KR102653055B1 - Re-arranged stratified carbon material, preparing method of the same, and secondary battery including the same - Google Patents
Re-arranged stratified carbon material, preparing method of the same, and secondary battery including the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102653055B1 KR102653055B1 KR1020210182452A KR20210182452A KR102653055B1 KR 102653055 B1 KR102653055 B1 KR 102653055B1 KR 1020210182452 A KR1020210182452 A KR 1020210182452A KR 20210182452 A KR20210182452 A KR 20210182452A KR 102653055 B1 KR102653055 B1 KR 102653055B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon material
- rearranged
- layered structure
- structure carbon
- layered
- Prior art date
Links
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 title claims abstract description 122
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 33
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 62
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 42
- -1 polyethylene vinyl acetate Polymers 0.000 claims description 34
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 15
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 14
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 14
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 12
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 12
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 9
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 claims description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 8
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 8
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims description 8
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 7
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 7
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 6
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 6
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 6
- 239000005060 rubber Substances 0.000 claims description 6
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 4
- HSHXDCVZWHOWCS-UHFFFAOYSA-N N'-hexadecylthiophene-2-carbohydrazide Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCNNC(=O)c1cccs1 HSHXDCVZWHOWCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 claims description 4
- 239000005062 Polybutadiene Substances 0.000 claims description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 4
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 4
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 4
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 claims description 4
- DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N acetic acid;2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal;sodium Chemical compound [Na].CC(O)=O.OCC(O)C(O)C(O)C(O)C=O DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 claims description 4
- HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N hexafluoropropylene Chemical group FC(F)=C(F)C(F)(F)F HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000001866 hydroxypropyl methyl cellulose Substances 0.000 claims description 4
- 229920003088 hydroxypropyl methyl cellulose Polymers 0.000 claims description 4
- 235000010979 hydroxypropyl methyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 4
- 150000003949 imides Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 claims description 4
- 229920001200 poly(ethylene-vinyl acetate) Polymers 0.000 claims description 4
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 claims description 4
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002857 polybutadiene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 4
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 claims description 4
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 claims description 4
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 4
- 235000019812 sodium carboxymethyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 4
- 229920001027 sodium carboxymethylcellulose Polymers 0.000 claims description 4
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 claims description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 3
- XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N acrylonitrile butadiene styrene Chemical compound C=CC=C.C=CC#N.C=CC1=CC=CC=C1 XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 claims description 2
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 claims description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 125000004355 nitrogen functional group Chemical group 0.000 claims description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims 5
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- AIKVCUNQWYTVTO-UHFFFAOYSA-N nicardipine hydrochloride Chemical compound Cl.COC(=O)C1=C(C)NC(C)=C(C(=O)OCCN(C)CC=2C=CC=CC=2)C1C1=CC=CC([N+]([O-])=O)=C1 AIKVCUNQWYTVTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 claims 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims 1
- 229920005609 vinylidenefluoride/hexafluoropropylene copolymer Polymers 0.000 claims 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 abstract description 22
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 abstract description 22
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 abstract description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 83
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 61
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 11
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 9
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 8
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 8
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 4
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 3
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 3
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N [Li].[S] Chemical compound [Li].[S] JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001350 scanning transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-L terephthalate(2-) Chemical compound [O-]C(=O)C1=CC=C(C([O-])=O)C=C1 KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 239000006183 anode active material Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910021386 carbon form Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/194—After-treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/624—Electric conductive fillers
- H01M4/625—Carbon or graphite
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/64—Carriers or collectors
- H01M4/66—Selection of materials
- H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2204/00—Structure or properties of graphene
- C01B2204/04—Specific amount of layers or specific thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/027—Negative electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
본원은 층상구조 탄소소재 및 고분자 바인더가 용해된 혼합액을 준비하는 단계 및 상기 혼합액을 열처리하여 재배열된(re-arranged) 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 상기 층상구조 탄소소재가 상기 열처리에 의해 자기조립(self-assembly)되어 재배열되어 형성되는 것인 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법에 관한 것이다.The present application includes the steps of preparing a mixed solution in which a layered structure carbon material and a polymer binder are dissolved and heat treating the mixed solution to produce a re-arranged layered structure carbon material, wherein the rearranged layered structure carbon The material relates to a method of manufacturing a rearranged layered structure carbon material in which the layered structure carbon material is formed by self-assembly and rearrangement through the heat treatment.
Description
본원은 재배열된 층상구조 탄소소재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.The present application relates to a rearranged layered structure carbon material, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery comprising the same.
최근 전자 산업의 발달로 전자장비의 소형화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자기기의 사용이 증대되고 있다. 이와 같은 휴대용 전자기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 갖는 이차전지의 필요성이 증대되어 리튬이차전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이와 함께 전기자동차용 전지로서 적용되고 있는 리튬이온전지는 물리적 한계(최대 에너지밀도 ~250 Wh/kg)로 인하여 단거리 주행용 자동차에 채용되고 있다.Recently, with the development of the electronics industry, miniaturization and weight reduction of electronic equipment have become possible, and the use of portable electronic devices is increasing. As the need for secondary batteries with high energy density has increased as a power source for such portable electronic devices, research on lithium secondary batteries is actively underway. In addition, lithium-ion batteries, which are used as batteries for electric vehicles, are used in short-distance driving vehicles due to physical limitations (maximum energy density ~250 Wh/kg).
리튬 금속은 이론 에너지 밀도가 3,860 mAh/g 로 우수하고 표준 환원 전위(Standard Hydrogen Electrode; SHE)도 -3.045 V 로 매우 낮기 때문에 고용량, 고에너지 밀도 전지의 구현이 가능하며, 최근 리튬-황 및 리튬-공기 전지에 대한 관심이 높아지면서 리튬 이차전지의 음극 활물질로 활발히 연구되고 있다.Lithium metal has an excellent theoretical energy density of 3,860 mAh/g and a very low standard hydrogen electrode (SHE) of -3.045 V, making it possible to implement high-capacity, high-energy-density batteries. Recently, lithium-sulfur and lithium-ion batteries have been developed. -As interest in air batteries increases, it is being actively researched as an anode active material for lithium secondary batteries.
