of BNCM (e) and GCNCM (f) after 100 cycles (inset is bulk from the surface). FFT picture showing lattice transformation into phase);
11 is
12 is a diagram schematically showing the electrochemical effect of a carbon network encapsulation layer of a three-dimensional structure.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. It is to be understood that the following description describes preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are provided to aid understanding, and the present invention is not limited thereto, and details regarding individual configurations may be properly understood by the specific purpose of the related description to be described later.
"환원 그래핀 산화물(rGO)"는 그래핀과 유사한 구조를 갖는 물질로서 높은 비표면적, 박막 및 도전성을 나타낼 수 있다. 전형적으로, 그래핀 산화물은 절연 특성을 갖게 되는 바, 시트 저항은 1012 Ω/sq 이상을 나타낸다. 그러나, 그래핀 산화물이 환원될 경우, rGO의 시트 저항은 현저히 감소하여 도전체 또는 반도체로 전환될 수 있다."Reduced graphene oxide (rGO)" is a material having a structure similar to graphene, and may exhibit high specific surface area, thin film and conductivity. Typically, graphene oxide has insulating properties, and the sheet resistance exhibits 10 12 Ω/sq or more. However, when graphene oxide is reduced, the sheet resistance of rGO is significantly reduced and can be converted into a conductor or semiconductor.
"탄소 나노튜브(CNT)"는 순수하게 sp2-결합된 6각형의 탄소 네트워크가 나노 사이즈 직경을 갖는 관형 또는 실린더형 구조로 롤링된(말려 있는) 1차원의 나노구조물을 의미할 수 있는 바, 벽을 이루고 있는 결합 수 또는 그라파이트 층(하니컴 결정 격자 구조를 갖는 sp2-결합된 탄소 원자의 단일 원자 두께의 평판 시트)의 개수에 따라 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT). 2중벽 탄소 나노튜브(DWCNT), 다중 벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 등으로 구분된다. 특히, SWCNT는 대략 1 nm 수준의 직경을 갖고, 직경 대비 현저히 높은 비율(예를 들면 132,000,000배)의 길이를 가질 수 있으며, DWCNT는 대략 5 내지 10 nm 수준의 직경을 갖고 있고, 보다 큰 나노튜브 내부에 하나의 동심 SWCNT를 함유할 수 있고, 그리고 MWCNT는 보다 큰 외측 나노튜브 내부에 2 이상의 동심 CNT를 포함할 수 있다. CNT는 통상적으로 아크 공정(아크 방전), 레이저 애블레이션(ablation), CVD(Chemical Vapor Deposition), CCVD(Catalytic Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 통하여 제조될 수 있다."Carbon nanotube (CNT)" may mean a one-dimensional nanostructure in which a purely sp 2 -bonded hexagonal carbon network is rolled (rolled) into a tubular or cylindrical structure having a nano size diameter. , single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), depending on the number of bonds making up the walls or the number of graphite layers (single atom thick flat sheets of sp 2 -bonded carbon atoms with a honeycomb crystal lattice structure). It is divided into double-walled carbon nanotubes (DWCNT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). In particular, SWCNTs have a diameter of about 1 nm, and can have a length of a significantly higher ratio (for example, 132,000,000 times) to the diameter, and DWCNTs have a diameter of about 5 to 10 nm, and larger nanotubes. It may contain one concentric SWCNT inside, and the MWCNT may contain two or more concentric CNTs inside the larger outer nanotube. CNTs can be prepared through a conventional arc process (arc discharge), laser ablation (ablation), CVD (Chemical Vapor Deposition), CCVD (Catalytic Chemical Vapor Deposition), such as methods.
"캡슐화(encapsulation)"은 특정 물질 내에 대상을 트래핑하기 위한 물리화학적 또는 기계적 프로세스를 의미할 수 있으며, 이때 코어 물질은 코팅 또는 셀에 의하여 둘러싸인 형태를 가질 수 있다. 본 명세서에 있어서, "캡슐화" 및 "코팅"은 기재 취지에 비추어 상호 동등한 표현으로 이해될 수 있다. "Encapsulation" may refer to a physicochemical or mechanical process for trapping an object within a particular material, wherein the core material may have a form surrounded by a coating or cell. In the present specification, "encapsulation" and "coating" may be understood as mutually equivalent expressions in light of the purpose of the description.
또한, 본 명세서에서 "복합체" 또는 "복합 소재"는 2종 이상의 개별 성분이 상이한 비율로 혼합되어 개별 성분과는 상이한 특성을 갖는 최종 물질을 형성할 수 있는 조합물을 의미할 수 있다. Also, as used herein, "composite" or "composite material" may refer to a combination in which two or more individual components are mixed in different proportions to form a final material having properties different from those of the individual components.
"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다. It may be understood that the expressions “on” and “on” are used to refer to the concept of relative position. Accordingly, not only the case where other components or layers are directly present in the mentioned layers, but also other layers (intermediate layers) or components may be interposed or present therebetween. Similarly, the expressions “under”, “under” and “below” and “between” may also be understood as relative concepts with respect to location. Also, the expression “sequentially” may be understood as a concept of relative position.
본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In the present specification, when a component is "included", it means that other components and/or steps may be further included, unless otherwise specified.
전체적인 개시 내용Full disclosure
본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO)의 제조 과정 중 표면 처리를 통하여 특정 기능기(또는 관능기)를 부여함으로써 환원 그래핀 산화물이 액상 매질(예를 들면 무수 알코올, 구체적으로 무수 에탄올) 내에서 양호하게 분산된 슬러리를 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 환원 그래핀 산화물-함유 슬러리를 이용하여 금속 산화물, 특히 낮은 안정성을 갖는 니켈(Ni)-풍부 NCM과 같은 양극 활물질 상에 균일하게 코팅 또는 캡슐화(encapsulation)할 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, reduced graphene oxide is converted into a liquid medium (for example, by giving a specific functional group (or functional group) through surface treatment during the production process of reduced graphene oxide (rGO)) A slurry well dispersed in absolute alcohol, specifically absolute ethanol) can be prepared. Using the reduced graphene oxide-containing slurry prepared as described above, it can be uniformly coated or encapsulated on a metal oxide, particularly a cathode active material such as nickel (Ni)-rich NCM having low stability.
주목할 점은 환원 그래핀 산화물-함유 슬러리로 금속 산화물을 코팅하는 과정 중 금속 산화물의 표면이 액상 매질과 반응하지 않고, 또한 비교적 낮은 온도에서 단시간에 걸쳐 액상 매질을 제거(또는 증발)시킬 수 있기 때문에 열 안정성이 낮은 니켈-풍부 NCM과 같은 금속 산화물이 변질되지 않으면서 금속 산화물 입자 표면에 전도도가 높은 환원 그래핀 산화물을 코팅할 수 있다는 것이다. 특히, 환원 그래핀 산화물 슬러리에 NCM과 같은 금속 산화물 입자를 접촉시킬 경우, 금속 산화물 및 환원 그래핀 산화물의 표면이 모두 (-) 전하를 나타내어 상호 간 전기적 척력에 의하여 슬러리 내 입자들의 분산력이 향상됨으로써 보다 균일한 코팅 또는 캡슐화를 구현할 수 있다. It should be noted that during the process of coating the metal oxide with the reduced graphene oxide-containing slurry, the surface of the metal oxide does not react with the liquid medium, and the liquid medium can be removed (or evaporated) over a short time at a relatively low temperature. It is possible to coat reduced graphene oxide with high conductivity on the surface of metal oxide particles without changing metal oxides such as nickel-rich NCM with low thermal stability. In particular, when metal oxide particles such as NCM are brought into contact with the reduced graphene oxide slurry, the surfaces of the metal oxide and the reduced graphene oxide both show negative charges, so that the dispersion power of the particles in the slurry is improved by mutual electrical repulsion. A more uniform coating or encapsulation can be implemented.
본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 환원 그래핀 산화물 슬러리는 도전성 나노입자를 더 함유하는 바, 이러한 도전성 나노입자는 그래핀 시트가 리스태킹되는 것을 억제하여 시트 간 간격을 유지하도록 함으로써 리튬 이온이 용이하게 이동할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 특정 성분으로 기능화된 환원 그래핀이 갖는 2차원의 시트 구조에 있어서, 도전성 나노입자를 기능화된 환원 그래핀 시트 사이에 삽입함으로써, 리튬 이온이 높은 자유도로 이동할 수 있는 3차원 구조의 네트워크로 전환될 수 있고, 그 결과 보다 높은 전도도를 갖는 탄소-함유 네트워크를 형성할 수 있다(즉, 탄소질 네트워크의 전도도가 도전성 나노입자의 첨가를 통하여 추가적으로 개선될 수 있음).According to one embodiment of the present disclosure, the reduced graphene oxide slurry further contains conductive nanoparticles, and these conductive nanoparticles inhibit the restacking of the graphene sheets to maintain a gap between the sheets, so that lithium ions are can be moved easily. That is, in the two-dimensional sheet structure of reduced graphene functionalized with a specific component as described above, by inserting conductive nanoparticles between the functionalized reduced graphene sheets, lithium ions can move with a high degree of freedom. can be converted into a network of structures, resulting in the formation of a carbon-containing network with higher conductivity (ie, the conductivity of the carbonaceous network can be further improved through the addition of conductive nanoparticles).
이는 탄소질 코팅층을 도입하지 않은 금속 산화물, 특히 니켈-풍부 NCM과 같은 금속 산화물과 대비하면, 율속 특성(rate capability) 및 사이클 안정성을 현저히 개선할 수 있다.This can significantly improve the rate capability and cycle stability compared to a metal oxide without introducing a carbonaceous coating layer, particularly a metal oxide such as nickel-rich NCM.
이하에서는 일 구체예에 따른 복합 소재의 제조방법을 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a composite material according to an embodiment will be described in detail.
A. 그래핀 산화물(GO)의 표면 개질A. Surface modification of graphene oxide (GO)
일 구체예에 따르면, 그래핀 산화물(GO)은 하기 구조식 1과 같이 산소-함유 기능기(예를 들면, 에폭시 또는 히드록시기)로 기능화된 그래핀, 구체적으로 단일층 그래파이트 산화물(C-O 공유 결합을 도입함으로써 그래핀으로부터 유도된 2차원 물질)을 의미할 수 있다. According to one embodiment, graphene oxide (GO) is graphene functionalized with an oxygen-containing functional group (eg, epoxy or hydroxyl group) as shown in the following
[구조식 1][Structural Formula 1]
상기 구조식에 나타낸 바와 같이, 그래핀 산화물의 경우, 그래핀의 엣지(edge) 부위에 카르보닐기 및 카르복시기가 존재하여 극성 표면 특성을 나타낼 수 있고, 또한 에폭시기를 통하여 그래핀 시트 내 탄소가 연결되어 있다. 예를 들면, 카르복시기의 존재로 인하여 친수성을 나타내어 물에 용이하게 분산되어 콜로이드 용액을 형성할 수 있다. 이처럼, 그래핀 산화물은 그래핀계 격자 및 다양한 산소-함유 기능기의 존재로 인하여 그래핀 산화물 표면의 작용기는 다양한 활성종을 고정하기 위한 앵커 사이트로 작용할 수 있고, 조절 가능한 전자적 특성을 갖게 된다.As shown in the structural formula, in the case of graphene oxide, a carbonyl group and a carboxy group exist at the edge of graphene to exhibit polar surface properties, and carbon in the graphene sheet is connected through an epoxy group. For example, due to the presence of a carboxyl group, it exhibits hydrophilicity and is easily dispersed in water to form a colloidal solution. As such, due to the presence of graphene-based lattice and various oxygen-containing functional groups in graphene oxide, functional groups on the surface of graphene oxide can act as anchor sites for fixing various active species, and have tunable electronic properties.
이와 관련하여, 그래핀 산화물은 당업계에서 알려진 방법에 따라 제조될 수 있다. 이러한 방법의 예로서 Brodie 방법, Staudenmaier 방법, Hummer 방법 등이 알려져 있는 바, 보다 전형적으로는 개량된 Hummer 방법을 적용할 수 있다. Hummer 방법의 경우, 예를 들면 산화제인 포타슘 퍼망가네이트(KMnO4) 3중량 당량 및 소디움 니트레이트 0.5 중량 당량을 사용하여, 강산(질산 또는 질산/황산)의 존재 하에서 그라파이트(구체적으로 플레이트 형태) 1 중량 당량을 그래핀 산화물로 전환시킬 수 있다. In this regard, graphene oxide may be prepared according to a method known in the art. As examples of such a method, the Brodie method, Staudenmaier method, Hummer method, etc. are known, and more typically, the improved Hummer method can be applied. In the case of the Hummer method, graphite (specifically in plate form) in the presence of a strong acid (nitric acid or nitric acid/sulfuric acid) using, for example, 3 weight equivalents of the oxidizing agent potassium permanganate (KMnO 4 ) and 0.5 weight equivalents of sodium nitrate One weight equivalent can be converted to graphene oxide.
예시적 구체예에 따르면, 그래핀 산화물의 사이즈는, 예를 들면 약 100 nm 내지 10 ㎛, 구체적으로 약 200 nm 내지 5 ㎛, 보다 구체적으로 약 400 nm 내지 1㎛ 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the size of the graphene oxide may be, for example, about 100 nm to 10 μm, specifically about 200 nm to 5 μm, and more specifically about 400 nm to 1 μm.
예시적 구체예에 있어서, 상술한 바와 같이 제조된 그래핀 산화물을, 예를 들면 약 0.5 내지 8 mg/ml, 구체적으로 약 0.5 내지 5 mg/ml, 보다 구체적으로 약 1 내지 3 mg/ml의 농도의 수계 분산물로 제조할 수 있다. 균일한 분산물 제조를 위하여, 예시적으로 초음파 분쇄, 호모게나이저 등과 같이 공지된 분쇄 및/또는 균일화 수단을 이용할 수 있다. In an exemplary embodiment, the graphene oxide prepared as described above is, for example, about 0.5 to 8 mg/ml, specifically about 0.5 to 5 mg/ml, more specifically about 1 to 3 mg/ml It can be prepared as an aqueous dispersion of concentrations. In order to prepare a uniform dispersion, a known grinding and/or homogenizing means may be used, for example, ultrasonic grinding, a homogenizer, or the like.
이와 같이 제조된 그래핀 산화물 분산물에 대하여 후속 환원에 의하여 얻어진 환원 그래핀 산화물(rGO) 내 카르복시기 등이 환원되더라도 양호한 분산성을 얻도록 특정 화합물, 즉 아미노기를 이용하여 그래핀 산화물 내 에폭시기를 개환시키면서 탄소 원자와 결합한 결과, 수계 매질 내에서 그래핀 산화물의 표면이 음(-)의 전하(charge)를 띄도록 하는 아미노기-함유 화합물을 이용하여 표면 개질을 수행한다. 에폭시기의 개환 반응은 하기 예시되는 반응식 1과 같이 수행될 수 있다.With respect to the graphene oxide dispersion prepared in this way, even if the carboxyl group in the reduced graphene oxide (rGO) obtained by subsequent reduction is reduced, a specific compound, that is, an amino group, is used to open the epoxy group in the graphene oxide to obtain good dispersibility. As a result of bonding with carbon atoms, surface modification is performed using an amino group-containing compound that allows the surface of graphene oxide to have a negative (-) charge in an aqueous medium. The ring-opening reaction of the epoxy group may be performed as in
[반응식 1][Scheme 1]
예시적 구체예에 따르면, 표면 개질용 화합물은 하기 일반식 1 및/또는 일반식 2로 표시되는 화합물(구체적으로 단분자 화합물)로부터 선택되는 적어도 하나 또는 이의 염(예를 들면, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 등의 염)일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the compound for surface modification is at least one selected from compounds represented by the following
[일반식 1][General formula 1]
NH2-R1-SO3HNH 2 -R 1 -SO 3 H
[일반식 2][General formula 2]
NH2-R2-PO3H2 NH 2 -R 2 -PO 3 H 2
상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 탄소수 1 내지 12(구체적으로 탄소수 1 내지 6)의 알킬렌기, 방향족 고리가 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 6 내지 18(구체적으로 탄소수 6 내지 12)의 아릴렌기(여기서, 치환기는 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 수산화기, 케톤기, 카르복시기, 또는 할로겐기임)일 수 있다.In the above formula, R 1 and R 2 are independently an alkylene group having 1 to 12 carbon atoms (specifically, 1 to 6 carbon atoms), an arylene group having 6 to 18 carbon atoms (specifically 6 to 12 carbon atoms) with or without an aromatic ring substituted. (Here, the substituent may be an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a hydroxyl group, a ketone group, a carboxy group, or a halogen group).