그러나 리튬 금속을 리튬 이차전지의 음극으로 사용할 경우 리튬 금속이 전해액, 불순물, 리튬염 등과 반응하여 부동태층(Solid Electrolyte Interphase, SEI)을 형성하고, 이와 같은 부동태층은 국부상의 전류밀도 차이를 초래하여 충전시 리튬 금속에 의한 수지상의 덴드라이트의 형성을 촉진하고, 충방전시 점차적으로 성장하여 양극과 음극 사이의 내부 단락을 유발한다. 또한, 덴드라이트는 기계적으로 약한 부분(bottle neck)을 가지고 있어 방전 중에 집전체와 전기적 접촉을 상실하는 불활성 리튬(dead lithium)을 형성함으로써 전지의 용량을 감소시키고 사이클 수명을 단축시키며, 전지의 안정성에 좋지 않은 영향을 미친다.However, when lithium metal is used as the negative electrode of a lithium secondary battery, the lithium metal reacts with electrolyte, impurities, lithium salts, etc. to form a passive layer (Solid Electrolyte Interphase, SEI), and this passive layer causes local current density differences. When charging, it promotes the formation of dendrite by lithium metal, and it gradually grows during charging and discharging, causing an internal short circuit between the anode and cathode. In addition, dendrites have a mechanically weak part (bottle neck), forming dead lithium that loses electrical contact with the current collector during discharge, thereby reducing battery capacity, shortening cycle life, and improving battery stability. has a negative impact on
또한, 상기 부동태층은 열적으로 불안정하여 전지의 충·방전이 지속적으로 진행되거나, 특히, 완전충전 상태에서의 고온 저장시, 증가된 전기 화학적 에너지와 열 에너지에 의해 서서히 붕괴될 수 있다. 이러한 부동태층의 붕괴로 인해 노출된 리튬 금속 표면이 전해액 용매와 직접 반응하여 분해되는 부반응이 지속적으로 발생하게 되며, 이로 인해 음극의 저항이 증가하고, 전지의 충방전 효율이 저하된다. 또한, 상기 부동태층 형성 시 전해질의 용매가 소모되며 부동태층의 형성과 붕괴, 전해액의 분해 등의 각종 부반응시 발생하는 부산물, 가스 등으로 인해 전지의 수명이 줄어드는 문제가 발생한다.In addition, the passivation layer is thermally unstable and may gradually collapse due to increased electrochemical and thermal energy when charging and discharging of the battery continues or, especially, when stored at high temperature in a fully charged state. Due to the collapse of this passivation layer, a side reaction in which the exposed lithium metal surface reacts directly with the electrolyte solvent and decomposes continues to occur, which increases the resistance of the cathode and reduces the charging and discharging efficiency of the battery. In addition, when forming the passivation layer, the solvent of the electrolyte is consumed, and the lifespan of the battery is shortened due to by-products and gases generated during various side reactions such as the formation and collapse of the passivation layer and decomposition of the electrolyte solution.
이와 같은 리튬 금속 음극의 산화 환원 반응의 불균일성 및 전해액과의 반응성으로 인하여 리튬 금속을 음극으로 사용하는 리튬 이차전지는 아직 실용화되지 못하고 있다.Due to the non-uniformity of the redox reaction of the lithium metal negative electrode and its reactivity with the electrolyte solution, lithium secondary batteries using lithium metal as the negative electrode have not yet been put into practical use.
이를 해결하기 위하여 전해질의 조성을 변경하거나 리튬 금속 표면에 별도의 보호층을 도입하는 등의 방법을 사용하였으나 리튬 금속 전극의 안정성이 효과적으로 개선되지 못하였으며, 리튬 금속의 안정적인 저장을 위한 리튬 이온 호스트의 용량을 증가시키기 위하여 그래핀과 같은 다공성 물질을 사용하는 방법이 시도되고 있으나, 상기 다공성 물질은 표면적이 매우 커서 전해액과의 부반응이 증가하고 리튬 금속에 의한 수지상의 덴드라이트의 형성을 촉진하는 등의 문제가 있다.To solve this problem, methods such as changing the composition of the electrolyte or introducing a separate protective layer on the lithium metal surface were used, but the stability of the lithium metal electrode was not effectively improved, and the capacity of the lithium ion host for stable storage of lithium metal was not found. Methods of using porous materials such as graphene have been attempted to increase There is.
본원의 배경이 되는 기술인 한국 공개특허공보 제 10-2015-0005819 호는 나노 입자가 분산된 그래핀 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로서, 구체적으로, 별도의 용매를 사용하지 않는 단순한 공정으로 나노 크기의 칼코겐 입자를 그래핀에 분산시킬 수 있으며, 이를 통해, 기존의 리튬-황 전지의 충방전 시 황이 전해질에 용출되는 것을 막을 수 있어, 전지의 수명을 연장할 수 있는 그래핀 복합체에 관한 것이다. 그러나, 황 나노입자가 다공성 고분자 박막에 의해 캡슐화된 것인 그래핀 복합체에 대해서는 언급하지 않고 있다.Korean Patent Publication No. 10-2015-0005819, which is the background technology of the present application, relates to a graphene composite in which nanoparticles are dispersed, a manufacturing method thereof, and a secondary battery containing the same. Specifically, it relates to a graphene composite in which nanoparticles are dispersed, a method of manufacturing the same, and a secondary battery containing the same. Nano-sized chalcogen particles can be dispersed in graphene through a simple process, and through this, sulfur can be prevented from dissolving into the electrolyte during charging and discharging of existing lithium-sulfur batteries, thereby extending the life of the battery. It's about the fin complex. However, there is no mention of graphene composites in which sulfur nanoparticles are encapsulated by a porous polymer thin film.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함하는 이차전지용 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present application is to solve the problems of the prior art described above and to provide an electrode for a secondary battery containing a rearranged layered structure carbon material.
또한, 본원은 상기 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the purpose of the present application is to provide a method for manufacturing the rearranged layered structure carbon material.
또한, 본원은 상기 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Additionally, the present application aims to provide a secondary battery including the electrode for the secondary battery.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical challenges sought to be achieved by the embodiments of the present application are not limited to the technical challenges described above, and other technical challenges may exist.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함하는 이차전지용 전극에 있어서, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하고, 상기 슬릿은 전압 인가시 내부에 금속 이온을 저장하여 금속을 성장시키는 것인, 이차전지용 전극을 제공한다.As a technical means for achieving the above-mentioned technical problem, the first aspect of the present application is an electrode for a secondary battery comprising a rearranged layered structure carbon material, wherein the rearranged layered structure carbon material includes a plurality of slits, , the slit stores metal ions therein when voltage is applied to grow the metal, providing an electrode for a secondary battery.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 슬릿의 내부 간격이 0.3 nm 내지 8 nm 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the internal spacing of the slit may be 0.3 nm to 8 nm, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 내부 간격이 0.3 nm 내지 8 nm 슬릿이 전체 슬릿 수의 50% 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, slits with an internal spacing of 0.3 nm to 8 nm may be 50% or more of the total number of slits, but are not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 층상구조 탄소소재에 에너지를 가하여 재배열된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may be rearranged by applying energy to the layered structure carbon material, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 층상구조 탄소소재는 그래핀 플레이틀릿(graphene platelet), 적층된 탄소(Stratified carbon) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the layered carbon material may be selected from the group consisting of graphene platelets, stratified carbon, and combinations thereof, but is not limited thereto. .