전술한 아미노기-함유 화합물의 대표적인 예는 아미노메탄설폰산(Aminomethanesulfonic acid), 2-아미노에탄설폰산(2-aminoethanesulfonic acid), 3-아미노-1-프로판설폰산(3-amino-1-propanesulfonic acid), 설파닐산(sulfanilic acid), 6-아미노-4-히드록시-2-나프탈렌설폰산(6-amino-4-hydroxy-2-naphthalenesulfonic acid), 4-아미노-3-히드록시-1-나프탈렌설폰산(4-amino-3-hydroxy-1-naphthalenesulfonic acid), 4-아미노-3-메틸벤젠설폰산(4-amino-3-methylbenzenesulfonic acid), 소디움 5-아미노-9,10-디하이드로안트라센-1-설포네이트(sodium 5-amino-9,10-dihydroanthracene-1-sulfonate), (4-아미노페닐)포스폰산((4-aminophenyl)phosphonic acid), 아미노메틸포스폰산 ((Aminomethyl)phosphonic acid), 3-아미노프로필포스폰산(3-aminopropylphosphonic acid), 4-아미노부틸포스폰산((4-aminobutyl)phosphonic acid), L-2-아미노-4-포스포노부티르산 (L-2-amino-4-phosphonobutyric acid), 모노소디움 4-아미노-1-히드록시-1-포스포노부틸포스포네이트 트리히드레이트 (Monosodium (4-Amino-1-hydroxy-1-phosphonobutyl)phosphonate Trihydrate) 등일 수 있으며, 이중 1 또는 2 이상 조합하여 사용할 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 아미노기-함유 화합물은 6-아미노-4-히드록시-2-나프탈렌설폰산(AHNS)일 수 있다.Representative examples of the above-described amino group-containing compound include aminomethanesulfonic acid, 2-aminoethanesulfonic acid, 3-amino-1-propanesulfonic acid, and 3-amino-1-propanesulfonic acid. ), sulfanilic acid, 6-amino-4-hydroxy-2-naphthalenesulfonic acid, 4-amino-3-hydroxy-1-naphthalene Sulfonic acid (4-amino-3-hydroxy-1-naphthalenesulfonic acid), 4-amino-3-methylbenzenesulfonic acid (4-amino-3-methylbenzenesulfonic acid), sodium 5-amino-9,10-dihydroanthracene -1-sulfonate (sodium 5-amino-9,10-dihydroanthracene-1-sulfonate), (4-aminophenyl)phosphonic acid ((4-aminophenyl)phosphonic acid), aminomethylphosphonic acid ((Aminomethyl)phosphonic acid ), 3-aminopropylphosphonic acid, 4-aminobutylphosphonic acid ((4-aminobutyl)phosphonic acid), L-2-amino-4-phosphonobutyric acid (L-2-amino-4) -phosphonobutyric acid), monosodium 4-amino-1-hydroxy-1-phosphonobutylphosphonate trihydrate (Monosodium (4-Amino-1-hydroxy-1-phosphonobutyl)phosphonate Trihydrate), and the like, One or two or more may be used in combination. According to a specific embodiment, the amino group-containing compound may be 6-amino-4-hydroxy-2-naphthalenesulfonic acid (AHNS).
일 예로서, 표면 개질용 아미노기-함유 화합물은 수용액 형태로 제공되고, 이를 그래핀 산화물의 수계 분산물과 조합할 수 있다. 이때, 아미노기-함유 화합물의 수용액의 농도는, 예를 들면 약 5 내지 30 중량%, 구체적으로 약 10 내지 25 중량%, 보다 구체적으로 약 15 내지 20 중량% 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. 또한, 아미노기-함유 화합물의 수용액은 아미노기-함유 화합물의 용해도를 높이기 위하여 염기성(또는 알칼리성) 수용액 형태로 제공할 수 있는 바, 이때 첨가되는 염기는 암모니아(또는 수산화암모늄), 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 이의 조합일 수 있다. 이때, 염기의 첨가량은, 아미노기-함유 화합물에 대하여, 중량 기준으로, 예를 들면 약 3 내지 20 중량%, 구체적으로 약 4 내지 15 중량%, 보다 구체적으로 약 5 내지 10 중량% 범위 내에서 조절 가능하다. As an example, the amino group-containing compound for surface modification may be provided in the form of an aqueous solution, and may be combined with an aqueous dispersion of graphene oxide. In this case, the concentration of the aqueous solution of the amino group-containing compound may be, for example, about 5 to 30% by weight, specifically about 10 to 25% by weight, more specifically about 15 to 20% by weight, but this is for illustrative purposes only. can be understood In addition, the aqueous solution of the amino group-containing compound may be provided in the form of a basic (or alkaline) aqueous solution in order to increase the solubility of the amino group-containing compound, wherein the base to be added is ammonia (or ammonium hydroxide), sodium hydroxide, potassium hydroxide or It may be a combination thereof. At this time, the addition amount of the base is, based on the weight of the amino group-containing compound, for example, about 3 to 20% by weight, specifically about 4 to 15% by weight, more specifically about 5 to 10% by weight. possible.
예시적 구체예에 따르면, 아미노기-함유 화합물을 그래핀 산화물 분산물에 첨가할 경우, 그래핀 산화물 분산물 내 아미노기-함유 화합물의 첨가량은, 그래핀 산화물 기준으로, 예를 들면 약 100 내지 1000 중량%, 구체적으로 약 200 내지 800 중량%, 보다 구체적으로 약 300 내지 500 중량% 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, when the amino group-containing compound is added to the graphene oxide dispersion, the amount of the amino group-containing compound added in the graphene oxide dispersion is, based on the graphene oxide, for example, about 100 to 1000 weight. %, specifically from about 200 to 800% by weight, more specifically from about 300 to 500% by weight.
이와 같이 아미노기-함유 화합물을 첨가하여 분산물 내 그래핀 산화물과 접촉시키고 승온 조건 하에서 표면 개질을 수행할 수 있다. 예시적으로, 표면 개질 온도는, 예를 들면 적어도 약 60℃, 구체적으로 약 65 내지 90℃, 보다 구체적으로 약 70 내지 80℃ 범위일 수 있다. 또한, 표면 개질(접촉) 시간은, 예를 들면 약 10 내지 48 시간, 구체적으로 약 12 내지 30 시간, 보다 구체적으로 약 18 내지 24 시간 범위일 수 있다. 다만, 상술한 처리 조건은 예시적인 취지로 이해될 수 있으며, 아미노기-함유 화합물의 종류, 그래핀 산화물 분산물의 농도 등에 따라 변경 가능하다.As such, an amino group-containing compound may be added to contact graphene oxide in the dispersion, and surface modification may be performed under elevated temperature conditions. Illustratively, the surface modification temperature may be, for example, in the range of at least about 60 °C, specifically about 65 to 90 °C, more specifically about 70 to 80 °C. In addition, the surface modification (contacting) time may range, for example, from about 10 to 48 hours, specifically from about 12 to 30 hours, and more specifically from about 18 to 24 hours. However, the above-described treatment conditions may be understood as exemplary, and may be changed according to the type of the amino group-containing compound, the concentration of the graphene oxide dispersion, and the like.
B. 표면 개질된 그래핀 산화물(GO)의 환원B. Reduction of surface-modified graphene oxide (GO)
일 구체예에 따르면, 표면 개질된 그래핀 산화물에 대한 환원 처리를 수행하여 표면 개질된 그래핀 산화물에 존재하는 산소-함유 그룹(카르복시기 등)을 제거한다. 이와 관련하여, 당업계에서 알려진 그래핀 산화물의 환원 방식, 예를 들면 물리적 환원, 화학적 환원 등의 방식을 특별한 제한없이 적용할 수 있다. According to one embodiment, an oxygen-containing group (such as a carboxyl group) present in the surface-modified graphene oxide is removed by performing a reduction treatment on the surface-modified graphene oxide. In this regard, a reduction method of graphene oxide known in the art, for example, a method such as physical reduction or chemical reduction may be applied without particular limitation.
이와 관련하여, 물리적 환원으로서 열 환원 방식을 들 수 있다. 예시적으로, 그래핀 산화물을 비활성 가스(질소, 네온, 아르곤 등) 분위기 하에서 순간적으로 고온 열 처리(예를 들면, 적어도 약 300℃, 구체적으로 약 400 내지 1000℃, 보다 구체적으로 약 600 내지 800℃)할 수 있다.In this regard, a thermal reduction method is mentioned as a physical reduction. Illustratively, graphene oxide is subjected to instantaneous high-temperature heat treatment (eg, at least about 300° C., specifically about 400 to 1000° C., more specifically about 600 to 800° C.) under an inert gas (nitrogen, neon, argon, etc.) atmosphere. ℃) can be done.
택일적으로, 환원제를 이용한 화학적 환원 반응을 적용할 수 있다. 이러한 환원제로서, 히드라진(hydrazine), 히드라진 수화물(hydrazine hydrate, N2H4.H2O), 소듐보로하이드레이트(sodium borohydrate, NaBH4) , 암모니아보란(NH3BH3), 에틸렌디아민, 티오우레아, 하이드로이오닉산(hydroionicacid), L-아스코르브산(L-ascorbic acid), 우레아, 하이드로퀴논(hydroquinone), 벤질 아민(benzyl amine) 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 특정 구체예에 있어서, 환원제로 히드라진 또는 이의 수화물을 사용할 수 있다.Alternatively, a chemical reduction reaction using a reducing agent may be applied. As such a reducing agent, hydrazine, hydrazine hydrate (N 2 H 4 .H 2 O), sodium borohydrate (NaBH 4 ), ammonia borane (NH 3 BH 3 ), ethylenediamine, thio Urea, hydroionic acid, L-ascorbic acid, urea, hydroquinone, benzyl amine, etc. may be used alone or in combination. In certain embodiments, hydrazine or a hydrate thereof may be used as the reducing agent.
환원 처리를 위하여, 표면 개질된 그래핀 산화물-함유 분산물을 그대로 사용하거나, 또는 표면 개질된 그래핀 산화물을 세척 등을 거쳐 정제한 후에 이를 분리하고, 수계 매질 내에 다시 분산시켜 사용할 수도 있다. For the reduction treatment, the surface-modified graphene oxide-containing dispersion may be used as it is, or the surface-modified graphene oxide may be purified through washing and the like, then separated and dispersed again in an aqueous medium.
예시적 구체예에 따르면, 환원제에 의한 화학적 환원 방식에 있어서, 첨가되는 환원제의 량은, 그래핀 산화물 기준으로, 예를 들면 약 200 내지 2000 중량%, 구체적으로 약 500 내지 1500 중량%, 보다 구체적으로 약 800 내지 1200 중량% 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, in the chemical reduction method using a reducing agent, the amount of the reducing agent added is, based on graphene oxide, for example, about 200 to 2000% by weight, specifically about 500 to 1500% by weight, more specifically It may be in the range of about 800 to 1200 wt%.
예시적 구체예에 따르면, 환원 처리는, 예를 들면 적어도 약 40 ℃(구체적으로 약 60 내지 100℃, 보다 구체적으로 약 80 내지 95℃)의 온도, 그리고 약 10 내지 30 시간(구체적으로 약 12 내지 24 시간, 보다 구체적으로 약 15 내지 20 시간) 범위일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment, the reducing treatment is, for example, at a temperature of at least about 40 °C (specifically about 60 to 100 °C, more specifically about 80 to 95 °C), and for about 10 to 30 hours (specifically about 12 °C) to 24 hours, more specifically about 15 to 20 hours), but is not necessarily limited thereto.
상술한 바와 같이 표면 개질된 그래핀 산화물을 환원 처리할 경우, 하기 반응식 2에서와 같이 그래핀 산화물에 존재하는 카르복시기 등의 산소-함유 그룹이 제거되어 sp2 결합이 회복되는 반면, 아미노기를 경유하여 결합된 표면 개질 화합물(예를 들면, AHNS의 경우)의 모이티(moiety)는 잔류하게 된다. When the surface-modified graphene oxide is subjected to reduction treatment as described above, oxygen-containing groups such as carboxyl groups present in the graphene oxide are removed as shown in
[반응식 2][Scheme 2]
상기 반응식에 따르면, 단계 (a)에서 제공된 그래핀 산화물은 단계 (b)에서 AHNS의 아민기가 그래핀 산화물 내 에폭시기를 공격하여 상호작용(covalent interaction)에 의하여 개환시키고, 탄소 원자와 결합하게 된다(단계 (c)). 이후, 단계 (d)에서 환원제로서 히드라진 수화물(모노하이드레이트)을 사용하여 환원 처리함에 따라 그래핀 산화물에 존재하는 카르복시기, 수산화기 등이 상당 부분 제거되며, AHNS에 존재하는 SO3H기가 아미노기를 경유하여 결합된다. 이러한 SO3H기는 수계 매질 내에서 이온화되어 음의 전하(SO3 -)를 나타내어 통상의 환원 그래핀 산화물 입자가 응집되는 경향을 효과적으로 억제할 수 있다.According to the above reaction formula, in the graphene oxide provided in step (a), in step (b), the amine group of AHNS attacks the epoxy group in the graphene oxide to open the ring by covalent interaction, and bond with a carbon atom ( step (c)). Thereafter, in step (d), as a reduction treatment using hydrazine hydrate (monohydrate) as a reducing agent, a significant portion of carboxyl groups and hydroxyl groups present in graphene oxide are removed, and SO 3 H groups present in AHNS pass through amino groups. are combined These SO 3 H groups are ionized in an aqueous medium to exhibit a negative charge (SO 3 − ), thereby effectively suppressing the aggregation tendency of conventional reduced graphene oxide particles.
상술한 바와 같이 환원 처리를 수행하면, 분산물 내 잔여 반응물 등을 제거하고, 분리/정제를 위하여 통상적인 후처리 절차(예를 들면, 수 세척, 물리적 또는 화학적 분리 등)를 거칠 수 있다. 예시적으로, 물리적 또는 화학적 분리 시, 필터링, 원심분리법, 투석(dialysis) 등을 적용할 수 있으며, 구체적으로는 진공 필터링을 수행할 수 있다. If the reduction treatment is performed as described above, the residual reactants in the dispersion may be removed, and a conventional post-treatment procedure (eg, water washing, physical or chemical separation, etc.) may be performed for separation/purification. Illustratively, during physical or chemical separation, filtering, centrifugation, dialysis, etc. may be applied, and specifically, vacuum filtering may be performed.
예시적 구체예에 따르면, 선택적으로, 환원 그래핀 산화물(예를 들면, 필터링에 의하여 얻어진 환원 그래핀 산화물의 고형분)에 잔류하는 수분을 제거하는 단계가 수행될 수 있다. 이는 후속 단계 중 NCM과 같은 금속 산화물은 수분에 취약하여 변질되어 표면이 비활성화될 수 있기 때문이다. 이러한 잔류 수분 제거를 위하여, 환원 그래핀 산화물의 고형분을 무수 알코올(예를 들면, 무수 에탄올), 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide), 톨루엔 등에 재분산시키는 과정을 1회 또는 2회 이상 반복할 수 있다.According to an exemplary embodiment, optionally, a step of removing moisture remaining in the reduced graphene oxide (eg, the solid content of the reduced graphene oxide obtained by filtering) may be performed. This is because, during the subsequent step, metal oxides such as NCM are vulnerable to moisture and deteriorate and the surface may be deactivated. To remove the residual moisture, the solid content of the reduced graphene oxide is redispersed in anhydrous alcohol (eg, absolute ethanol), methylpyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone), dimethylformamide (Dimethylformamide), toluene, etc. This process may be repeated once or twice or more.
C. 환원 그래핀 산화물의 슬러리 제조C. Preparation of Slurry of Reduced Graphene Oxide
일 구체예에 따르면, 전술한 환원 처리에 의하여 제조된 환원 그래핀 산화물을 금속 산화물 입자에 코팅하기 위하여, 액상 매질에 분산시켜 분산물(제1 분산물)을 제조할 수 있다. 이와 관련하여, 슬러리 제조를 위한 액상 매질은 알코올(무수 알코올), 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide), 톨루엔(Toluene) 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 액상 매질은 무수 알코올일 수 있으며, 보다 구체적으로는 무수 에탄올일 수 있다. 이때, 무수 에탄올은 친수성 및 소수성 화합물의 용해를 허용하는 범용성 용매로서, 비점이 낮기 때문에 후속 탄소질 코팅용 슬러리 제조에 유리할 수 있다.According to one embodiment, in order to coat the reduced graphene oxide prepared by the above-described reduction treatment on the metal oxide particles, it is dispersed in a liquid medium to prepare a dispersion (first dispersion). In this regard, the liquid medium for preparing the slurry may be at least one selected from alcohol (anhydrous alcohol), methylpyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone), dimethylformamide (Dimethylformamide), toluene, etc. there is. According to an exemplary embodiment, the liquid medium may be absolute alcohol, and more specifically, absolute ethanol. At this time, absolute ethanol is a general-purpose solvent that allows dissolution of hydrophilic and hydrophobic compounds, and has a low boiling point, so it may be advantageous for preparing a slurry for subsequent carbonaceous coating.
예시적 구체예에 따르면, 제1 분산물 내 환원 그래핀 산화물의 농도는, 예를 들면 약 1 내지 20 mg/ml, 구체적으로 약 3 내지 15 mg/ml, 보다 구체적으로 약 5 내지 10 mg/ml 범위로 조절할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the concentration of reduced graphene oxide in the first dispersion is, for example, about 1 to 20 mg/ml, specifically about 3 to 15 mg/ml, more specifically about 5 to 10 mg/ml ml can be adjusted.
또한, 일 구체예에서는 제1 분산물 내에 환원 그래핀 산화물과 함께 도전성 나노입자를 포함한다. 이러한 도전성 나노입자는 표면 개질된 환원 그래핀 산화물 시트 사이에 삽입됨으로써 표면 개질된 환원 그래핀 산화물의 2차원 구조를 3차원 탄소-함유 네크워크 구조로 전환시키는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 도전성 나노입자는 후속 건조 과정에서 시트 형태의 환원 그래핀 산화물이 리스태킹되어 복합 소재가 양극재로 적용되는 경우에 리튬 이온의 이동을 방해하는 것을 방지할 수 있다. 이와 관련하여, 도전성 나노입자는 π-π 결합, 반데르발스 힘, 소수성 결합 등의 상호작용을 통하여 그래핀 시트에 용이하게 부착 가능한 종류를 사용할 수 있다. 도전성 나노입자는 대표적으로 탄소 나노튜브(CNT), 카본블랙, 도전성 금속 나노입자(나노와이어) 등일 수 있으며, 이로부터 1 또는 2 이상 조합하여 사용할 수 있다. In addition, in one embodiment, conductive nanoparticles are included together with reduced graphene oxide in the first dispersion. These conductive nanoparticles can provide a function of converting the two-dimensional structure of the surface-modified reduced graphene oxide into a three-dimensional carbon-containing network structure by being inserted between the surface-modified reduced graphene oxide sheets. In addition, the conductive nanoparticles can prevent the movement of lithium ions when the composite material is applied as a cathode material by restacking the reduced graphene oxide in the form of a sheet in the subsequent drying process. In this regard, the conductive nanoparticles may be of a type that can be easily attached to the graphene sheet through interactions such as π-π bonds, van der Waals forces, and hydrophobic bonds. The conductive nanoparticles may be typically carbon nanotubes (CNTs), carbon black, conductive metal nanoparticles (nanowires), and the like, and one or two or more thereof may be used in combination.
- CNT- CNT
CNT의 경우, SWCNT, DWCNT, MWCNT 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 다만, 분산 용이성이 CNT 타입에 영향을 받는 만큼, MWCNT을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 또한, CNT의 형상은 스트랜드형, 로드(rod) 형 등일 수 있는 바, 구체적으로 로드 형일 수 있다, 예시적 구체예에 있어서, CNT의 평균 직경은, 예를 들면 약 3 내지 20 nm(구체적으로 약 5 내지 15 nm, 보다 구체적으로 약 6 내지 13 nm), 그리고 이의 평균 길이는, 예를 들면 약 1 내지 100 ㎛(구체적으로 약 2 내지 50 ㎛, 보다 구체적으로 약 2.5 내지 20 ㎛) 범위일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 직경에 대한 길이의 비(면 비)는, 적어도 약 100, 구체적으로 약 200 내지 3000, 보다 구체적으로 약 400 내지 1500 범위일 수 있다. 이외에도, CNT의 비표면적은, 예를 들면 약 50 내지 1315 ㎡/g, 구체적으로 약 100 내지 1000 ㎡/g, 보다 구체적으로 약 200 내지 500 ㎡/g 범위일 수 있다. 특히, CNT를 사용할 경우에는 환원 그래핀 산화물 코팅층의 다공성을 개선하여 리튬 이온의 이동 경로를 증가시킬 수 있는 장점을 제공한다.In the case of CNT, it may include SWCNT, DWCNT, MWCNT, or a combination thereof. However, as the ease of dispersion is affected by the CNT type, it may be advantageous to use MWCNTs. In addition, the shape of the CNTs may be a strand type, a rod type, etc., and specifically may be a rod type. In an exemplary embodiment, the average diameter of the CNTs is, for example, about 3 to 20 nm (specifically about 5 to 15 nm, more specifically about 6 to 13 nm), and an average length thereof, for example, in the range of about 1 to 100 μm (specifically about 2 to 50 μm, more specifically about 2.5 to 20 μm). However, it is not necessarily limited thereto. In this regard, the ratio of length to diameter (aspect ratio) may range from at least about 100, specifically from about 200 to 3000, and more specifically from about 400 to 1500. In addition, the specific surface area of the CNTs may be, for example, in the range of about 50 to 1315 m2/g, specifically about 100 to 1000 m2/g, and more specifically about 200 to 500 m2/g. In particular, when CNTs are used, the porosity of the reduced graphene oxide coating layer is improved, thereby providing the advantage of increasing the movement path of lithium ions.
- 카본 블랙- Carbon Black
일반적으로 탄화수소 등의 불완전 연소 또는 열분해에 의하여 탄소 육원환이 형성된 다음, 탈수소축합 등의 과정에 의해 다환식방향족 화합물을 거쳐 탄소원자 6각 그물구조의 카본 블랙 결정자가 형성되는데 이러한 결정자의 집합체를 카본 블랙으로 지칭한다. 카본 블랙은 통상의 그래파이트(graphite)가 3차원 구조를 갖는데 비하여 2차원 구조(two-dimensional order)를 갖는다. 카본 블랙의 예시적인 원자 구조 모델은 하기 구조식 2로 나타낼 수 있다.In general, a six-membered carbon ring is formed by incomplete combustion or thermal decomposition of hydrocarbons, and then carbon black crystallites having a hexagonal carbon network structure are formed through a polycyclic aromatic compound by a process such as dehydrogenation condensation. is referred to as Carbon black has a two-dimensional structure compared to conventional graphite having a three-dimensional structure. An exemplary atomic structure model of carbon black may be represented by
[구조식 2][Structural Formula 2]
이러한 카본 블랙은 Furnace 카본 블랙 및/또는 Thermal 카본블랙일 수 있고, 예를 들면 비정질 탄소질로 이루어지는 미립자 형태로서, 이의 사이즈는, 예를 들면 약 10 내지 100 nm, 구체적으로 약 30 내지 80 nm, 보다 구체적으로 약 40 내지 60 nm 범위일 수 있다. Such carbon black may be Furnace carbon black and/or Thermal carbon black, for example, in the form of particulates made of amorphous carbonaceous material, the size of which is, for example, about 10 to 100 nm, specifically about 30 to 80 nm, more Specifically, it may be in the range of about 40 to 60 nm.
- 도전성 금속 나노입자- Conductive metal nanoparticles
도전성 금속 나노입자는, 예를 들면 적어도 약 500 S/cm, 구체적으로 약 1000 내지 15000 S/cm, 보다 구체적으로 약 5000 내지 10000 S/cm의 전도도를 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 도전성 금속 나노입자의 재질은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 로듐(Rh) 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 구체적으로는 은(Ag)일 수 있다. 한편, 도전성 금속 나노입자의 사이즈는, 예를 들면 약 1 내지 100 nm, 구체적으로 약 5 내지 50 nm, 보다 구체적으로 약 10 내지 30 nm 범위일 수 있다.The conductive metal nanoparticles may be made of, for example, a material having a conductivity of at least about 500 S/cm, specifically about 1000 to 15000 S/cm, and more specifically about 5000 to 10000 S/cm. According to an exemplary embodiment, the material of the conductive metal nanoparticles is copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), nickel (Ni), rhodium (Rh), and its It may be selected from the group consisting of combinations, specifically silver (Ag). Meanwhile, the size of the conductive metal nanoparticles may be, for example, about 1 to 100 nm, specifically about 5 to 50 nm, and more specifically about 10 to 30 nm.
예시적 구체예에 따르면, 전술한 도전성 나노입자는, 환원 그래핀 산화물(또는 표면 개질된 환원 그래핀 산화물)의 중량 기준으로, 약 10 내지 300 중량%, 구체적으로 약 50 내지 200 중량%, 보다 구체적으로 약 80 내지 150 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다. 다만, 지나치게 많은 량이 사용될 경우에는 전극 내에서 활물질의 비중이 낮아짐으로 인해 셀의 용량이 감소될 수 있는 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 사용하는 것이 유리할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the above-described conductive nanoparticles, based on the weight of the reduced graphene oxide (or surface-modified reduced graphene oxide), about 10 to 300% by weight, specifically about 50 to 200% by weight, more Specifically, it may be added in an amount of about 80 to 150 wt%. However, when an excessively large amount is used, the capacity of the cell may be reduced due to the lowering of the specific gravity of the active material in the electrode, so it may be advantageous to properly use it within the above-described range.
예시적 구체예에 따르면, 환원 그래핀 산화물과 도전성 나노입자가 분산물 내에서 균일하게 혼합될 수 있도록, 초음파 분쇄 및/또는 호모게나이저와 같은 공지의 혼합 및/또는 균질화 수단을 사용할 수 있다. According to an exemplary embodiment, a known mixing and/or homogenizing means such as ultrasonic grinding and/or a homogenizer may be used so that the reduced graphene oxide and the conductive nanoparticles can be uniformly mixed in the dispersion.
그 다음, 제1 분산물을 보다 높은 고형분 함량을 갖는 슬러리 또는 반죽 형태의 분산물(제2 분산물)을 형성하도록 액상 매질을 부분적으로 제거하여 농축할 수 있다. 이를 위하여, 제1 분산물을, 예를 들면 약 45 내지 80℃(구체적으로 약 50 내지 70℃, 보다 구체적으로 약 55 내지 65℃)의 온도에서 약 0.2 내지 2 시간(구체적으로 약 0.3 내지 1.5 시간, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 1 시간)에 걸쳐 가열하는 방식으로 농축 단계를 수행하여 슬러리 형태로 제조할 수 있다. 이때, 제2 분산물 중 환원 그래핀 산화물의 농도는, 예를 들면 약 20 내지 100 mg/ml, 구체적으로 약 25 내지 80 mg/ml, 보다 구체적으로 약 30 내지 50 mg/ml 범위일 수 있다.The first dispersion may then be concentrated by partially removing the liquid medium to form a slurry or paste-like dispersion having a higher solids content (second dispersion). To this end, the first dispersion is, for example, at a temperature of about 45 to 80 °C (specifically about 50 to 70 °C, more specifically about 55 to 65 °C) for about 0.2 to 2 hours (specifically about 0.3 to 1.5 °C). The concentration step may be performed in a manner of heating over a period of time, more specifically, about 0.5 to 1 hour) to prepare a slurry. In this case, the concentration of reduced graphene oxide in the second dispersion may be, for example, about 20 to 100 mg/ml, specifically about 25 to 80 mg/ml, more specifically about 30 to 50 mg/ml .
금속 산화물 상에 탄소 코팅Carbon coating on metal oxide
고농도의 슬러리 형태의 분산물(제2 분산물)을 제조한 다음, 이를 금속 산화물과 조합하여 코팅하는 단계를 수행할 수 있다. After preparing a high-concentration slurry-type dispersion (second dispersion), it may be combined with a metal oxide and coated.
예시적 구체예에 따르면, 금속 산화물은 입자 형태로서, 1차 입자(primary particle) 또는 2차 입자(secondary particle)일 수 있으며, 이의 사이즈(직경)는, 예를 들면 약 1 내지 50 ㎛, 구체적으로 약 3 내지 30 ㎛, 보다 구체적으로 약 5 내지 20 ㎛ 범위일 수 있다. 다만, 금속 산화물 입자가 2차 입자 형태일 경우, 이를 구성하는 1차 입자의 사이즈는, 예를 들면 약 20 내지 1500 nm, 구체적으로 약 50 내지 1200 nm, 보다 구체적으로 약 100 내지 1000 nm 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, in the form of particles, the metal oxide may be a primary particle or a secondary particle, and the size (diameter) thereof is, for example, about 1 to 50 μm, specifically As a result, it may be in the range of about 3 to 30 μm, more specifically, about 5 to 20 μm. However, when the metal oxide particles are in the form of secondary particles, the size of the primary particles constituting them is, for example, about 20 to 1500 nm, specifically about 50 to 1200 nm, more specifically about 100 to 1000 nm. can
특정 구체예에서 금속 산화물은 NCM계 금속 산화물로서 하기 일반식 3으로 표시될 수 있다:In a specific embodiment, the metal oxide may be represented by the following
[일반식 3][General Formula 3]
Li(NixCoyMnz)O2 Li(Ni x Co y Mn z )O 2
상기 식에서 x는 0.3 내지 0.95(구체적으로 0.5 내지 0.9, 보다 구체적으로 0.75 내지 0.85), y는 0.025 내지 0.35(구체적으로 0.07 내지 0.3, 보다 구체적으로 0.1 내지 0.2), 및 z는 0.025 내지 0.35(구체적으로 0.07 내지 0.3, 보다 구체적으로 0.1 내지 0.2), 그리고 x+y+z=1이다. wherein x is 0.3 to 0.95 (specifically 0.5 to 0.9, more specifically 0.75 to 0.85), y is 0.025 to 0.35 (specifically 0.07 to 0.3, more specifically 0.1 to 0.2), and z is 0.025 to 0.35 (specifically 0.07 to 0.3, more specifically 0.1 to 0.2), and x+y+z=1.
특정 구체예에 있어서, 금속 산화물은 니켈(Ni) : 코발트(Co) : 망간(Mn)이 약 8 : 1 : 1의 비로 배합된 니켈-풍부 금속 산화물일 수 있는, 이러한 금속 산화물은 NCM811로 지칭되고 있다.In certain embodiments, the metal oxide may be a nickel-rich metal oxide in which nickel (Ni): cobalt (Co): manganese (Mn) is formulated in a ratio of about 8:1:1, this metal oxide is referred to as NCM811. is becoming
이때, NCM과 같은 금속 산화물은 대기와 접촉된 상태에서 표면에 히드록시기가 생성되기 때문에 표면이 음(-)의 전하를 나타낼 수 있다. 따라서, 액상 매질 내에서 음의 전하를 나타내는 환원 그래핀 산화물과 전기적 반발력 또는 척력이 발생하기 때문에 슬러리 내 입자들이 균일하게 분산된 상태에서 슬러리를 이용한 코팅이 수행될 수 있다. At this time, the surface of a metal oxide such as NCM may exhibit a negative charge because a hydroxyl group is generated on the surface in contact with the atmosphere. Therefore, since the reduced graphene oxide exhibiting a negative charge and an electrical repulsive or repulsive force are generated in the liquid medium, coating using the slurry can be performed in a state in which the particles in the slurry are uniformly dispersed.