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다공성 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may have a porous structure, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이온은 리튬 이온일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal ion may be a lithium ion, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이차전지용 전극은 음극용 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the electrode for a secondary battery may be an electrode for a negative electrode, but is not limited thereto.
본원의 제 2 측면은 층상구조 탄소소재가 용해된 혼합액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합액에 에너지를 가하여 재배열된(re-arranged) 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계; 를 포함하고, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 상기 층상구조 탄소소재가 상기 가해진 에너지에 의해 자기조립(self-assembly)되어 재배열되어 형성되는 것인, 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법을 제공한다.The second aspect of the present application includes preparing a mixed solution in which a layered carbon material is dissolved; And applying energy to the mixed solution to produce a re-arranged layered carbon material; A method for producing a rearranged layered structure carbon material, wherein the rearranged layered structure carbon material is formed by self-assembly and rearrangement of the layered structure carbon material by the applied energy. provides.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합액은 고분자 바인더를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the mixed solution may further include a polymer binder, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 가해진 에너지에 의해 고분자 바인더가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the polymer binder may be removed by the applied energy, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제거된 고분자 바인더의 위치에 슬릿이 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, a slit may be formed at the location of the removed polymer binder, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 바인더는 폴리에스테르, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르-폴리에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜, 폴리에틸렌이미드, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리아미드 이미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐 알코올, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 고무, 아크릴레이트계 고무, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 나트륨 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 고분자로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the polymer binder is polyester, polyethylene vinyl acetate, polyester-polyethylene vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polyolefin, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, Polyethylene terephthalate, polystyrene, polyethylene ketone, polyethylene terephthalate glycol, polyethylene imide, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymer, propylene hexafluoride, vinylidene fluoride/hexafluoride. Fluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyimide, polyamide imide, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, styrene butadiene rubber polymer, acrylonitrile-butadiene rubber, It may be selected from the group consisting of acrylonitrile-butadiene-styrene rubber, acrylate-based rubber, hydroxypropylmethylcellulose, sodium carboxymethylcellulose (CMC), and composite polymers containing one or more of these mixed together, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 에너지를 가하는 하는 것은 열처리, 광 조사, 초음파 처리 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, applying the energy may be performed by a method selected from the group consisting of heat treatment, light irradiation, ultrasonic treatment, and combinations thereof, but is not limited thereto.
본원의 제 3 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 이차전지용 전극을 포함하는, 이차전지를 제공한다.A third aspect of the present application provides a secondary battery including an electrode for a secondary battery according to the first aspect of the present application.
본원의 제 4 측면은, 층상구조 탄소소재 및 고분자 바인더가 용해된 혼합액을 준비하는 단계 및 상기 혼합액을 열처리하여 재배열된(re-arranged) 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 상기 층상구조 탄소소재가 상기 열처리에 의해 자기조립(self-assembly)되어 재배열되어 형성되는 것인 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법을 제공한다.The fourth aspect of the present application includes preparing a mixed solution in which a layered structure carbon material and a polymer binder are dissolved and heat treating the mixed solution to produce a re-arranged layered structure carbon material, wherein the material The arranged layered structure carbon material provides a method of manufacturing a rearranged layered structure carbon material in which the layered structure carbon material is formed by self-assembly and rearrangement by the heat treatment.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 층상구조 탄소소재는 그래핀 플레이틀릿(graphene platelet), 적층된 탄소(Stratified carbon) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the layered carbon material may include one selected from the group consisting of graphene platelets, stratified carbon, and combinations thereof, but is limited thereto. That is not the case.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may include a plurality of slits, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다공성 구조를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may have a porous structure, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 열처리에 의해 고분자 바인더가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the polymer binder may be removed by the heat treatment, but it is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 고분자 바인더는 폴리에스테르, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르-폴리에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜, 폴리에틸렌이미드, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리아미드 이미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐 알코올, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 고무, 아크릴레이트계 고무, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 나트륨 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 고분자로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the polymer binder is polyester, polyethylene vinyl acetate, polyester-polyethylene vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polyolefin, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyethylene. Terephthalate, polystyrene, polyethylene ketone, polyethylene terephthalate glycol, polyethylene imide, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymer, propylene hexafluoride, vinylidene fluoride/hexafluoride Propylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyimide, polyamide imide, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, styrene butadiene rubber polymer, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic It may include, but is not limited to, those selected from the group consisting of ronitrile-butadiene-styrene rubber, acrylate-based rubber, hydroxypropylmethylcellulose, sodium carboxymethylcellulose (CMC), and composite polymers containing one or more of these. no.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 친리튬성(lithiophilic) 잔여 고분자 바인더를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may include a lithiophilic residual polymer binder, but is not limited thereto.
본원의 제 5 측면은 본원의 제 4 측면에 따른 방법에 의해 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재를 제공한다.The fifth aspect of the present application provides a rearranged layered structure carbon material produced by the method according to the fourth aspect of the present application.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may include a plurality of slits, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다공성 구조를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may have a porous structure, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 친리튬성(lithiophilic) 고분자 바인더를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may include a lithiophilic polymer binder, but is not limited thereto.
본원의 제 6 측면은 본원의 제 4 측면에 따른 방법에 의해 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함하는 리튬 전지용 음극을 제공한다.The sixth aspect of the present application provides a negative electrode for a lithium battery comprising a rearranged layered structure carbon material manufactured by the method according to the fourth aspect of the present application.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may include a plurality of slits, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면 전압 인가시 전기장을 축적시켜 리튬 이온이 상기 슬릿 내부로 농축되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, lithium ions may be concentrated inside the slit by accumulating an electric field when voltage is applied, but the present invention is not limited thereto.
본원의 제 7 측면은 본원의 제 6 측면에 따른 리튬 전지용 음극을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.A seventh aspect of the present application provides a lithium battery including a negative electrode for a lithium battery according to the sixth aspect of the present application.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described means of solving the problem are merely illustrative and should not be construed as intended to limit the present application. In addition to the exemplary embodiments described above, additional embodiments may be present in the drawings and detailed description of the invention.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 방법으로 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하고 다공성 구조를 가짐으로써, 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제하고, 충방전시 부피 변화를 완충시키며, 넓은 리튬 수용 공간을 확보할 수 있어, 전지의 성능, 수명 및 안정성을 동시에 향상시킨 리튬 전지의 음극으로서 활용될 수 있다.According to the above-described means of solving the problem of the present application, the rearranged layered structure carbon material manufactured by the method according to the present application includes a plurality of slits and has a porous structure, thereby suppressing the growth of lithium dendrites and preventing the growth of lithium dendrites during charging and discharging. It can buffer volume changes and secure a large lithium storage space, so it can be used as a negative electrode for lithium batteries that simultaneously improves battery performance, lifespan, and stability.
또한, 본원에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재는 종래의 슬릿 구조보다 매우 좁은 슬릿 구조를 포함하고 있으며, 전압 인가시 전기장을 축적시켜 금속 이온, 예를 들어, 리튬 이온이 상기 슬릿 내부로 농축되어 저장되고, 이러한 금속 이온은 수지상 리튬 성장을 억제하고 조밀한 금속의 성장을 유도하여 안정적이고 높은 용량의 리튬 전지를 구현할 수 있다.In addition, the rearranged layered structure carbon material according to the present disclosure includes a slit structure that is much narrower than the conventional slit structure, and metal ions, for example, lithium ions, are concentrated inside the slit by accumulating an electric field when voltage is applied. When stored, these metal ions can suppress dendritic lithium growth and induce the growth of dense metal, thereby realizing a stable and high-capacity lithium battery.
또한, 본원에 따른 리튬 전지의 음극은 전이금속, 은, 금 등과 같은 고가의 금속을 사용하지 않고 오로지 탄소 소재만으로 리튬 금속을 안정적으로 성장시킬 수 있고, 성장된 리튬 금속이 탄소 소재의 하부에 농축되어 증착되는 것으로 높은 용량을 가지는 리튬 전지를 구현할 수 있다.In addition, the negative electrode of the lithium battery according to the present disclosure can stably grow lithium metal using only carbon materials without using expensive metals such as transition metals, silver, gold, etc., and the grown lithium metal is concentrated in the lower part of the carbon material. By depositing it, a lithium battery with high capacity can be implemented.
또한, 본원에 따른 방법으로 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재는 친리튬성(lithiophilic) 잔여 고분자 바인더를 포함함으로써, 리튬 증착(plating)과정에서 리튬 이온을 끌어당길 수 있으므로, 높은 용량과 안정성을 가지고 리튬 이온을 안정적으로 증착할 수 있다.In addition, the rearranged layered structure carbon material manufactured by the method according to the present disclosure contains a lithiophilic residual polymer binder, so that it can attract lithium ions during the lithium plating process, thereby providing high capacity and stability. It is possible to stably deposit lithium ions.
또한, 본원에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법은 열처리를 이용한 간단한 방법을 사용하여 층상구조 탄소소재가 자기조립(self-assembly)되어 재배열된 층상구조 탄소소재를 제조함으로써, 제작 공정이 단순화될 수 있고, 단기간에 제조할 수 있으므로 제조 비용을 낮출 수 있어 편의성 및 경제성이 우수할 수 있고, 이에 따라 대량 생산이 용이하여 다양한 분야에 유용하게 적용할 수 있다.In addition, the method for manufacturing a rearranged layered structure carbon material according to the present disclosure is to self-assemble the layered structure carbon material using a simple method using heat treatment to produce a rearranged layered carbon material, thereby producing a manufacturing process. Since this can be simplified and manufactured in a short period of time, manufacturing costs can be lowered, leading to excellent convenience and economic efficiency. Accordingly, mass production is easy and can be usefully applied to various fields.
또한, 본원에 따른 이차전지용 전극, 예를 들어, 리튬 전지용 음극은 다수의 슬릿을 포함하고 다공성 구조를 가지는 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함으로써, 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 음극을 포함하는 본원에 따른 리튬 전지는 고체 전해질 내부상(Solid electrolyte interphase, SEI) 및 수지상 성장으로 인한 전기화학적 구동 성능 저하 및 위험 요소를 방지하여 안정성을 향상시킴으로써, 전지의 쿨롱효율을 증가시키고, 충방전 용량, 수명, 및 율속과 같은 전기화학적 특성이 향상될 수 있다.In addition, the electrode for a secondary battery according to the present disclosure, for example, a negative electrode for a lithium battery, includes a rearranged layered structure carbon material that includes a plurality of slits and has a porous structure, thereby suppressing the growth of lithium dendrites. Accordingly, the lithium battery according to the present disclosure including the negative electrode improves stability by preventing electrochemical driving performance deterioration and risk factors due to solid electrolyte interphase (SEI) and dendritic growth, thereby improving the coulombic efficiency of the battery. increases, and electrochemical properties such as charge/discharge capacity, lifespan, and rate can be improved.
또한, 본원에 따른 이차전지용 전극, 예를 들어, 리튬 전지용 음극은 다수의 슬릿을 포함하고 다공성 구조를 가지는 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함으로써, 충방전시 부피 변화를 완충시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 음극을 포함하는 본원에 따른 리튬 전지는 충방전 특성이 향상되어 수명 성능을 개선시킬 수 있다.In addition, the electrode for secondary batteries according to the present disclosure, for example, the negative electrode for lithium batteries, includes a rearranged layered structure carbon material that includes a plurality of slits and has a porous structure, thereby buffering volume changes during charging and discharging. Accordingly, the charge/discharge characteristics of the lithium battery according to the present disclosure including the negative electrode can be improved, thereby improving lifespan performance.
또한, 본원에 따른 이차전지용 전극, 예를 들어, 리튬 전지용 음극은 다수의 슬릿을 포함하고 다공성 구조를 가지는 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함으로써, 넓은 리튬 수용 공간을 확보할 수 있다. 이에 따라, 상기 음극을 포함하는 본원에 따른 리튬 전지는 용량적인 한계를 해결할 수 있다.In addition, the electrode for secondary batteries according to the present disclosure, for example, the negative electrode for lithium batteries, includes a rearranged layered structure carbon material that includes a plurality of slits and has a porous structure, thereby securing a large space for accommodating lithium. Accordingly, the lithium battery according to the present disclosure including the negative electrode can solve the capacity limitation.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects that can be obtained herein are not limited to the effects described above, and other effects may exist.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 모식도 및 제조 공정 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 리튬 금속 저장 기전을 나타내는 모식도이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 열처리 과정 중 SEM 사진이다.
도 4 는 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 TEM 사진이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 SEM 사진이다.
도 6 은 본원의 일 비교예에 따른 그래파이트의 SEM 및 TEM 사진이다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 3D 모식도이다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 3D 모식도를 이용하여 구조를 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 리튬 금속 증착 시 단면 이미지이다.Figure 1 is a schematic diagram and a manufacturing process diagram of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
Figure 2 is a schematic diagram showing the lithium metal storage mechanism of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
Figure 3 is an SEM photograph during the heat treatment process of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
Figure 4 is a TEM photo of a rearranged layered structure carbon material according to an example of the present application.
Figure 5 is an SEM photograph of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
Figure 6 is an SEM and TEM photograph of graphite according to a comparative example of the present application.
Figure 7 is a 3D schematic diagram of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
Figure 8 is a graph showing the results of structural analysis using a 3D schematic diagram of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
Figure 9 is a graph showing the results of analyzing the electrochemical characteristics of an electrode for a secondary battery according to an example of the present application.