특히, 금속 산화물과의 조합에 앞서 첨가된 도전성 나노입자와 환원 그래핀 산화물이 뭉치는 현상이 일어날 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 그래핀 산화물의 표면 개질에 의하여 분산력이 개선된 결과, 금속 산화물 입자와 도전성 나노입자가 고르게 혼합될 수 있다.In particular, aggregation of the conductive nanoparticles and the reduced graphene oxide added prior to the combination with the metal oxide may occur. However, as described above, as a result of the improvement in dispersing power by the surface modification of graphene oxide, the metal oxide particles and the conductive nanoparticles may be uniformly mixed.
예시적 구체예에 따르면, 제2 분산물에 금속 산화물 입자를 첨가(조합)하여 제3 분산물을 제조하는 바, 이러한 조합 또는 혼합 과정은 슬러리 특성 상 교반 조건(예를 들면, 약 50 내지 300 rpm, 구체적으로 약 100 내지 200 rpm) 하에서, 예를 들면 약 3 내지 15분, 구체적으로 약 5 내지 10분에 걸쳐 수행될 수 있다. 또한, 코팅을 위한 접촉 온도는, 예를 들면 약 10 내지 40℃, 구체적으로 약 15 내지 35℃, 보다 구체적으로 약 20 내지 30℃일 수 있다. According to an exemplary embodiment, a third dispersion is prepared by adding (combining) metal oxide particles to the second dispersion, and this combination or mixing process is performed under stirring conditions (eg, about 50 to 300 rpm, specifically about 100 to 200 rpm), for example, about 3 to 15 minutes, specifically about 5 to 10 minutes. Also, the contact temperature for coating may be, for example, about 10 to 40°C, specifically about 15 to 35°C, and more specifically about 20 to 30°C.
이때, 첨가되는 금속 산화물의 량은, 환원 그래핀 산화물 기준으로, 예를 들면 약 1000 내지 10000 중량%, 구체적으로 약 2000 내지 8000 중량%, 보다 구체적으로 약 4000 내지 6000 중량%의 범위일 수 있다.At this time, the amount of the metal oxide added, based on the reduced graphene oxide, for example, about 1000 to 10000% by weight, specifically about 2000 to 8000% by weight, more specifically about 4000 to 6000% by weight It may be in the range .
주목할 점은 탄소 코팅 과정이 비교적 온화한 조건 하에서 단시간 내에 효과적인 코팅 공정을 수행할 수 있다는 것이다.It should be noted that the carbon coating process can perform an effective coating process in a short time under relatively mild conditions.
상술한 코팅 과정을 수행한 후에는 제3 분산물 내에 함유된 액상 매질을 제거하는 단계를 수행하여 고상의 복합 소재를 수득할 수 있다. 이를 위하여, 예를 들면 약 40 내지 80℃(구체적으로 약 50 내지 70℃, 보다 구체적으로 약 55 내지 65℃)에서 약 3 내지 15분(구체적으로 약 4 내지 12분, 보다 구체적으로 약 5 내지 10분) 동안 가열할 수 있다.After performing the above-described coating process, a step of removing the liquid medium contained in the third dispersion may be performed to obtain a solid composite material. To this end, for example, about 3 to 15 minutes (specifically about 4 to 12 minutes, more specifically about 5 to about 5 to about 40 to 80 ° C. (specifically about 50 to 70 ° C., more specifically about 55 to 65 ° C) 10 minutes) can be heated.
선택적으로, 잔류 액상 매질을 실질적으로 완전히 제거할 목적으로, 공지의 건조 수단, 예를 들면 진공 오븐 내에서 추가 처리할 수 있다. 이때, 예시적인 온도는, 예를 들면 약 30 내지 50℃(구체적으로 약 35 내지 45℃) 범위일 수 있고, 처리 시간은, 예를 들면 적어도 약 5 시간, 구체적으로 적어도 약 6 내지 10 시간 범위일 수 있다. 이러한 처리 수단 및 조건은 예시적인 취지로 이해될 수 있다.Optionally, for the purpose of substantially completely removing the residual liquid medium, it may be further treated by known drying means, for example in a vacuum oven. In this case, an exemplary temperature may be, for example, in the range of about 30 to 50° C. (specifically, about 35 to 45° C.), and the treatment time is, for example, at least about 5 hours, specifically at least about 6 to 10 hours. can be These processing means and conditions can be understood as illustrative.
전술한 절차를 통하여 금속 산화물 입자 상에 탄소질(rGO와 도전성 나노입자의 조합) 코팅 층 또는 캡슐화 층이 형성된 복합 소재를 제조할 수 있다. Through the above-described procedure, a composite material in which a carbonaceous (a combination of rGO and conductive nanoparticles) coating layer or an encapsulation layer is formed on the metal oxide particles can be prepared.
예시적 구체예에 있어서, 복합 소재 내 금속 산화물 입자는 1차 입자(primary particle), 또는 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자(secondary particle) 형태일 수 있으며, 복합 소재는 전술한 탄소-함유 코팅층(또는 캡슐화 층)이 1차 입자 또는 2차 입자를 둘러싸거나 피복한 형태일 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal oxide particles in the composite material may be in the form of primary particles or secondary particles formed by the aggregation of primary particles, and the composite material includes the above-mentioned carbon-containing The coating layer (or encapsulation layer) may be in the form of surrounding or covering the primary particles or secondary particles.
이와 관련하여, 도전성 나노입자를 함유하지 않은 탄소질 코팅층은, 예를 들면 약 3 내지 10 nm(구체적으로 약 5 내지 10 nm) 범위의 두께를 갖는 반면, 환원 그래핀 산화물과 도전성 나노입자의 조합을 포함하는 탄소질 코팅층의 두께는 약 15 내지 40 nm(구체적으로 약 20 내지 30 nm) 수준으로 도전성 나노입자가 그래핀 층 사이에서 스페이서로 작용함으로써 리튬 이온이 이동할 수 있는 보다 넓은 경로를 제공할 수 있다(즉, 3차원 탄소-함유 네트워크 구조).In this regard, the carbonaceous coating layer that does not contain conductive nanoparticles has, for example, a thickness in the range of about 3 to 10 nm (specifically, about 5 to 10 nm), whereas the combination of reduced graphene oxide and conductive nanoparticles The thickness of the carbonaceous coating layer containing (ie, a three-dimensional carbon-containing network structure).
예시적 구체예에 따르면, 복합 소재 중량을 기준으로, 탄소 성분의 함량은, 예를 들면 약 0.5 내지 10 중량%, 구체적으로 약 1 내지 8 중량%, 보다 구체적으로 약 2 내지 5 중량% 범위일 수 있으며, 사용된 도전성 나노입자 등의 종류 및 사용량, 환원 그래핀 산화물의 사용량, 금속 산화물의 종류 및 치수 등에 따라 변경 가능하다. According to an exemplary embodiment, based on the weight of the composite material, the content of the carbon component is, for example, in the range of about 0.5 to 10% by weight, specifically about 1 to 8% by weight, more specifically about 2 to 5% by weight. It can be changed according to the type and amount of conductive nanoparticles used, the amount of reduced graphene oxide used, the type and size of metal oxide, and the like.
또한, 금속 산화물 입자 상에 탄소-함유 복합체 코팅층(캡슐화 층)의 조성은 제조 과정 중 개별 성분의 사용량에 의존할 수 있다. 예시적인 탄소-함유 복합체 코팅층의 조성은, 코팅층 중량을 기준으로, 환원 그래핀 산화물 약 30 내지 70 중량%(구체적으로 약 40 내지 60 중량%, 보다 구체적으로 약 45 내지 55 중량%), 및 도전성 나노입자 약 70 내지 30 중량%(구체적으로 약 60 내지 40 중량%, 보다 구체적으로 약 55 내지 45 중량%)을 포함할 수 있으며, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있다.In addition, the composition of the carbon-containing composite coating layer (encapsulation layer) on the metal oxide particles may depend on the amount of individual components used during the manufacturing process. An exemplary composition of the carbon-containing composite coating layer is, based on the weight of the coating layer, about 30 to 70% by weight of reduced graphene oxide (specifically about 40 to 60% by weight, more specifically about 45 to 55% by weight), and conductivity about 70 to 30% by weight of nanoparticles (specifically about 60 to 40% by weight, more specifically about 55 to 45% by weight), which can be understood as illustrative.
한편, 예시적 구체예에 따르면, 복합 소재는 다공성을 나타내며, 이때 포어 사이즈는, 예를 들면 약 5 내지 40 nm, 구체적으로 약 10 내지 30 nm, 보다 구체적으로 약 15 내지 20 nm 범위일 수 있다.Meanwhile, according to an exemplary embodiment, the composite material exhibits porosity, wherein the pore size may be, for example, about 5 to 40 nm, specifically about 10 to 30 nm, more specifically about 15 to 20 nm. .
또한, 복합 소재의 비표면적(BET)은, 예를 들면 약 1 내지 50 ㎡/g(구체적으로 약 2 내지 30 ㎡/g, 보다 구체적으로 약 4 내지 15 ㎡/g) 범위일 수 있고, 포어 체적은, 예를 들면 약 0.005 내지 1 ㎤/g(구체적으로 약 0.01 내지 0.5 ㎤/g, 보다 구체적으로 약 0.02 내지 0.1 ㎤/g) 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 도전성 나노입자를 함유하지 않은 코팅층의 비표면적 및 포어 체적은 상대적으로 낮으나, 환원 그래핀 산화물과 도전성 나노입자의 조합을 포함하는 코팅층의 경우에는 이보다 유의미한 수준으로 증가된 비표면적 및 포어 체적을 나타내는 점은 주목할 만하다.In addition, the specific surface area (BET) of the composite material may be, for example, in the range of about 1 to 50 m2/g (specifically about 2 to 30 m2/g, more specifically about 4 to 15 m2/g), The volume may range, for example, from about 0.005 to 1
또한, 복합 소재는 양호한 전도도를 나타낼 수 있는 바, 예를 들면 적어도 약 0.1 S/m, 구체적으로 약 0.3 내지 10 S/m, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 5 S/m 범위일 수 있다. 특히, 탄소 네트워크의 전도도는 도전성 나노입자의 첨가에 의하여 더욱 개선될 수 있다.In addition, the composite material may exhibit good conductivity, for example, at least about 0.1 S/m, specifically about 0.3 to 10 S/m, more specifically about 0.5 to 5 S/m. In particular, the conductivity of the carbon network can be further improved by the addition of conductive nanoparticles.
이외에도, 탄소-함유 코팅층이 형성되지 않은 금속 산화물(예를 들면, 베어(bare) NMC811인 경우)과 대비하면, 전술한 3차원 탄소-함유 네트워크 층으로 코팅된(또는 캡슐화된) 금속 산화물은 율속 특성 및 사이클 안정성 면에서 현저히 개선된 결과를 나타낼 수 있다. 일 예로서, 율속 특성은, 예를 들면 적어도 약 200%, 구체적으로 적어도 약 300%, 보다 구체적으로 적어도 약 400%까지 증가할 수 있고, 또한 사이클 안정성은, 예를 들면 적어도 약 20%, 구체적으로 적어도 약 30%, 보다 구체적으로 적어도 약 35%까지 개선될 수 있다. In addition, in contrast to a metal oxide without a carbon-containing coating layer (for example, in the case of bare NMC811), the metal oxide coated (or encapsulated) with the three-dimensional carbon-containing network layer described above is rate-limiting. Significantly improved results can be obtained in terms of properties and cycle stability. As an example, the rate-rate characteristic may increase, for example, by at least about 200%, specifically by at least about 300%, more specifically by at least about 400%, and the cycle stability may increase, for example, by at least about 20%, specifically By at least about 30%, more specifically, it can be improved by at least about 35%.
복합 소재의 용도Uses of Composite Materials
본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 금속 산화물 상에 탄소질 코팅층이 형성된 복합 소재는 2차 전지, 구체적으로 리튬 2차 전지의 양극 활물질과 같은 양극 소재로 적용될 수 있다. 즉, 리튬 2차전지의 양극에서 리튬 이온을 저장 및/또는 방출하는 물질로서 사용될 수 있다. 특히, 탄소질 코팅 내 도전성 나노입자의 스페이서로서의 역할로 전기전도도가 증가하는 만큼 리튬 이온의 이동도 확보되어 우수한 율특성을 나타내고, 또한 표면 부반응 및 금속 산화물의 크랙이 발생되는 것을 억제하여 수명 안정성이 향상될 수 있다. 그 결과, 전기자동차용 배터리, 에너지 저장장치 등에 효과적으로 적용할 수 있다.According to another embodiment of the present disclosure, the composite material in which the carbonaceous coating layer is formed on the metal oxide may be applied as a cathode material such as a cathode active material of a secondary battery, specifically, a lithium secondary battery. That is, it may be used as a material for storing and/or releasing lithium ions in the positive electrode of a lithium secondary battery. In particular, as the electrical conductivity increases as the electrical conductivity increases due to the role of the conductive nanoparticles in the carbonaceous coating as a spacer, the mobility of lithium ions is secured, thereby exhibiting excellent rate characteristics, and suppressing the occurrence of surface side reactions and metal oxide cracks to improve lifespan stability. can be improved As a result, it can be effectively applied to a battery for an electric vehicle, an energy storage device, and the like.
예시적 구체예에 따르면, 상기 복합 소재를 리튬 2차전지의 양극(cathode)로 사용할 경우, 1 C에서 100 사이클을 수행한 후에도, 초기 용량 대비 적어도 약 80%, 구체적으로 약 85 내지 95%의 용량을 보유할 수 있다. According to an exemplary embodiment, when the composite material is used as a cathode of a lithium secondary battery, even after 100 cycles at 1 C, at least about 80%, specifically about 85 to 95% of the initial capacity capacity can be retained.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
실시예Example
본 실시예에서 사용된 장비는 하기와 같다. The equipment used in this example is as follows.
- 특성화- Characterization
XRD 및 라만 스펙트럼 각각은 MiniFlex 600(Rigaku) 및 NRS-3100(JASCO)를 이용하여 측정하였다. 이때, XRD 패턴은 Cu Kα (λ = 0.15406 nm) 조사(2θ 범위: 10 내지 80°, 주사속도: 5° min-1)를 이용하여 획득하였다. XRD and Raman spectra were measured using MiniFlex 600 (Rigaku) and NRS-3100 (JASCO), respectively. At this time, the XRD pattern was obtained using Cu Kα (λ = 0.15406 nm) irradiation (2θ range: 10 to 80°, scanning speed: 5° min −1 ).
XPS(K-Alpha, Thermo Fisher Scientific) 분석은 샘플의 화학 조성 및 원자가 상태(valence state)를 확인하기 위하여 수행하였다. XPS 스펙트럼은 Al Kα (hυ = 1486.7 eV) 마이크로-포커싱 및 모노크로마틱 소스)를 이용하여 기록하였다.XPS (K-Alpha, Thermo Fisher Scientific) analysis was performed to confirm the chemical composition and valence state of the sample. XPS spectra were recorded using Al Kα (hυ = 1486.7 eV) micro-focusing and monochromatic source).
샘플 내 탄소 함량은 TGA(SDT Q600, TA Instruments)를 이용하여 분석함으로써 결정하였다.The carbon content in the samples was determined by analysis using TGA (SDT Q600, TA Instruments).
N2 물리적 흡착은 Micromeritics 3Flex를 이용하여 수행하였으며, 이를 통하여 샘플의 표면적 및 기공도(porosity)를 측정하였다. 100℃에서 24 시간 동안 전처리한 후에 N2 등온선을 수집하였다. 비표면적 및 포어 사이즈 분포는 BET법 및 BJH법 각각에 의하여 측정하였다. N 2 physical adsorption was performed using Micromeritics 3Flex, and the surface area and porosity of the sample were measured through this. After pretreatment at 100° C. for 24 hours, N 2 isotherms were collected. The specific surface area and pore size distribution were measured by the BET method and the BJH method, respectively.
제조된 입자의 형태학적 특징 및 미세 구조는 FE-SEM(Verios G4 UC, FEI) 및 TEM(JEM 2100F, JEOL)을 이용하여 관찰하였다.Morphological characteristics and microstructures of the prepared particles were observed using FE-SEM (Verios G4 UC, FEI) and TEM (JEM 2100F, JEOL).