Figure 10 is a graph showing the results of analyzing the electrochemical characteristics of an electrode for a secondary battery according to an example of the present application.
Figure 11 is a graph showing the results of analyzing the electrochemical characteristics of an electrode for a secondary battery according to an example of the present application.
Figure 12 is a cross-sectional image when lithium metal is deposited on an electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present application.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present application will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement them.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present application in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only the case where it is “directly connected,” but also the case where it is “electrically connected” with another element in between. do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on”, “above”, “at the top”, “below”, “at the bottom”, or “at the bottom” of another member, this means that a member is located on another member. This includes not only cases where they are in contact, but also cases where another member exists between two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part “includes” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 합성 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.As used herein, the terms "about", "substantially", etc. are used to mean at or close to the numerical value when the synthetic and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid the understanding of the present application. It is used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures in which precise or absolute figures are mentioned. Additionally, throughout the specification herein, “a step of” or “a step of” does not mean “a step for.”
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination thereof" included in the Markushi format expression means a mixture or combination of one or more components selected from the group consisting of the components described in the Markushi format expression, It means including one or more selected from the group consisting of.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.Throughout this specification, description of “A and/or B” means “A or B, or A and B.”
이하에서는 본원의 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함하는 이차전지용 전극, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, an electrode for a secondary battery containing the rearranged layered structure carbon material of the present application, a method of manufacturing the rearranged layered structure carbon material, and a secondary battery including the same will be described in detail with reference to embodiments and examples and drawings. Let's do it. However, the present application is not limited to these embodiments, examples, and drawings.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 재배열된 층상구조 탄소소재를 포함하는 이차전지용 전극에 있어서, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하고, 상기 슬릿은 전압 인가시 내부에 금속 이온을 저장하여 금속을 성장시키는 것인, 이차전지용 전극을 제공한다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the first aspect of the present application is an electrode for a secondary battery comprising a rearranged layered structure carbon material, wherein the rearranged layered structure carbon material includes a plurality of slits, , the slit stores metal ions therein when voltage is applied to grow the metal, providing an electrode for a secondary battery.
아울러, 본원의 제 2 측면은, 층상구조 탄소소재가 용해된 혼합액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합액에 에너지를 가하여 재배열된(re-arranged) 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계; 를 포함하고, 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 상기 층상구조 탄소소재가 상기 가해진 에너지에 의해 자기조립(self-assembly)되어 재배열되어 형성되는 것인, 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법을 제공한다.In addition, the second aspect of the present application includes preparing a mixed solution in which a layered structure carbon material is dissolved; And applying energy to the mixed solution to produce a re-arranged layered carbon material; A method for producing a rearranged layered structure carbon material, wherein the rearranged layered structure carbon material is formed by self-assembly and rearrangement of the layered structure carbon material by the applied energy. provides.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 모식도 및 제조 공정 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram and a manufacturing process diagram of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
본원에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재는 적층한 두 층 이상의 층상 구조체이므로, 편평한 평면 구조체로 리튬과 같은 금속층 표면 위에 형성되어 금속 전극 표면의 전위 분포를 평탄화할 수 있고, 수지상 리튬의 성장을 억제시키며, 리튬을 포함하는 금속층의 열화를 방지할 수 있다.Since the rearranged layered structure carbon material according to the present application is a layered structure of two or more layers, it is formed as a flat planar structure on the surface of a metal layer such as lithium, so that it can flatten the potential distribution on the surface of the metal electrode and suppress the growth of dendritic lithium. It is possible to prevent deterioration of the metal layer containing lithium.
또한, 본원에 따른 이차전지용 전극은 전이금속, 은, 금 등과 같은 고가의 금속을 사용하지 않고 오로지 탄소 소재만으로 리튬과 같은 금속을 안정적으로 성장시킬 수 있고, 성장된 리튬 금속이 탄소 소재의 하부에 농축되어 증착되는 것으로 높은 용량을 가지는 리튬 전지를 구현할 수 있다. In addition, the electrode for secondary batteries according to the present invention can stably grow metals such as lithium using only carbon materials without using expensive metals such as transition metals, silver, gold, etc., and the grown lithium metal can be grown on the lower part of the carbon material. By being concentrated and deposited, a lithium battery with high capacity can be implemented.
본원에 따른 재배열된 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함한다. 상기 슬릿은 종래 보고된 공지의 탄소소재에 포함되는 미세 공극과는 상이하다. The rearranged carbon material according to the present disclosure includes a plurality of slits. The slit is different from the micropores included in known carbon materials reported previously.
구체적으로, 본원에 따른 상기 다수의 슬릿은 종래의 일반적인 다공성 구조의 탄소 소재의 공극보다 매우 좁은 슬릿 구조이다. 이러한 공극은 너무 커서 금속 이온이 통과하고, 저장되거나 축적될 수 없다. 이에, 상기 본원에 따른 다수의 슬릿 내부의 간격은 1 nm 이하일 수 있다.Specifically, the plurality of slits according to the present application have a slit structure that is much narrower than the pores of a conventional carbon material with a general porous structure. These pores are too large for metal ions to pass through, be stored, or accumulate. Accordingly, the spacing within the plurality of slits according to the present application may be 1 nm or less.
또한, 상기 본원에 따른 상기 다수의 슬릿은 공지된 그래파이트의 그래핀 층들 사이의 내부 간격으로 인해 발생하는 그래핀 층 간격(약0.3 nm 이하)보다는 넓은 슬릿 구조이다. 금속이온은 일반적으로 상기 그래핀 층 간격보다 크기 때문에 상기 그래핀 층 간격에는 저장 또는 축적될 수 없다. 이에, 상기 본원에 따른 다수의 슬릿의 내부 간격은 0.3 nm 이상일 수 있다.In addition, the plurality of slits according to the present application have a slit structure that is wider than the graphene layer spacing (about 0.3 nm or less) that occurs due to the internal spacing between the graphene layers of known graphite. Metal ions are generally larger than the graphene layer gap and therefore cannot be stored or accumulated in the graphene layer gap. Accordingly, the internal spacing of the plurality of slits according to the present application may be 0.3 nm or more.
본원의 도 8 (E)를 참고하면, 그래파이트의 그래핀 층간 간격이 약 0.3 nm 이하인 것을 확인할 수 있으며, 이는 그래파이트 내부에 포함된 미세공극의 크기를 의미함을 알 수 있다.Referring to Figure 8 (E) of the present application, it can be seen that the gap between graphene layers is about 0.3 nm or less, which indicates the size of the micropores contained within the graphite.
즉, 본원에 따른 상기 다수의 슬릿의 내부 간격이 0.3 nm 내지 8 nm 일 수 있으며, 이에 따라, 상기 슬릿 내부에 금속이온이 저장 또는 축적되고, 나아가 금속이 성장할 수 있다. 상기 슬릿의 내부 간격은, 예를 들어, 0.3 nm 내지 7 nm, 0.3 nm 내지 6 nm, 0.3 nm 내지 5 nm, 0.3 nm 내지 4 nm, 0.3 nm 내지 3 nm, 0.3 nm 내지 2 nm, 0.3 nm 내지 1 nm, 0.3 nm 내지 0.9 nm, 0.3 nm 내지 0.8 nm, 0.3 nm 내지 0.7 nm, 바람직하게는 0.3 nm 내지0.6 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 슬릿은 0.3 nm 내지0.6 nm 의 매우 좁은 간격을 가짐으로써 내부의 강한 전기장을 유도하고 리튬을 슬릿에 안정적으로 축적할 수 있다.That is, the internal spacing of the plurality of slits according to the present application may be 0.3 nm to 8 nm, and accordingly, metal ions can be stored or accumulated inside the slits, and further, the metal can grow. The internal spacing of the slit is, for example, 0.3 nm to 7 nm, 0.3 nm to 6 nm, 0.3 nm to 5 nm, 0.3 nm to 4 nm, 0.3 nm to 3 nm, 0.3 nm to 2 nm, 0.3 nm to 0.3 nm. It may be 1 nm, 0.3 nm to 0.9 nm, 0.3 nm to 0.8 nm, 0.3 nm to 0.7 nm, preferably 0.3 nm to 0.6 nm, but is not limited thereto. The slit has a very narrow gap of 0.3 nm to 0.6 nm, thereby inducing a strong internal electric field and stably accumulating lithium in the slit.
상기 이차전지용 전극에 전압을 인가하면, 상기 슬릿 내부에 전기장을 축적시켜 금속 이온이 상기 슬릿 내부로 저장 및 농축되어 수지상 리튬 성장을 억제하고 조밀 리튬을 성장을 유도하여 안정적이고 높은 용량의 리튬 전지를 구현할 수 있다. 이러한 과정을 도 2 에 적시하였다.When voltage is applied to the electrode for the secondary battery, an electric field is accumulated inside the slit, and metal ions are stored and concentrated inside the slit, suppressing the growth of dendritic lithium and inducing the growth of dense lithium, creating a stable and high capacity lithium battery. It can be implemented. This process is shown in Figure 2.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 내부 간격이 0.3 nm 내지 8 nm 슬릿이 전체 슬릿 수의 50% 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 앞서 서술하였듯, 상기 슬릿은 그래파이트의 층간 간격과는 구별되어야 하는 개념이다. 상기 슬릿은 전체 슬릿 수의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 또는 90% 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, slits with an internal spacing of 0.3 nm to 8 nm may be 50% or more of the total number of slits, but are not limited thereto. As previously described, the slit is a concept that must be distinguished from the interlayer gap of graphite. The slits may be 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, or 90% or more of the total number of slits, but are not limited thereto.
상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 층상구조 탄소소재에 에너지를 가하여 재배열된 것일 수 있으며, 상기 상기 층상구조 탄소소재는 그래핀 플레이틀릿(graphene platelet), 적층된 탄소(Stratified carbon) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The rearranged layered structure carbon material may be rearranged by applying energy to the layered structure carbon material, and the layered structure carbon material includes graphene platelets, stratified carbon, and these. It may be selected from a group consisting of combinations, but is not limited thereto.
상기 그래핀 플레이틀릿은 그래핀을 무질서한 형태로 적층한 형태를 의미한다. The graphene platelet refers to a form in which graphene is stacked in a disordered form.
상기 그래핀 플레이틀릿은 구성하고 있는 탄소의 최외각 전자 4개 중 3개가 전체 또는 부분적으로 sp2 혼성 오비탈을 형성하여 강한 공유결합인 σ 결합을 이루며 남은 1 개의 전자가 주변의 다른 탄소와 π 결합을 형성하여 육각형의 벌집 모양의 격자구조를 가진다. 상기와 같은 sp2 결합을 갖는 탄소재층은 화학반응에 내성이 강하여 전해질과의 반응을 물리적으로 차단시키고, 충방전시 부피 변화를 완충시킬 수 있다.In the graphene platelet, three of the four outermost electrons of carbon form fully or partially sp 2 hybrid orbitals to form a strong covalent σ bond, and the remaining one electron forms a π bond with other surrounding carbon. It has a hexagonal honeycomb lattice structure. The carbon material layer having the sp 2 bond as described above is highly resistant to chemical reactions and can physically block the reaction with the electrolyte and buffer volume changes during charging and discharging.
또한, 본원에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿은 그래핀을 적층한 두 층 이상의 층상 구조체이므로, 편평한 평면 구조체로 리튬을 포함하는 금속층 표면 위에 형성되어 리튬 금속 전극 표면의 전위 분포를 평탄화할 수 있고, 수지상 리튬의 성장을 억제시키며, 리튬을 포함하는 금속층의 열화를 방지할 수 있다.In addition, the rearranged graphene platelet according to the present disclosure is a layered structure of two or more layers of graphene, so it is formed as a flat planar structure on the surface of a metal layer containing lithium to flatten the potential distribution on the surface of the lithium metal electrode. , it can suppress the growth of dendritic lithium and prevent deterioration of the metal layer containing lithium.
상기 적층된 탄소는 그래핀이 합쳐진 구조이며, 일반적인 흑연의 층간거리인 0.3 nm 보다 2 배 내지 3 배 더 긴 층간 거리를 가지고 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The stacked carbon has a structure in which graphene is combined, and may have an interlayer distance that is 2 to 3 times longer than the 0.3 nm, which is the interlayer distance of general graphite, but is not limited thereto.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 방법으로 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하고 다공성 구조를 가짐으로써, 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제하고, 충방전시 부피 변화를 완충시키며, 넓은 리튬 수용 공간을 확보할 수 있어, 전지의 성능, 수명 및 안정성을 동시에 향상시킨 리튬 전지의 음극으로서 활용될 수 있다.According to the above-described means of solving the problem of the present application, the rearranged layered structure carbon material manufactured by the method according to the present application includes a plurality of slits and has a porous structure, thereby suppressing the growth of lithium dendrites and preventing the growth of lithium dendrites during charging and discharging. It can buffer volume changes and secure a large lithium storage space, so it can be used as a negative electrode for lithium batteries that simultaneously improves battery performance, lifespan, and stability.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 리튬 금속 저장 기전을 나타내는 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing the lithium metal storage mechanism of a rearranged layered structure carbon material according to an embodiment of the present application.