샘플의 전도도는 저항 측정 시스템(Keithley, Tektronix)이 구비된 단일-구조 4-포인트 프로브 법을 이용하여 평가하였다. 파우더-타입의 샘플은 1 mm 두께의 샘플로 펠렛화하였고, 펠렛 상의 5개의 다른 포인트에서 10회 측정하였다.The conductivity of the samples was evaluated using a single-structure four-point probe method equipped with a resistance measurement system (Keithley, Tektronix). Powder-type samples were pelletized into 1 mm thick samples, and 10 measurements were taken at 5 different points on the pellet.
후-사이클링 특성을 평가하기 위하여, 코인-셀을 분해한 다음, 캐소드를 꺼내 디메틸 카보네이트로 3회 세적한 후에 하룻밤에 걸쳐 진공 조건 하, 60 ℃에서 건조하였다. 건조된 전극은 SEM, TEM, 및 XPS에 의하여 특성화하였다. TEM 분석의 경우, 방전 상태에서 전극으로부터 수집된 입자를 FIB(focused ion beam; Scios, FEI)에 의하여 70 nm 두께를 갖는 박막 필름으로 절단하였고, Mo 그리드 상에 로딩하였다.In order to evaluate the post-cycling characteristics, the coin-cell was disassembled, the cathode was taken out, washed with dimethyl carbonate three times, and then dried at 60° C. under vacuum conditions overnight. The dried electrodes were characterized by SEM, TEM, and XPS. For TEM analysis, the particles collected from the electrode in the discharge state were cut into a thin film having a thickness of 70 nm by FIB (focused ion beam; Scios, FEI), and loaded on a Mo grid.
- 전기화학적 성능 측정- Measurement of electrochemical performance
작업 전극을 제작하기 위하여, NMP 내에서 활물질을 Super P 및 PVdF 바인더와 90 : 5 : 5의 중량 비로 혼합하였다. 수득된 슬러리를 닥터 블레이드를 이용하여 집전체(Al foil) 상에 코팅하였고, 하룻밤에 걸쳐 진공 및 110 ℃의 온도 조건 하에서 건조시켰다. 건조된 전극을 14 mm 직경의 디스크로 펀칭하였다. To fabricate the working electrode, the active material was mixed with Super P and PVdF binder in NMP in a weight ratio of 90:5:5. The obtained slurry was coated on a current collector (Al foil) using a doctor blade, and dried under vacuum and temperature conditions of 110° C. overnight. The dried electrode was punched into a 14 mm diameter disk.
활물질의 평균 로딩량은 약 4.0 mg/㎠이었다. 리튬 포일 및 폴리프로필렌 멤브레인(Celgard 2400)을 각각 음극 및 세퍼레이터로 사용하였다. 전해액은 에틸렌 카보네이트 : 에틸메틸 카보네이트 : 디메틸 카보네이트가 1 : 1 : 1의 체적 비로 혼합된 용매에 LiPF6을 용해시킨 용액(1.0 M)을 사용하였다. The average loading of the active material was about 4.0 mg/
CR2032 코인-형 셀을 Ar-충진된 글로브 박스 내에서 조립하였고, 셀을 24 시간에 걸쳐 개방 회로 하에서 에이징시켰다. WBCS3000S 전기화학 워크스테이션(WonA-tech)을 이용하여 25 ℃ 및 2.8 내지 4.3 V 조건(1 C = 200 mA g-1) 하에서 정전 충-방전 테스트를 수행하였다. CR2032 coin-shaped cells were assembled in Ar-filled glove boxes and the cells were aged under open circuit over 24 hours. An electrostatic charge-discharge test was performed at 25° C. and 2.8 to 4.3 V conditions (1 C = 200 mA g −1 ) using a WBCS3000S electrochemical workstation (WonA-tech).
셀은 정전류/정전압(CC/CV)법을 이용하여 충전시켰고, 전류가 대응되는 CC 단계 전류의 10%에 도달할 때까지 정전압 단계를 제공하였다. 율속 특성은 동일한 충전속도 및 방전속도를 인가하는 한편, 0.1 C에서 10 C까지 점차적으로 상승시키는 방식으로 측정하였다. 2회의 충-방전 사이클(0.1 C)을 수행한 후, 셀을 1 C에서 100회 충-방전 사이클시켜 사이클 안정성을 평가하였다. The cell was charged using a constant current/constant voltage (CC/CV) method and a constant voltage step was provided until the current reached 10% of the corresponding CC step current. The rate-rate characteristics were measured by applying the same charging and discharging rates while gradually increasing from 0.1 C to 10 C. After performing two charge-discharge cycles (0.1 C), the cell was subjected to 100 charge-discharge cycles at 1 C to evaluate cycle stability.
CV는 ZIVE SP 1 (WonA-tech)를 이용하여 동일한 전압 범위에서 수행하였다. CV was performed in the same voltage range using ZIVE SP 1 (WonA-tech).
전기화학적 임피던스 스펙트로스코피(EIS)는 100 kHz에서 10 mHz까지의 주파수 범위에서 ZIVE SP 1을 이용하여 4.3 V까지 충전한 후에 수행하였다. 모든 측정된 전위는 Li/Li+에 대한 값으로 기술된다.Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed after charging to 4.3 V using
- rGO/CNT/NCM 복합 소재의 제조- Manufacture of rGO/CNT/NCM composite material
도 1에 도시된 절차에 따라 rGO/CNT/NCM 복합 소재를 제조하였다.An rGO/CNT/NCM composite material was prepared according to the procedure shown in FIG. 1 .
먼저, 초음파 분쇄(초음파 출력: 100 W) 및 호모게나이저(미성과학사)를 이용하여 탈이온수에 그래핀 산화물(Angstron Meterials사; 입자 사이즈: < 1㎛)을 균일하게 분산시켜 2 mg/ml인 분산물(분산액)을 제조하였다. 이후, 6-아미노-4-히드록시-2-나프탈렌설폰산(AHNS; TCI사)를 탈이온수에 용해시켜 AHNS 수용액(농도: 20 중량%)을 제조하였다. 후속적으로, 암모니아 용액(Sigma-Aldrich) 6 mg을 AHNS 수용액 5 ml에 첨가하여 제조된 알칼리성 AHNS 용액을 앞서 제조된 GO 수분산액 100 ml에 서서히 첨가하여 그래핀 산화물의 표면을 개질하였는 바, 그래핀 산화물 기준으로 500 중량%의 량으로 그래핀 산화물-함유 분산물에 첨가하였다. 이때, 표면 처리는 70℃에서 24시간에 걸쳐 수행하였다.First, the graphene oxide (Angstron Meterials; particle size: < 1㎛) was uniformly dispersed in deionized water using ultrasonic grinding (ultrasonic output: 100 W) and a homogenizer (Missang Science Co.) to obtain 2 mg/ml A dispersion (dispersion) was prepared. Then, 6-amino-4-hydroxy-2-naphthalenesulfonic acid (AHNS; TCI) was dissolved in deionized water to prepare an aqueous AHNS solution (concentration: 20% by weight). Subsequently, an alkaline AHNS solution prepared by adding 6 mg of ammonia solution (Sigma-Aldrich) to 5 ml of AHNS aqueous solution was slowly added to 100 ml of previously prepared GO aqueous dispersion to modify the surface of graphene oxide. It was added to the graphene oxide-containing dispersion in an amount of 500% by weight based on the fin oxide. At this time, the surface treatment was performed over 24 hours at 70 ℃.
그 다음, 표면 처리를 거친 분산물에 환원제로서 히드라진 모노하이드레이트(Sigma-Aldrich사) 2 ml(그래핀 산화물 기준으로 1000 중량%의 량) 첨가하고, 100℃에서 20시간에 걸쳐 표면 개질된 그래핀 산화물을 환원 처리하였고, 탈이온수로 세척한 후에 셀룰로오스 아세테이트 페이퍼를 이용하여 진공 필터링을 수행하여 잔여물을 충분히 제거하였다.Then, 2 ml of hydrazine monohydrate (Sigma-Aldrich) as a reducing agent (amount of 1000 wt% based on graphene oxide) was added to the surface-treated dispersion, and surface-modified graphene at 100° C. for 20 hours The oxide was reduced, and after washing with deionized water, vacuum filtering was performed using cellulose acetate paper to sufficiently remove the residue.
잔여물이 제거된, 표면 개질된 환원 그래핀 산화물을 무수 에탄올(대정화금사) 100 ml에 재분산시켰고, 잔여 수분을 제거하기 위해서 PTFE paper를 이용하여 무수 에탄올로 진공 필터링하였다. 수분을 제거한 후 5 mg/ml의 농도가 되도록 표면 개질된 환원 그래핀 산화물을 무수 에탄올에 재분산하였다. 이때, 그래핀 시트가 박리되고 균일하게 분산되도록 초음파 분쇄 및 호모게나이저를 이용하였다.Residues were removed, the surface-modified reduced graphene oxide was redispersed in 100 ml of absolute ethanol (Daejeong Hwa-Geum), and vacuum-filtered with absolute ethanol using PTFE paper to remove residual moisture. After removing moisture, the surface-modified reduced graphene oxide was redispersed in absolute ethanol to a concentration of 5 mg/ml. At this time, ultrasonic grinding and a homogenizer were used so that the graphene sheet was peeled off and uniformly dispersed.
그 다음, 분산액에 표면 개질된 환원 그래핀 산화물 대비 100 중량%의 CNT(US Research nanometerials사; 입자 평균 직경: 15 nm)를 첨가하고, 1 시간에 걸쳐 초음파 분쇄 및 호모게나이저로 고르게 분산시켰다. 분산액 내 용매를 최소화하기 위하여 70℃에서 30분 동안 가열하였고, 그 결과 30 mg/ml의 고농도 슬러리를 제조하였다. Then, 100% by weight of CNT (US Research Nanometerials; particle average diameter: 15 nm) was added to the dispersion compared to the surface-modified reduced graphene oxide, and it was evenly dispersed by ultrasonic grinding and a homogenizer over 1 hour. In order to minimize the solvent in the dispersion, it was heated at 70° C. for 30 minutes, and as a result, a high concentration slurry of 30 mg/ml was prepared.
상기 슬러리에 표면 개질된 환원 그래핀 산화물 대비 4800 중량%(100 중량%의 CNT)의 NCM(LG 화학, NCM811, 입자 사이즈 15 ㎛)을 첨가하였고, 25 ℃에서 150 rpm으로 5분 정도 고르게 섞어준 후, 60 ℃에서 5분 동안 가열하여 잔여 에탄올을 제거하였고, 후속적으로 에탄올을 완전히 제거하기 위하여 60 ℃로 유지되는 진공 오븐에서 6 시간 동안 건조시킴으로써 AHNS-rGO/CNT/NCM 복합 소재를 제조하였다. 이하에서는 이를 "GCNCM"으로 지칭하기로 한다,4800 wt% (100 wt% of CNT) of NCM (LG Chem, NCM811, particle size 15 μm) was added to the slurry compared to the surface-modified reduced graphene oxide, and mixed evenly at 150 rpm at 25 ° C for 5 minutes After that, residual ethanol was removed by heating at 60 °C for 5 minutes, followed by drying in a vacuum oven maintained at 60 °C for 6 hours to completely remove ethanol, thereby preparing an AHNS-rGO/CNT/NCM composite material. . Hereinafter, this will be referred to as "GCNCM",
한편, CNT를 사용하지 않은 것을 제외하고는, GCNCM의 제조 방법과 동일한 과정을 반복하여 표면 개질된 환원 그래핀 산화물(AHNS-rGO)을 NCM811에 코팅한 복합 소재를 제조하였으며, 이하에서는 이를 "GNCM"으로 지칭하기로 한다,On the other hand, a composite material coated with surface-modified reduced graphene oxide (AHNS-rGO) on NCM811 was prepared by repeating the same process as the manufacturing method of GCNCM, except that CNT was not used. will be referred to as "
또한, 비교 목적으로, 탄소질 코팅을 수행하지 않은 NCM811(즉, 베어 NCM)을 BNCM으로 지칭하기로 한다. Also, for comparative purposes, NCM811 without carbonaceous coating (ie, bare NCM) will be referred to as BNCM.
분석analyze
- AHNS-rGO의 분산성 평가- Evaluation of dispersibility of AHNS-rGO
AHNS-rGO의 분산성을 평가하기 위하여, AHNS-rGO 0.2 g을 무수 에탄올 200 ml에 분산시켰으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.To evaluate the dispersibility of AHNS-rGO, 0.2 g of AHNS-rGO was dispersed in 200 ml of absolute ethanol, and the results are shown in FIG. 2 .
상기 도면을 참조하면, 표면 개질 없이 합성된 rGO에서 나타나는 응집물 형태의 그래핀 겔이 전혀 나타나지 않았고, 침강하는 현상 역시 관찰되지 않았다. 이로부터 환원 그래핀 산화물이 AHNS의 SO3 -기의 (-) 전하에 의하여 양호하게 분산되어 있음을 확인하였다.Referring to the figure, the graphene gel in the form of aggregates appeared in rGO synthesized without surface modification did not appear at all, and sedimentation was also not observed. From this, it was confirmed that the reduced graphene oxide was well dispersed by the (-) charge of the SO 3 - group of AHNS.
- 실시예에서 제조된 탄소 층 및 니켈(Ni)-풍부 NCM(NCM811)의 구조 및 화학적 상태를 분석하기 위하여, BNCM 및 GCNCM에 대한 XRD, 라만 스펙트로스코피, 및 XPS 측정을 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. - In order to analyze the structure and chemical state of the carbon layer and nickel (Ni)-rich NCM (NCM811) prepared in Examples, XRD, Raman spectroscopy, and XPS measurements were performed for BNCM and GCNCM, and the results were 3 is shown.
도 3a는 베어 NCM(BNCM) 및 3차원 탄소-코팅된 NCM(GCNCM)의 XRD 패턴을 나타낸다. 상기 도면에 따르면, BNCM 및 GCNCM의 피크 위치는 동일하였다. (003) 및 (004) 피크의 강도 비(I 003/I 104)는 양이온(Li+ 및 Ni2 +) 혼합 정도를 지시하며, 이때 BNCM 및 GCNCM에 대한 I 003/I 104 값은 각각 1.32 및 1.41이었다. 이러한 결과는 NCM의 층상 구조가 탄소 캡슐화(또는 코팅) 프로세스 과정에서 영향을 받지 않았음을 시사한다.Figure 3a shows the XRD patterns of bare NCM (BNCM) and three-dimensional carbon-coated NCM (GCNCM). According to the figure, the peak positions of BNCM and GCNCM were the same. The intensity ratio ( I 003 / I 104 ) of the (003) and (004) peaks indicates the degree of cation (Li + and Ni 2 + ) mixing, where the I 003 / I 104 values for BNCM and GCNCM are 1.32 and 1.32 and I 104 respectively for BNCM and GCNCM. It was 1.41. These results suggest that the layered structure of NCM was not affected during the carbon encapsulation (or coating) process.
도 3b는 BNCM 및 GCNCM의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 상기 도면을 참조하면, 483 cm-1 및 594 cm-1에서의 피크는 NCM811의 Eg 및 A1g 라만-활성 모드(R3m 공간 그룹)에 대응될 수 있다. 1347 cm-1, 1590 cm-1, 2690 cm-1, 및 2894 cm-1에서의 피크는 각각 탄소의 D, G, 2D, 및 D+G 밴드에 상당할 수 있다. D 밴드는 sp3 탄소 원자의 무질서-유도된 포논(phonon) 모드의 진동에 의하여 야기된 것으로, 구조 결함의 존재를 지시한다. G 밴드는 sp2 탄소 원자의 평면(in-plane) 진동과 관련되어 있다. 또한, 2D 밴드는 그래파이트의 스태킹 순서(stacking order)와 관련되어 있다. 이처럼, 탄소-캡슐화된 NCM에 대한 2D 밴드는 스태킹된 그래핀 시트의 존재를 뒷받침한다. Figure 3b shows the Raman spectra of BNCM and GCNCM. Referring to the figure, the peaks at 483 cm -1 and 594 cm -1 may correspond to the E g and A 1g Raman-active modes (R3m space group) of NCM811. The peaks at 1347 cm -1 , 1590 cm -1 , 2690 cm -1 , and 2894 cm -1 may correspond to the D, G, 2D, and D+G bands of carbon, respectively. The D band is caused by the disorder-induced phonon mode vibration of the sp 3 carbon atom, indicating the presence of structural defects. The G band is associated with in-plane vibrations of sp 2 carbon atoms. Also, the 2D band is related to the stacking order of graphite. As such, the 2D bands for carbon-encapsulated NCM support the existence of stacked graphene sheets.