본원에 따른 방법으로 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재는 매우 좁은 틈(슬릿)을 포함함으로써 전기장을 축적시켜 리튬 이온이 상기 슬릿 내부로 농축되는 효과를 유도한다. 이에 따라, 매우 좁은 틈의 표면 영역들은 덴드라이트를 형성하기에는 불충분한 소량의 리튬만을 갖게 되므로 리튬 덴트라이트 성장이 억제되며, 동시에 리튬은 더욱 균일하게 침착될 수 있다. 또한, 일반적인 그래파이트 전극에 비하여 넓은 리튬 수용 공간이 존재하여 고밀도로 리튬을 증착할 수 있으므로, 용량적인 한계를 극복한 리튬 전지의 음극으로서 활용될 수 있다.The rearranged layered structure carbon material manufactured by the method according to the present disclosure accumulates an electric field by including very narrow gaps (slits), leading to the effect of lithium ions being concentrated inside the slits. Accordingly, lithium dentrite growth is suppressed because surface areas of very narrow crevices have only small amounts of lithium, which are insufficient to form dendrites, and at the same time, lithium can be deposited more uniformly. In addition, compared to a typical graphite electrode, there is a wider lithium accommodation space and lithium can be deposited at high density, so it can be used as a negative electrode for a lithium battery that overcomes capacity limitations.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다공성 구조를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may have a porous structure, but is not limited thereto.
상기 다공성 구조는 전자의 집중에 의해 생성되는 전기장을 집중시켜 리튬 이온을 축적시킬 수 있다. 또한, 상기 다공성 구조는 비표면적을 증가시켜 상대 전류 밀도를 감소시킬 수 있으며, 전해질과의 반응을 물리적으로 차단하고, 전지의 부피 변화를 완충시키기에 보다 효과적이다. 또한, 리튬 이온의 이동이 용이하다.The porous structure can accumulate lithium ions by concentrating the electric field generated by concentration of electrons. Additionally, the porous structure can reduce relative current density by increasing the specific surface area, and is more effective in physically blocking reaction with the electrolyte and buffering changes in the volume of the battery. Additionally, the movement of lithium ions is easy.
상기 다수의 슬릿은 상기 층상구조 탄소소재가 재배열되는 과정에서 생성된다. The plurality of slits are created in the process of rearranging the layered carbon material.
구체적으로, 층상구조 탄소소재가 용해된 혼합액에 에너지를 가하여 재배열된(re-arranged) 층상구조 탄소소재를 제조하며, 이 과정에서 상기 가해진 에너지에 의해 상기 층상구조 탄소소재가 자기조립(self-assembly)되어 재배열된다.Specifically, energy is applied to the mixed solution in which the layered carbon material is dissolved to produce a re-arranged layered carbon material. In this process, the applied energy causes the layered carbon material to self-assemble (self-assembly). assembly) and rearranged.
본훤의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합액은 고분자 바인더를 추가 포함하는 것일 수 있으며, 상기 에너지에 의해 상기 고분자 바인더가 제거되면서 상기 고분자 바인더가 존재하던 위치에 상기 다수의 슬릿이 형성될 수 있다.According to one embodiment of Bonhwon, the mixed solution may further include a polymer binder, and as the polymer binder is removed by the energy, the plurality of slits may be formed at the location where the polymer binder was present.
구체적으로, 공극을 포함하는 탄소소재에 고분자 바인더를 포함하여 에너지를 가해주면, 층상구조 탄소소재가 압착되어 공극이 크기 밋 개수가 줄어들고, 남은 공극들 마저도 상기 고분자 바인더에 의해 공간이 채워진다. 동시에 상기 에너지에 의해 고분자 바인더가 제거되면서, 결국 다수의 슬릿이 포함된 재배열된 층상구조 탄소소재가 형성된다.Specifically, when energy is applied to a carbon material including a pore with a polymer binder, the layered carbon material is compressed, the size of the pore decreases, and even the remaining pores are filled with the polymer binder. At the same time, the polymer binder is removed by the above energy, ultimately forming a rearranged layered carbon material containing multiple slits.
상기 에너지는 열처리, 광조사, 초음파 처리 등 다양한 방법에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 열처리에 의해 수행될 수 있다.The energy can be applied by various methods such as heat treatment, light irradiation, and ultrasonic treatment, and is preferably performed by heat treatment.
상기 열처리에 의해 고분자 바인더가 제거된 후, 일부 고분자 바인더는 그래핀 표면에 잔여할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.After the polymer binder is removed by the heat treatment, some polymer binder may remain on the graphene surface, but is not limited to this.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 고분자 바인더는 폴리에스테르, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르-폴리에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜, 폴리에틸렌이미드, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리아미드 이미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐 알코올, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 고무, 아크릴레이트계 고무, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 나트륨 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 고분자로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the polymer binder is polyester, polyethylene vinyl acetate, polyester-polyethylene vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polyolefin, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyethylene. Terephthalate, polystyrene, polyethylene ketone, polyethylene terephthalate glycol, polyethylene imide, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymer, propylene hexafluoride, vinylidene fluoride/hexafluoride Propylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyimide, polyamide imide, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, styrene butadiene rubber polymer, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic It may include, but is not limited to, those selected from the group consisting of ronitrile-butadiene-styrene rubber, acrylate-based rubber, hydroxypropylmethylcellulose, sodium carboxymethylcellulose (CMC), and composite polymers containing one or more of these. no.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 친리튬성(lithiophilic) 잔여 고분자 바인더를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the rearranged layered structure carbon material may include a lithiophilic residual polymer binder, but is not limited thereto.
본원에 따른 방법으로 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재는 친리튬성(lithiophilic) 잔여 고분자 바인더를 포함함으로써, 리튬 증착(plating)과정에서 리튬 이온을 끌어당길 수 있으므로, 고용량으로 균일하게 리튬 이온을 안정적으로 증착할 수 있다.The rearranged layered structure carbon material manufactured by the method according to the present application contains a lithiophilic residual polymer binder and can attract lithium ions during the lithium plating process, thereby uniformly releasing lithium ions at high capacity. It can be deposited stably.
즉, 본원에 따른 방법으로 제조된 재배열된 층상구조 탄소소재는 강한 내부 전기장에 의해 리튬 이온을 미세 다공성 구조 및 매우 좁은 슬릿으로 농축시킴으로써, 전해질 내부상(Solid electrolyte interphase, SEI) 및 수지상 성장으로 인한 전기화학적 구동 성능 저하 및 위험 요소를 방지하여 안정성을 향상시킴으로써, 전지의 쿨롱효율을 증가시키고, 충방전 용량, 수명, 및 율속과 같은 전기화학적 특성이 향상된 리튬 전지의 음극으로서 활용될 수 있다.In other words, the rearranged layered structure carbon material manufactured by the method according to the present application concentrates lithium ions into a microporous structure and very narrow slits by a strong internal electric field, resulting in solid electrolyte interphase (SEI) and dendritic growth. By improving stability by preventing electrochemical driving performance degradation and risk factors, the coulombic efficiency of the battery is increased, and it can be used as a negative electrode of a lithium battery with improved electrochemical properties such as charge/discharge capacity, lifespan, and rate.