도 4a 및 도 4b 각각은 실시예에서 사용된 그래핀 산화물(GO) 및 AHNS로 표면 개질된 후에 환원 처리된 그래핀 산화물(AHNS-rGO) 각각에 대한 라만 스펙트럼 및 XPS 분석 결과를 나타낸다.4A and 4B respectively show Raman spectra and XPS analysis results for graphene oxide (GO) used in Examples and graphene oxide (AHNS-rGO) that was surface-modified with AHNS and then subjected to reduction treatment.
도 4a를 참조하면, I D/I G는 GO가 rGO로 전환됨에 따라 증가하였으며, 이는 GO가 환원됨에 따라 sp2 도메인의 평균 사이즈가 감소함을 지시한다. 이러한 결과는 환원 프로세스 과정 중 sp2 구조가 재생됨에 따라 GO 내 sp2 도메인에 비하여 작은, 다수의 신규의 작은 그래파이트 도메인이 생성되었기 때문이다. 작은 sp2 도메인의 수가 증가함에 따라, 무질서도 및 엣지(edge) 면의 수가 증가하여 I D 가 증가하는 결과를 초래하게 된다. Referring to Fig. 4a, I D / IG increased as GO was converted to rGO , indicating that the average size of the sp 2 domain decreased as GO was reduced. This result is because, as the sp 2 structure is regenerated during the reduction process, many new small graphite domains, which are smaller than the sp 2 domains in GO, are generated. As the number of small sp 2 domains increases, the disorder and the number of edge faces increase, resulting in an increase in I D .
한편, BNCM 및 GCNCM의 전이금속에 대한 화학 조성 및 원자가 상태를 확인하기 위하여 XPS 측정을 수행한 결과를 도 3c 내지 도 3f에 나타내었다. 도 3c는 BNCM 및 GCNCM의 XPS C 1s를 보여준다. BNCM의 경우, 중앙이 289.5 eV인 피크는 Li2CO3의 CO3 2-에 대응될 수 있고, 보다 높은 바인딩 에너지에서의 다른 피크는 NCM 표면에 존재하는 오염 물질로부터 기인한 것으로 볼 수 있다. GCNCM의 경우, C s1의 디컨볼루션(deconvolution)으로 인하여 5개의 피크가 관찰되었으며(중앙값이 284.5 eV, 285.5 eV, 286.5 eV, 288.1 eV, 및 289.0 eV임), 이는 각각 CO3 2-, C-C/C=C, C-N, C=O 및 O-C=O에 대응된다. 이러한 피크는 NCM 상에 존재하는 AHNS-rGO 및 CNT로부터 기인한 것이다.Meanwhile, the results of XPS measurement to confirm the chemical composition and valence state of the transition metals of BNCM and GCNCM are shown in FIGS. 3c to 3f. Figure 3c shows
도 4b는 GO 및 AHNS-rGO의 XPS C 1s를 나타낸다. GO가 AHNS-rGO로 전환됨에 따라, C-O 및 C-C/C=C 피크의 세기 각각은 감소하고 증가하였고, 새로운 C-N 피크가 관찰되었다. Figure 4b shows
도 3c를 참조하면, GCNCM의 C 1s 피크의 위치 및 면적 비는 AHNS-rGO에서와 일치하였으며, 이는 NCM의 표면이 AHNS-rGO로 기능화되었음을 의미한다. Referring to Fig. 3c, the position and area ratio of the
도 3d는 BNCM 및 GCNCM의 XPS Ni 2p를 나타낸다. 상기 도면을 참조하면, Ni 2p3/2 피크는 Ni3+ 및 Ni2+ 피크로 디컨볼루션될 수 있고, 이때 바인딩 에너지는 각각 856.1 eV 및 855.0 eV이었다. Ni3+의 분율이 증가함에 따라, NCM의 전기화학적 활성은 증가하는 한편, Ni2+ 및 Li+의 양이온 혼합 정도는 감소하였다. 또한, BNCM 및 GCNCM의 Ni3+/Ni2+ 비는 각각 3.14 및 3.18이었는데, 이와 같이 2개의 샘플 간의 유사한 값은 3차원 탄소-함유 코팅 프로세스가 NCM의 화학적 상태를 변화시키지는 않음을 지시한다.Figure 3d shows
상술한 XRD, Raman, 및 XPS 측정 결과는 3차원 탄소-함유 코팅이 적용된 후에도 NCM의 구조 및 화학적 상태는 그대로 유지됨을 뒷받침한다.The above-mentioned XRD, Raman, and XPS measurement results support that the structure and chemical state of NCM are maintained even after the three-dimensional carbon-containing coating is applied.
- TGA 분석- TGA analysis
탄소-코팅된 NCM 내 탄소 성분의 함량을 측정하기 위하여 TGA 테스트를 수행하였다. 그 결과를 도 5a에 나타내었다. 이때, 샘플은 공기 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 30 ℃에서 750 ℃까지 가열하였다. 상기 도면을 참조하면, BNCM, GNCM 및 GCNCM는 각각 총 중량의 99.3%, 97.2%, 및 95.4%를 유지하였다. BNCM와 탄소-코팅된 NCM 간 중량 보유 정도의 차이는 탄소-코팅된 NCM 내 탄소 함량(GNCM 및 GCNCM 각각에 대하여 2.1% 및 3.9%임)을 의미한다. 측정된 탄소 함량은 탄소-코팅된 NCM 내 탄소 성분(AHNS-rGO 및 CNT)의 질량 백분율에 거의 일치하였다. A TGA test was performed to determine the content of carbon components in the carbon-coated NCM. The results are shown in Figure 5a. At this time, the sample was heated from 30°C to 750°C in an air atmosphere at a temperature increase rate of 10°C/min. Referring to the figure, BNCM, GNCM and GCNCM retained 99.3%, 97.2%, and 95.4% of the total weight, respectively. The difference in weight retention between BNCM and carbon-coated NCM refers to the carbon content in the carbon-coated NCM (which is 2.1% and 3.9% for GNCM and GCNCM, respectively). The measured carbon content closely matched the mass percentage of carbon components (AHNS-rGO and CNT) in the carbon-coated NCM.
- 전도도 측정- Conductivity measurement
도 5b에 따르면, BNCM, GNCM 및 GCNCM의 전도도는 각각 0.015 S/m, 0.031 S/m, 및 0.684 S/m이었다. CNT는 AHNS-rGO에 비하여 NCM의 전도도 개선에 보다 많이 기여함을 알 수 있다. 특히, 측정된 AHNS-rGO 및 CNT 필름 각각의 전도도가 약 69 S/m 및 173 S/m임을 주목할 필요가 있다. GCNCM은 BNCM에 비하여 약 46배 높은 전도도를 나타내었다. 이는 NCM 상에 형성된 전도성 탄소-함유 층이 전자를 NCM 표면으로 신속히 전달하기 때문에 우수한 율속 특성을 달성할 수 있는 것으로 판단된다. According to FIG. 5B, the conductivity of BNCM, GNCM and GCNCM was 0.015 S/m, 0.031 S/m, and 0.684 S/m, respectively. It can be seen that CNT contributes more to the conductivity improvement of NCM compared to AHNS-rGO. In particular, it is worth noting that the measured conductivities of the AHNS-rGO and CNT films were about 69 S/m and 173 S/m, respectively. GCNCM showed about 46 times higher conductivity than BNCM. It is considered that excellent rate-limiting properties can be achieved because the conductive carbon-containing layer formed on the NCM rapidly transfers electrons to the NCM surface.
- 표면 특성 분석- Surface characterization
BNCM, GNCM 및 GCNCM의 테스츄어 특성을 N2 물리흡착 실험을 통하여 평가하였으며, 그 결과를 도 5c에 나타내었다. 상기 도면은 BNCM, GNCM 및 GCNCM의 흡-탈착 등온선 및 이에 대응하는 BET 표면적을 보여주는 바, 각각 0.37 ㎡/g, 0.72 ㎡/g, 및 5.07 ㎡/g으로 평가되었다. GNCM의 비표면적은 BNCM과 대비하면 많이 변화하지 않았는데, 이는 AHNS-rGO 시트가 캡슐화 과정에서 NCM 상에 조밀하게 리스태킹(restacking)되었기 때문이다. 반면, GCNCM의 비표면적은 현저히 증가하였는 바, 이는 CNT가 AHNS-rGO 시트의 리스태킹을 억제하여 시트 사이에 다공성의 네트워크의 형성을 유도하였기 때문이다. The texture properties of BNCM, GNCM and GCNCM were evaluated through N 2 physisorption experiments, and the results are shown in FIG. 5c . The figure shows the adsorption-desorption isotherms of BNCM, GNCM and GCNCM and the corresponding BET surface areas, which were evaluated as 0.37 m2/g, 0.72 m2/g, and 5.07 m2/g, respectively. The specific surface area of GNCM did not change much compared to BNCM, because the AHNS-rGO sheets were densely restacked on the NCM during the encapsulation process. On the other hand, the specific surface area of GCNCM was significantly increased, because CNTs inhibited the restacking of AHNS-rGO sheets and induced the formation of a porous network between the sheets.
도 5d는 BNCM, GNCM 및 GCNCM의 포어 사이즈 분포를 보여준다. GNCM(AHNS-rGO로만 캡슐화됨)는, BNCM(0.0023 ㎤/g 및 27.8 nm)과 비교하면, 포어 체적(0.0048 ㎤/g1) 및 평균 포어 사이즈(30.9 nm)에 있어서 특별한 변화를 나타내지 않았다. GCNCM의 경우, 3차원 탄소 네트워크가 풍부한 마이크로포어(<2 nm) 및 메조포어(20 내지 50 nm)를 갖고 있었는 바, 2차원 AHNS-rGO 층(0.0048 ㎤/g)에 비하여 5.5배 이상 더 큰 포어 체적(0.0262 ㎤/g)을 나타내었다. 또한, 마이크로포어 및 메조포어의 발달로 인하여 17.2 nm의 보다 작은 포어 사이즈를 갖고 있었다. Figure 5d shows the pore size distribution of BNCM, GNCM and GCNCM. GNCM (encapsulated only in AHNS-rGO) showed no significant changes in pore volume (0.0048
- 형태학적 특성 분석- Morphological characterization
NCM 상에 형성된 탄소-함유 코팅층의 형태학적 특징 및 균일성은 SEM 및 TEM을 이용하여 분석하였다. 도 6a 내지 도 6f는 BNCM, GNCM 및 GCNCM의 저배율 및 고배율 SEM 사진이다. Morphological characteristics and uniformity of the carbon-containing coating layer formed on the NCM were analyzed using SEM and TEM. 6a to 6f are low and high magnification SEM photographs of BNCM, GNCM, and GCNCM.
도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이, BNCM은 수백 개의 나노미터 수준의 NCM 1차 입자로 이루어져 있으며, 10 내지 15 ㎛ 직경을 갖는 2차 입자를 형성한다. 6A and 6B, BNCM is composed of hundreds of nanometer-level NCM primary particles, and forms secondary particles having a diameter of 10 to 15 μm.
도 6c 및 도 6d는 GCNCM의 저배율 및 고배율 SEM 사진이다. 상기 도면에 따르면, AHNS-rGO 층은 전체 NCM 입자를 완전히 피복한다. 도 6g 및 도 6h는 BNCM 및 GNCM 입자의 단면 TEM 사진이다. GNCM의 경우, 도 6h에 나타낸 바와 같이, NCM의 표면이 조밀하게 스태킹된 AHNS-rGO 시트의 탄소 층으로 완전히 피복되어 있고, 탄소층의 두께는 약 7 nm이다. 조밀하게 스태킹된 AHNS-rGO 시트의 탄소 층을 통과하는 리튬 이온의 확산은 탄소 층 내 좁고 긴 확산 경로에 의하여 방해받을 수 있다. 6c and 6d are low magnification and high magnification SEM pictures of GCNCM. According to the figure, the AHNS-rGO layer completely covers the entire NCM particle. 6g and 6h are cross-sectional TEM images of BNCM and GNCM particles. In the case of GNCM, as shown in Fig. 6h, the surface of the NCM is completely covered with a carbon layer of densely stacked AHNS-rGO sheets, and the thickness of the carbon layer is about 7 nm. The diffusion of lithium ions through the carbon layer of the densely stacked AHNS-rGO sheets can be hindered by the narrow and long diffusion path in the carbon layer.
도 6e 및 도 6f는 GCNCM의 SEM 사진이다. 도 6f에서 알 수 있듯이, CNT는 AHNS-rGO와 잘 혼합되어 있고, NCM을 균일하게 피복하고 있다. GNCM과 대비하면, GCNCM은 보다 거친 표면을 나타내었다. 6e and 6f are SEM pictures of GCNCM. As can be seen from Fig. 6f, CNTs were well mixed with AHNS-rGO and uniformly covered the NCMs. Compared with GNCM, GCNCM showed a rougher surface.
도 6i는 GCNCM 입자의 단면 TEM 사진이다. 상기 도면에 따르면, GNCM의 2차원 구조의 탄소 층(도 6h)과 달리, GCNCM의 탄소 층은 계층적 3차원 다공성 구조를 나타내었다. 이는 CNT가 AHNS-rGO 시트 내로 삽입되어 스태킹을 억제함으로써 다수의 주름을 갖게 되고, 조밀하지 않게 팩킹된 AHNS-rGO 시트를 형성하였기 때문이다. 이처럼, CNT의 첨가는 AHNS-rGO 층 내에 작은 주름을 유발하고, 마이크로포어 및 메조포어의 형성을 유도한다. GCNCM의 탄소 층 두께(30 nm)는 3차원 네트워크 구조의 형성으로 인하여 GNCM의 탄소 층 두께(7 nm)보다 컸으며, 이때 CNT는 AHNS-rGO 층 사이에 삽입되어 있다(도 6h 및 도 6i). 6i is a cross-sectional TEM image of GCNCM particles. According to the figure, unlike the carbon layer of the two-dimensional structure of the GNCM (Fig. 6h), the carbon layer of the GCNCM exhibited a hierarchical three-dimensional porous structure. This is because CNTs were inserted into the AHNS-rGO sheet to inhibit stacking, thereby having multiple wrinkles and forming a non-densely packed AHNS-rGO sheet. As such, the addition of CNTs induces small wrinkles in the AHNS-rGO layer and induces the formation of micropores and mesopores. The carbon layer thickness (30 nm) of GCNCM was larger than that of GNCM (7 nm) due to the formation of a three-dimensional network structure, with CNTs intercalated between the AHNS-rGO layers (Fig. 6h and Fig. 6i). .
전술한 SEM 및 TEM 분석은 NCM 표면에 탄소 층이 균일하게 피복되어 있고, CNT가 AHNS-rGO 층 내로 삽입됨으로써 3차원 구조의 탄소 층이 형성됨을 뒷받침한다.The above-mentioned SEM and TEM analysis support that the carbon layer is uniformly coated on the surface of the NCM, and the carbon layer with a three-dimensional structure is formed by the insertion of CNTs into the AHNS-rGO layer.
- 전기화학적 성능 분석- Electrochemical performance analysis
3차원 탄소 피복이 NCM의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 평가하기 위하여 CV 및 정전 충-방전(GCD) 측정을 수행하였다. CV and electrostatic charge-discharge (GCD) measurements were performed to evaluate the effect of three-dimensional carbon coating on the electrochemical performance of NCMs.
도 7a는 2.8 내지 4.3 V의 전위 대역에서 BNCM, GNCM 및 GCNCM 전극의 CV 곡선을 나타낸다. 상기 도면에 따르면, 모든 전극은 3쌍의 레독스 피크를 나타내었다. 이때, 레독스 피크의 전위 간격(ΔV)은 전극의 전기화학적 가역성 및 극성화도(degree of polarization)를 지시할 수 있다. BNCM 전극의 CV 곡선(ΔVBNCM = 0.155 V)과 비교하면, GNCM 전극의 양극 피크 및 음극 피크는 각각 넓어지면서 보다 크고, 보다 낮은 전위(ΔVGNCM = 0.214 V)로 시프트되었는데, 이는 극성의 증가를 의미한다. BNCM의 전도도보다 GNCM의 전도도가 보다 높음에도 불구하고, GNCM 전극은 BNCM 전극보다 높은 극성을 나타내었으며, 이는 벌크 상태의 전해질로부터 NCM 표면까지의 리튬 이온의 확산 억제(NCM 표면 상에서 조밀하게 팩킹된 AHNS-rGO 시트에 의하여 야기됨)로부터 기인한 것일 수 있다. 반면, GCNCM 전극은 다른 샘플에 비하여 양극 피크와 음극 피크 간에 보다 좁은 레독스 피크 폭 및 간격(ΔVGCNCM = 0.102 V)을 나타내었으며, 이는 가장 낮은 극성을 나타냄을 의미한다. 이는 NCM 표면에 형성된 도전성의 다공성 3차원 탄소 네트워크 층으로부터 기인한 것으로, 전자 및 리튬 이온의 수송을 촉진할 수 있다. 이처럼, GCNCM 전극은 우수한 율속 성능을 달성하는 것으로 기대된다.Figure 7a shows the CV curves of the BNCM, GNCM and GCNCM electrodes in the potential band of 2.8 to 4.3 V. According to the figure, all electrodes exhibited three pairs of redox peaks. In this case, the potential interval (ΔV) of the redox peak may indicate the electrochemical reversibility and the degree of polarization of the electrode. Comparing with the CV curve of the BNCM electrode ( ΔV BNCM = 0.155 V), the positive and negative peaks of the GNCM electrode each broadened and shifted to a larger, lower potential ( ΔV GNCM = 0.214 V), which was of polarity. means increase. Despite the higher conductivity of GNCM than that of BNCM, the GNCM electrode showed higher polarity than that of the BNCM electrode, which inhibited diffusion of lithium ions from the bulk electrolyte to the NCM surface (densely packed AHNS on the NCM surface). -caused by the rGO sheet). On the other hand, the GCNCM electrode showed a narrower redox peak width and interval ( ΔV GCNCM = 0.102 V) between the positive and negative peaks compared to other samples, indicating the lowest polarity. This is due to the conductive, porous three-dimensional carbon network layer formed on the surface of the NCM, which can promote the transport of electrons and lithium ions. As such, the GCNCM electrode is expected to achieve excellent rate-limiting performance.
한편, 도 8a 내지 도 8c는 BNCM, GNCM 및 GCNCM 전극의 CV 곡선이다(주사 속도: 0.1 내지 1 mV/s, 전압 범위: 2.8 내지 4.3 V). 상기 도면을 참조하면, 주사 속도가 증가할수록 레독스 피크의 전위 간격(ΔV)이 보다 커졌는데, 레독스 반응이 확산에 의하여 조절됨을 지시한다. 또한, 전극의 극성이 증가함에 따라, 레독스 피크의 시프트 역시 증가하였다. 따라서, 높은 극성을 갖는 전극의 경우, 이러한 피크 시프트는 높은 주사 속도에서 몇몇 레독스 반응을 제한할 수 있다. 도 8b에 있어서, BNCM 전극(도 8a)과 대비하면, GNCM 전극의 양극 피크 및 음극 피크 각각은 보다 넓어지고, 보다 높은 전위 및 보다 낮은 전위로 시프트되었는 바, 이는 BNCM보다 높은 전극 극성을 갖기 때문이다. 또한, GNCM의 레독스 피크 전류는 주사 속도가 증가함에 따라 다소 증가하였고, 이는 NCM 표면에 조밀하게 스태킹된 AHNS-rGO 시트에 의하여 레독스 반응이 방해받았기 때문이다. 반면, GCNCM 전극의 경우, 양극 피크와 음극 피크 간 간격은 다른 종류에 비하여 더 작았으며, 이는 NCM 표면에 형성된 높은 도전성의 3차원 탄소 층에 의하여 신속한 전하 수송이 이루어져 전극의 극성이 급격히 감소함을 의미한다. 그러나, AHNS-rGO으로만 코팅되는 경우에는 NCM 표면에 2차원의 밀집된 AHNS-rGO 층이 형성되어 전자 전도는 개선하더라도 리튬 이온 확산을 방해하여 전극 극성을 증가시키게 된다.Meanwhile, FIGS. 8A to 8C are CV curves of BNCM, GNCM and GCNCM electrodes (scan speed: 0.1 to 1 mV/s, voltage range: 2.8 to 4.3 V). Referring to the figure, as the scanning speed increases, the potential interval (ΔV) of the redox peak becomes larger, indicating that the redox reaction is controlled by diffusion. In addition, as the polarity of the electrode increased, the shift of the redox peak also increased. Therefore, for electrodes with high polarity, this peak shift may limit some redox reactions at high scan rates. In Fig. 8b, compared with the BNCM electrode (Fig. 8a), the anode peak and the cathode peak of the GNCM electrode, respectively, are wider and shifted to a higher potential and a lower potential, which is because it has a higher electrode polarity than the BNCM. am. In addition, the redox peak current of GNCM slightly increased with increasing scanning rate, because the redox reaction was hampered by the densely stacked AHNS-rGO sheets on the NCM surface. On the other hand, in the case of the GCNCM electrode, the gap between the positive and negative peaks was smaller than that of other types, indicating that the polarity of the electrode rapidly decreased due to rapid charge transport by the highly conductive three-dimensional carbon layer formed on the surface of the NCM. it means. However, when only AHNS-rGO is coated, a two-dimensional dense AHNS-rGO layer is formed on the surface of the NCM, which improves electron conduction but prevents lithium ion diffusion and increases electrode polarity.
샘플의 율속 특성을 비교하기 위하여, CC/CV 모드에서 충-방전 테스트를 수행하였다.To compare the rate-rate characteristics of the samples, a charge-discharge test was performed in CC/CV mode.
도 7b는 전극의 초기 충-방전 프로파일(0.1 C, 2.8 내지 4.3 V 전위 범위)을 나타내는 바, BNCM, GNCM 및 GCNCM 각각의 초기 충방전 효율은 89.7%, 90.6%, 및 92.3%이었다. BNCM과 대비하면, GCNCM는 보다 높은 초기 충방전 효율을 나타내었으며, 이는 NCM 상에 형성된 도전성 3차원 구조의 AHNS-rGO 층으로부터 기인한다.7B shows the initial charge-discharge profile (0.1 C, 2.8 to 4.3 V potential range) of the electrode. The initial charge-discharge efficiencies of BNCM, GNCM and GCNCM were 89.7%, 90.6%, and 92.3%, respectively. Compared with BNCM, GCNCM showed higher initial charge/discharge efficiency, which is attributed to the conductive three-dimensional AHNS-rGO layer formed on the NCM.
도 9a 내지 도 9d는 다양한 C에 따른 전극의 방전 프로파일을 나타내는 바, 0.1 C에서 BNCM, GNCM 및 GCNCM 전극의 비방전용량(specific discharge capacity)은 각각 200 mAh/g, 196 mAh/g, 및 195 mAh/g이었다. BNCM에 비하여 GNCM 및 GCNCM의 비방전용량이 다소 낮은 것은 탄소 함량 때문이며, 2.8 내지 4.3 V의 전위 범위에서는 용량에 기여하지 않았다. GNCM 전극의 경우(도 9b), BNCM 전극과 비교하면, IR 드롭(drop)은 C가 증가할수록 급격히 증가하였다. 또한, GNCM 전극은 BNCM 전극보다 더 낮은 리튬화(lithiation) 전위 및 방전 용량을 나타내었으며, 이는 리튬 이온 확산의 억제로부터 유도된 극성화가 증가하였기 때문이다. 반면, GCNCM 전극은 동일한 C에서 다른 전극에 비하여 보다 낮은 IR 드롭, 그리고 보다 높은 환원 전위를 나타내었다(도 9a 및 도 9c). 이는 높은 전도성의 AHNS-rGO/CNT 복합층으로 코팅하여 전도도가 증가하였기 때문이다. AHNS-rGO의 높은 전도도에도 불구하고, 조밀하게 스태킹된 2차원 구조는 벌크 상 전해질로부터 리튬 이온이 확산되는 것을 방해하여 낮은 율속 특성을 유발하였다. 반면, 높은 도전성을 갖는 3차원 다공성 탄소 네트워크 층은 우수한 율속 특성을 나타내었는 바, NCM의 전도도를 증가시킬 뿐만 아니라, 확산 채널을 제공하여 극성을 감소시키고, 리튬 이온의 확산을 촉진하였기 때문이다. 이처럼, GCNCM 전극은 BNCM에 비하여 약 5배 더 높은 비방전용량(10 C)을 나타내었다. 9A to 9D show the discharge profiles of the electrodes according to various C. The specific discharge capacities of the BNCM, GNCM and GCNCM electrodes at 0.1 C are 200 mAh/g, 196 mAh/g, and 195 mAh, respectively. /g. The reason why the specific discharge capacities of GNCM and GCNCM were somewhat lower than those of BNCM was due to the carbon content, and did not contribute to the capacity in the potential range of 2.8 to 4.3 V. In the case of the GNCM electrode (FIG. 9b), compared with the BNCM electrode, the IR drop increased rapidly as C increased. In addition, the GNCM electrode exhibited lower lithiation potential and discharge capacity than the BNCM electrode, due to increased polarization derived from inhibition of lithium ion diffusion. On the other hand, the GCNCM electrode showed a lower IR drop and a higher reduction potential compared to the other electrodes at the same C ( FIGS. 9a and 9c ). This is because the conductivity was increased by coating with the highly conductive AHNS-rGO/CNT composite layer. Despite the high conductivity of AHNS-rGO, the densely stacked two-dimensional structure prevented diffusion of lithium ions from the bulk phase electrolyte, resulting in low rate-rate properties. On the other hand, the three-dimensional porous carbon network layer having high conductivity exhibited excellent rate-limiting properties, because it not only increased the conductivity of the NCM, but also reduced the polarity by providing a diffusion channel and promoted the diffusion of lithium ions. As such, the GCNCM electrode exhibited a specific discharge capacity (10 C) that was about 5 times higher than that of the BNCM.
도 7d를 참조하면, GCNCM 전극은 우수한 사이클 성능(100 사이클 후 88%의 용량 보유)을 나타내었다(BNCM 및 GNCM 전극은 각각 65% 및 49%). 특히, GNCM 전극이 가장 낮은 사이클 성능을 나타내었는 바, AHNS-rGO의 스태킹때문으로 볼 수 있다. 스태킹된 AHNS-rGO 시트는 보틀넥(bottleneck) 효과에 의하여 벌크 상 전해질로부터의 리튬 이온 확산을 억제하여 전극의 극성화를 유발함으로써 비가역적인 상 시프트 및 전해질과의 부반응을 유발한다. 스태킹된 2차원 탄소 층과 달리, 도전성의 3차원 구조를 갖는 탄소 네트워크를 제공한 AHNS-rGO/CNT 복합체는 풍부한 전자/이온 수소 채널을 제공하여 전도도 및 리튬 이온 확산도를 개선할 수 있다.Referring to FIG. 7d , the GCNCM electrode showed good cycle performance (capacity retention of 88% after 100 cycles) (65% and 49% for BNCM and GNCM electrodes, respectively). In particular, the GNCM electrode showed the lowest cycle performance, which can be attributed to the stacking of AHNS-rGO. The stacked AHNS-rGO sheets inhibit lithium ion diffusion from the bulk phase electrolyte by the bottleneck effect, causing polarization of the electrode, thereby causing an irreversible phase shift and side reaction with the electrolyte. Unlike stacked two-dimensional carbon layers, AHNS-rGO/CNT composites, which provided carbon networks with conductive three-dimensional structures, could provide abundant electron/ion hydrogen channels to improve conductivity and lithium ion diffusivity.
- 사이클링 특성 분석- Cycling Characteristics Analysis
EIS를 수행하여 GCNCM 전극의 전기화학적 성능 개선에 대한 원인을 추가적으로 분석하였다. 도 7e 및 도 7f는 1 사이클 및 100 사이클 후 BNCM, GNCM 및 GCNCM 전극의 Nyquist 플롯을 보여준다(삽입 도면은 Nyquist 플롯의 등가 회로 모델임). Nyquist 플롯으로부터 산출된 전극의 저항 값은 하기 표 1과 같다.EIS was performed to further analyze the cause of the improvement of the electrochemical performance of the GCNCM electrode. 7e and 7f show Nyquist plots of BNCM, GNCM and GCNCM electrodes after 1 cycle and 100 cycles (inset is the equivalent circuit model of the Nyquist plot). The resistance values of the electrodes calculated from the Nyquist plot are shown in Table 1 below.
도 7e 및 도 7f에 따르면, GNCM 전극은 다른 전극에 비하여 높은 Rsf(38.7 Ω) 및 Rct(29.1 Ω) 값을 나타내었는데, 이는 리튬 이온 확산의 억제 및 전해액과의 반응 때문이다. 반면, GCNCM은 3차원 네트워크 구조를 통하여 리튬 이온 확산을 촉진하고 부반응을 억제함으로써 얇은 양극-전해질 계면(CEI)을 형성함을 알 수 있다. 도 7f의 경우, 100 사이클 후, BNCM, GNCM 및 GCNCM 전극의 Nyquist 플롯을 나타내다. 이와 관련하여, Rct가 전극의 용량 감소의 주된 요인으로 볼 수 있으며, GCNCM의 경우에는 표면 보호층에 의하여 부반응이 제한적이고, 가역적 전기화학 반응은 증가된 전도도에 의하여 유지되었다. 따라서, GCNCM 전극의 Rct는 BNCM 전극 대비 크게 증가하지 않았으며, 특히 다른 전극에 비하여 100 사이클 후에도 가장 작은 Rct 값을 나타내었다.7e and 7f, the GNCM electrode showed high R sf (38.7 Ω) and R ct (29.1 Ω) values compared to other electrodes, which is due to inhibition of lithium ion diffusion and reaction with electrolyte. On the other hand, it can be seen that GCNCM forms a thin anode-electrolyte interface (CEI) by promoting lithium ion diffusion and suppressing side reactions through a three-dimensional network structure. 7f shows Nyquist plots of BNCM, GNCM and GCNCM electrodes after 100 cycles. In this regard, R ct can be seen as the main factor for the decrease in the capacity of the electrode, and in the case of GCNCM, the side reaction is limited by the surface protective layer, and the reversible electrochemical reaction is maintained by the increased conductivity. Therefore, the R ct of the GCNCM electrode did not increase significantly compared to the BNCM electrode, and, in particular, showed the smallest R ct value even after 100 cycles compared to the other electrodes.
한편, 도 10a 내지 도 10f는 각각 100 사이클 후, BNCM 및 GCNCM 전극의 SEM 및 TEM 사진을 나타낸다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 리튬화/탈리튬화 프로세스는 NCM 입자 내에 미세-크랙을 생성하였는데, 이는 상기 프로세스 과정에서 체적 변화가 일어나기 때문이다. 미세-크랙이 형성되면, 1차 입자가 물리적으로 분리되어 전기적 통로는 단절되고, 저항을 증가시키게 된다. 또한, 전해질이 미세-크랙에 의하여 생성된 NCM 내부 공간 내로 침투하여 부반응에 의하여 NiO와 유사한 비활성의 상을 생성함으로써 표면 열화를 촉진하고, NCM의 용량 감소를 유발시킨다. 반면, GCNCM의 경우, 사이클링 과정에서 1차 입자가 분리되는 것을 억제한다(도 10c 및 도 10d). 또한, 크랙이 발생된다 해도, 3차원 탄소 네트워크 구조로 인하여 분리된 입자 사이에 전자 수송 경로를 제공하고, 전해질이 크랙을 통하여 침투하는 현상을 억제할 수 있다.Meanwhile, FIGS. 10A to 10F show SEM and TEM images of BNCM and GCNCM electrodes after 100 cycles, respectively. Referring to FIGS. 10A and 10B , the lithiation/delithiation process produced micro-cracks in the NCM particles, because a volume change occurred during the process. When the micro-cracks are formed, the primary particles are physically separated to cut the electrical path and increase the resistance. In addition, the electrolyte penetrates into the inner space of the NCM generated by the micro-cracks to generate an inert phase similar to NiO by a side reaction, thereby promoting surface degradation and reducing the capacity of the NCM. On the other hand, in the case of GCNCM, the separation of primary particles during the cycling process is suppressed ( FIGS. 10c and 10d ). In addition, even if cracks occur, an electron transport path is provided between the separated particles due to the three-dimensional carbon network structure, and penetration of the electrolyte through the cracks can be suppressed.
도 10e 및 도 10f는 100 사이클 후, BNCM 및 GCNCM 전극의 단면 TEM 사진이다. 2가지 샘플 내 1차 입자의 표면을 관찰하여 양이온 무질서에 의하여 야기된 결정 구조 내 변화를 분석하였다. 표면에서 벌크 상까지의 TEM 사진을 관찰한 결과, BNCM 및 GCNCM 샘플 모두에 대하여 붉은 선 및 노란 선에 의하여 구분되는 3개의 영역을 확인할 수 있다. 붉은 선 내부는 층상 구조가 몇몇 무질서도를 갖는 최외곽 표면 층으로서 암석-염 상(rock-salt phase)으로 전환된다. 붉은 선과 노란 선 사이의 영역에서는 층상 구조가 무질서화되나 약하게 유지된다. 노란 색 내부는 층상 구조가 잘 유지되는 영역이다. BNCM의 무질서화된 영역의 두께(<30 nm)와 비교하면, GNCM의 두께(<10 nm)는 훨씬 얇았다. 이는 표면으로부터 전파된 상 변화가 억제됨을 의미한다. 10e and 10f are cross-sectional TEM pictures of BNCM and GCNCM electrodes after 100 cycles. The changes in the crystal structure caused by cationic disorder were analyzed by observing the surface of the primary particles in the two samples. As a result of observing the TEM images from the surface to the bulk phase, three regions separated by red and yellow lines for both BNCM and GCNCM samples can be identified. Inside the red line, the layered structure is converted to the rock-salt phase as the outermost surface layer with some disorder. In the region between the red and yellow lines, the layered structure is disordered but weakly maintained. The yellow interior is the area where the layered structure is well maintained. Compared to the thickness of the disordered region of BNCM (<30 nm), the thickness of GNCM (<10 nm) was much thinner. This means that the phase change propagated from the surface is suppressed.
층상으로부터 무질서, 그리고 암석-염까지의 구조 변화는 양이온 혼합으로부터 비롯되며, FFT 사진(도 10e 및 도 10f의 삽입 도면)에 의하여 뒷받침된다. 각각의 FFT 사진은 BNCM 및 GNCM에 대한 3개의 영역을 촬영한 것이다. 이러한 결과는 탄소 층이 전도도를 개선할 뿐만 아니라, NCM과 전해질 간의 접촉을 최소화하여 NCM 표면을 보호하였기 때문이다.Structural changes from stratified to disordered and rock-salts result from cationic mixing and are supported by FFT photographs (insets in FIGS. 10E and 10F ). Each FFT picture was taken of three regions for BNCM and GNCM. This result is because the carbon layer not only improved the conductivity, but also protected the NCM surface by minimizing the contact between the NCM and the electrolyte.
100회 사이클링 후, 전극 표면 층의 성분을 파악하기 위하여 XPS 분석을 수행하였으며, BNCM 및 GCNCM 각각의 XPS Ni 2p 스펙트럼을 도 11a 및 도 11b에 나타내었다. Ni2+ 및 Ni3+ 피크는 각각 NiF2 및 LiNi1-xMyO2의 존재로부터 기인한다. 도시된 바와 같이, GCNCM에 대한 Ni2+/Ni3+ 비는 BNCM에 비하여 현저히 낮았는데, 이는 탄소 층이 NCM과 전해질 간의 부반응을 효과적으로 억제하였음을 시사한다. After cycling 100 times, XPS analysis was performed to identify the components of the electrode surface layer, and
도 11c 및 도 11d에 도시된 바와 같이, GCNCM의 표면에 형성된 LiF 피크의 세기는 BNCM에 비하여 훨씬 낮았으며, 이는 3차원 탄소 코팅층이 LiF의 형성을 효과적으로 억제하였음을 의미한다. 또한, NiF2 및 LiF가 절연체이므로, CEI 층의 두께가 증가할수록 전자 및 리튬 이온의 이동은 더욱 방해받아 용량 감소 폭이 커진다. 도 6e 및 도 6f는 BNCM 및 GCNCM 각각의 XPS C 1s 스펙트럼을 나타낸다. 289.5 eV에서 디컨벌루션된 피크는 전극 상에 Li2CO3 및 ROCO2Li의 존재를 뒷받침한다. 284.5 eV, 285.5 eV, 286.5 eV, 288.1 eV, 289 eV, 및 290.3 eV에서의 다른 피크는 각각 C-C/C=C, C-H2/C-N, C-O, C=O, O-C=O, 및 C-F2에 대응되는데, 이는 전극의 도전성의 탄소 재료(Super P, AHNS-rGO 및 CNT) 및 바인더(PVdF) 로부터 발생된 것이다. BNCM에 대한 289.5 eV에서의 Li2CO3/ROCO2Li 피크 면적은 GCNCM에 비하여 현저히 컸으며, 3차원 탄소 층이 전극 표면에서의 전해질 분해를 억제하여 CEI 층의 후막화를 방지하였음을 의미한다. 부반응을 억제함으로서 전자 및 리튬 이온이 레독스 반응 과정에서 표면 층을 용이하게 통과하여 용량 감소를 억제할 수 있다. 11c and 11d, the intensity of the LiF peak formed on the surface of GCNCM was much lower than that of BNCM, which means that the three-dimensional carbon coating layer effectively suppressed the formation of LiF. In addition, since NiF 2 and LiF are insulators, as the thickness of the CEI layer increases, the movement of electrons and lithium ions is further hindered, resulting in a large decrease in capacity. 6e and 6f
한편, 실시예에서 도전성 3차원 구조의 탄소 네트워크 층이 NCM의 전기화학적 안정성을 개선하는 기능은 도 12에 도시된 바와 같이 설명할 수 있다.Meanwhile, in the embodiment, the function of the carbon network layer having a conductive three-dimensional structure to improve the electrochemical stability of the NCM can be described as shown in FIG. 12 .
상기 도면을 참조하면, 도전성 3차원 구조의 탄소 네트워크 층은, (i) 반복된 사이클 과정 중 체적 변화로 인하여 미세-크랙이 발생하는 경우, 1차 입자 사이에 전기적 연결을 유지하도록 하고, (ii) NCM과 전해질 간의 접촉을 최소화하고 전해질이 미세-크랙 내로 침투하는 것을 억제함으로써 NCM 표면 상에 비가역적 상 전이가 일어나는 것을 감소시키며, 그리고 (iii) 표면 보호에 의하여 전극/전해질 계면에서의 부반응을 억제할 수 있다. Referring to the drawings, the carbon network layer of the conductive three-dimensional structure (i) maintains electrical connection between primary particles when micro-cracks occur due to volume change during repeated cycles, (ii) ) reduce the irreversible phase transition on the NCM surface by minimizing the contact between the NCM and the electrolyte and inhibiting the electrolyte from penetrating into the micro-cracks, and (iii) reducing the side reactions at the electrode/electrolyte interface by protecting the surface. can be suppressed
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. Simple modifications or changes of the present invention can be easily used by those of ordinary skill in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.
Claims (20)
b) 상기 표면 개질된 그래핀 산화물을 환원 처리하여 표면 개질된 환원 그래핀 산화물(rGO)을 형성하는 단계;
c) 액상 매질 내에 상기 표면 개질된 환원 그래핀 산화물 및 도전성 나노입자를 함유하는 제1 분산물을 제조하는 단계;
d) 상기 제1 분산물을 농축하여 슬러리 형태의 제2 분산물을 형성하는 단계;
e) 상기 제2 분산물 및 금속 산화물 입자를 조합하여 제3 분산물을 형성하는 단계; 및
f) 상기 제3 분산물로부터 액상 매질을 제거하는 단계;
를 포함하는 2차 전지의 양극재용 복합 소재의 제조방법으로서,
상기 복합 소재는 금속 산화물 입자 상에 표면 개질된 환원 그래핀 산화물 및 도전성 나노입자를 함유하는 캡슐화 층을 포함하며, 상기 도전성 나노입자가 표면 개질된 환원 그래핀 산화물의 시트 사이에 삽입됨으로써 표면 개질된 환원 그래핀 산화물의 2차원 구조를 3차원 탄소-함유 네트워크 구조로 전환시킨 복합 소재의 제조방법.a) Surface-modifying the graphene oxide using an amino group-containing compound that bonds with carbon atoms while ring-opening the epoxy group in the graphene oxide so that the surface of the graphene oxide has a negative (-) charge in an aqueous medium ;
b) reducing the surface-modified graphene oxide to form a surface-modified reduced graphene oxide (rGO);
c) preparing a first dispersion containing the surface-modified reduced graphene oxide and conductive nanoparticles in a liquid medium;
d) concentrating the first dispersion to form a second dispersion in the form of a slurry;
e) combining the second dispersion and the metal oxide particles to form a third dispersion; and
f) removing the liquid medium from the third dispersion;
As a method of manufacturing a composite material for a cathode material of a secondary battery comprising a,
The composite material includes an encapsulation layer containing surface-modified reduced graphene oxide and conductive nanoparticles on metal oxide particles, and the conductive nanoparticles are surface-modified by being inserted between sheets of surface-modified reduced graphene oxide. A method for manufacturing a composite material in which the two-dimensional structure of reduced graphene oxide is converted into a three-dimensional carbon-containing network structure.
[일반식 1]
NH2-R1-SO3H
[일반식 2]
NH2-R2-PO3H2
상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기, 방향족 고리가 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 6 내지 18의 아릴렌기(여기서, 치환기는 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 수산화기, 케톤기, 카르복시기, 또는 할로겐기임).The method according to claim 1, wherein the amino group-containing compound is at least one selected from compounds represented by the following general formulas 1 and 2 or a salt thereof:
[General formula 1]
NH 2 -R 1 -SO 3 H
[General formula 2]
NH 2 -R 2 -PO 3 H 2
In the above formula, R 1 and R 2 are independently an alkylene group having 1 to 12 carbon atoms, an arylene group having 6 to 18 carbon atoms in which an aromatic ring is substituted or unsubstituted (wherein the substituent is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a hydroxyl group, a ketone group , a carboxy group, or a halogen group).
[일반식 3]
Li(NixCoyMnz)O2
상기 식에서 x는 0.3 내지 0.95, y는 0.025 내지 0.35, 및 z는 0.025 내지 0.35, 그리고 x+y+z=1이다.The method of claim 3, wherein the metal oxide is represented by the following general formula (3):
[General Formula 3]
Li(Ni x Co y Mn z )O 2
In the above formula, x is 0.3 to 0.95, y is 0.025 to 0.35, and z is 0.025 to 0.35, and x+y+z=1.
상기 화학적 환원 반응은 환원제로서, 히드라진(hydrazine), 히드라진 수화물(hydrazine hydrate, N2H4.H2O), 소듐보로하이드레이트(sodium borohydrate, NaBH4) , 암모니아보란(NH3BH3), 에틸렌디아민, 티오우레아, 하이드로이오닉산(hydroionicacid), L-아스코르브산(L-ascorbic acid), 우레아, 하이드로퀴논(hydroquinone) 및 벤질 아민(benzyl amine)로부터 선택되는 적어도 하나를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the thermal reduction comprises thermally treating the graphene oxide under an inert gas atmosphere, and
The chemical reduction reaction is a reducing agent, hydrazine (hydrazine), hydrazine hydrate (N 2 H 4 .H 2 O), sodium borohydrate (sodium borohydrate, NaBH 4 ), ammonia borane (NH 3 BH 3 ), ethylenediamine, thiourea, hydroionic acid, L-ascorbic acid, urea, hydroquinone, and benzyl amine. A method for manufacturing a composite material.
상기 도전성 나노입자는, 표면 개질된 환원 그래핀 산화물의 중량 기준으로, 10 내지 300 중량%의 량으로 함유되는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the conductive nanoparticles contained in the first dispersion in step c) are at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes (CNT), carbon black and conductive metal nanoparticles, and
The conductive nanoparticles are, based on the weight of the surface-modified reduced graphene oxide, a method for producing a composite material, characterized in that contained in an amount of 10 to 300% by weight.
상기 제3 분산물 내에서 금속 산화물은 표면 개질된 환원 그래핀 산화물 기준으로, 1000 내지 10000 중량% 범위의 량으로 함유된 것을 특징으로 하는 복합 소재의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the metal oxide is in the form of particles, the size of which ranges from 1 to 50 μm, and
The method for producing a composite material, characterized in that the metal oxide in the third dispersion is contained in an amount in the range of 1000 to 10000 wt% based on the surface-modified reduced graphene oxide.
상기 금속 산화물 입자 상에 형성되고, 표면 개질된 환원 그래핀 산화물 및 도전성 나노입자를 포함하는 캡슐화 층;
을 포함하는 2차 전지의 양극재용 복합 소재로서,
상기 캡슐화 층은 도전성 나노입자가 표면 개질된 환원 그래핀 산화물의 시트 사이에 삽입됨으로써 표면 개질된 환원 그래핀 산화물의 2차원 구조로부터 전환된 3차원 탄소-함유 네트워크 구조를 갖고,
상기 복합 소재 중량을 기준으로, 탄소 성분의 함량은 0.5 내지 10 중량% 범위이고,
상기 캡슐화 층은 15 내지 40 nm의 두께를 갖고, 캡슐화 층의 중량을 기준으로, 환원 그래핀 산화물 30 내지 70 중량% 및 도전성 나노입자 70 내지 30 중량%를 포함하며,
상기 복합 소재는 1 내지 50 ㎡/g 범위의 비표면적(BET) 및 0.005 내지 1 ㎤/g 범위의 포어 체적을 나타내고, 그리고
상기 표면 개질된 환원 그래핀 산화물은 하기 일반식 1 및 2로 표시되는 화합물로부터 선택되는 적어도 하나 또는 이의 염인 아미노기-함유 화합물로 표면 개질된 것인 복합 소재:
[일반식 1]
NH2-R1-SO3H
[일반식 2]
NH2-R2-PO3H2
상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기, 방향족 고리가 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 6 내지 18의 아릴렌기(여기서, 치환기는 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 수산화기, 케톤기, 카르복시기, 또는 할로겐기임).metal oxide particles; and
an encapsulation layer formed on the metal oxide particles and including surface-modified reduced graphene oxide and conductive nanoparticles;
As a composite material for a cathode material of a secondary battery comprising a,
The encapsulation layer has a three-dimensional carbon-containing network structure converted from the two-dimensional structure of the surface-modified reduced graphene oxide by inserting conductive nanoparticles between the sheets of surface-modified reduced graphene oxide,
Based on the weight of the composite material, the content of the carbon component is in the range of 0.5 to 10% by weight,
The encapsulation layer has a thickness of 15 to 40 nm, and contains 30 to 70% by weight of reduced graphene oxide and 70 to 30% by weight of conductive nanoparticles, based on the weight of the encapsulation layer,
the composite material exhibits a specific surface area (BET) in the range of 1 to 50 m 2 /g and a pore volume in the range of 0.005 to 1 cm 3 /g, and
The surface-modified reduced graphene oxide is a composite material that is surface-modified with an amino group-containing compound, which is at least one selected from compounds represented by the following general formulas 1 and 2, or a salt thereof:
[General formula 1]
NH 2 -R 1 -SO 3 H
[General formula 2]
NH 2 -R 2 -PO 3 H 2
In the above formula, R 1 and R 2 are independently an alkylene group having 1 to 12 carbon atoms, an arylene group having 6 to 18 carbon atoms in which an aromatic ring is substituted or unsubstituted (wherein the substituent is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a hydroxyl group, a ketone group , a carboxy group, or a halogen group).
이때, 금속 산화물 입자는 1차 입자, 또는 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자 형태인 것을 특징으로 하는 복합 소재.The method of claim 16, wherein the metal oxide particles are nickel-cobalt-manganese oxide (NCM) material,
At this time, the metal oxide particles are a composite material, characterized in that the primary particles or secondary particles formed by the aggregation of the primary particles.
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