또한, 본원에 따른 재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법은 열처리를 이용한 간단한 방법을 사용하여 층상구조 탄소소재가 자기조립(self-assembly)되어 재배열된 층상구조 탄소소재를 제조함으로써, 제작 공정이 단순화될 수 있고, 단기간에 제조할 수 있으므로 제조 비용을 낮출 수 있어 편의성 및 경제성이 우수할 수 있고, 이에 따라 대량 생산이 용이하여 다양한 분야에 유용하게 적용할 수 있다.In addition, the method for manufacturing a rearranged layered structure carbon material according to the present disclosure is to self-assemble the layered structure carbon material using a simple method using heat treatment to produce a rearranged layered carbon material, thereby producing a manufacturing process. Since this can be simplified and manufactured in a short period of time, manufacturing costs can be lowered, leading to excellent convenience and economic efficiency. Accordingly, mass production is easy and can be usefully applied to various fields.
본원의 제 3 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.A third aspect of the present application provides a secondary battery including an electrode for a secondary battery according to the first aspect of the present application.
본원의 제 3 측면의 상기 이차전지에 대하여, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.Regarding the secondary battery of the third aspect of the present application, detailed description of parts overlapping with the first and second aspects of the present application has been omitted. However, even if the description is omitted, the battery described in the first and second aspects of the present application The content can be equally applied to the third aspect of the present application.
상기 이차전지는 리튬 전지일 수 있으며, 상기 리튬 전지는 전해질이 액체인 일반적인 리튬 전지를 포함할 뿐 아니라, 전해질이 고체인 전고체 전지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The secondary battery may be a lithium battery, and the lithium battery may include a general lithium battery in which the electrolyte is liquid, as well as an all-solid-state battery in which the electrolyte is solid, but is not limited thereto.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present application.
[실시예 1] 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)의 제조[Example 1] Preparation of rearranged graphene platelets (Re-AG)
먼저, 그래핀 플레이크 200 mg 을 아세톤 20 ml가 담긴 코니컬튜브에 넣고 분산시킨다.First, 200 mg of graphene flakes were placed in a conical tube containing 20 ml of acetone and dispersed.
이어서, 접착물질(록타이트사, loctite401)을 코니컬튜브에 넣고 흔든다. 이때, 반응이 일어나면서 부풀어 오르고, 상기 코니컬 튜브를 진공 오븐에 넣어 건조시킨다.Next, add adhesive material (Loctite, Loctite401) into the conical tube and shake. At this time, as the reaction occurs, it swells, and the conical tube is placed in a vacuum oven to dry.
건조 후에 굳은 물질을 망치로 부수고 볼밀로 분쇄한다.After drying, the hardened material is broken with a hammer and pulverized with a ball mill.
CVD로 열처리를 진행한다. 열처리 조건은 순차적으로 120℃ 10 분, 400℃ 유지 10 분, 800℃ 유지 5 분 동안 진행하였다.Heat treatment is performed by CVD. The heat treatment conditions were sequentially 120°C for 10 minutes, 400°C for 10 minutes, and 800°C for 5 minutes.
열처리 후 체에 거른 후 샘플을 얻는다.After heat treatment, the sample is obtained after sieving.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿의 열처리 과정 중 SEM 사진이다.Figure 3 is an SEM photograph during the heat treatment process of rearranged graphene platelets according to an embodiment of the present application.
이를 통하여, 열처리 정도에 따라 다공성 구조가 되어가는 것을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that the structure became porous depending on the degree of heat treatment.
도 4 는 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿의 TEM 사진이고, 도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿의 SEM 사진이고, 도 6 은 본원의 일 비교예에 따른 그래파이트의 SEM 및 TEM 사진이다.FIG. 4 is a TEM image of rearranged graphene platelets according to an embodiment of the present application, FIG. 5 is an SEM image of rearranged graphene platelets according to an embodiment of the present application, and FIG. 6 is an image of the rearranged graphene platelets according to an embodiment of the present application. These are SEM and TEM photos of graphite according to the comparative example.
이를 통하여, 본원에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)의 제조 과정에서 그래핀 적층 시 빈 공간이 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 적층된 그래핀 사이의 두께가 1 nm 미만임을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that empty space was formed when graphene was stacked during the manufacturing process of rearranged graphene platelets (Re-AG) according to the present application, and it was confirmed that the thickness between stacked graphene was less than 1 nm. there was.
또한, 그래파이트와는 구별되는 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)이 제조되었음을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that rearranged graphene platelets (Re-AG), which are distinct from graphite, were manufactured.
[비교예][Comparative example]
일반적인 코인셀 구조로 Re-AG가 캐스팅 되지 않은 구리포일과 리튬 포일을 조합하여 만든 하프셀(구리포일, 분리막, 리튬포일 형태)을 비교예로 사용하였다. A half-cell (in the form of copper foil, separator, and lithium foil) made by combining copper foil and lithium foil without Re-AG casting as a general coin cell structure was used as a comparative example.
[실험예 1][Experimental Example 1]
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿의 3D 모식도이다.Figure 7 is a 3D schematic diagram of rearranged graphene platelets according to an embodiment of the present application.
구체적으로, 상기 실시예 1 에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)의 구조 분석을 위하여 STEM(SCANNING TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY) 이미지를 사용하여 3D 모식도를 구축하였다.Specifically, to analyze the structure of the rearranged graphene platelets (Re-AG) according to Example 1, a 3D schematic diagram was constructed using a SCANNING TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY (STEM) image.
이를 통하여, 본원에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)이 다수의 슬릿을 포함하는 것을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that the rearranged graphene platelets (Re-AG) according to the present application include a plurality of slits.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿의 3D 모식도를 이용하여 구조를 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 8 is a graph showing the results of analyzing the structure of rearranged graphene platelets according to an embodiment of the present application using a 3D schematic diagram.
구체적으로, 도 8 의 (A) 는 Xrd 데이터를 나타낸 그래프이고, 도 8 의 (B) 는 XPS 데이터를 나타낸 그래프이며, 도 8 의 (C) 는 라만 데이터를 나타낸 그래프이고, 도 8 의 (D) 는 saxs 데이터를 나타낸 그래프이며, 도 8 의 (E) 는 상기 3D 모식도를 이용하여 갭 분포 계산을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.Specifically, (A) in Figure 8 is a graph showing Xrd data, (B) in Figure 8 is a graph showing XPS data, (C) in Figure 8 is a graph showing Raman data, and (D) in Figure 8 ) is a graph showing saxs data, and (E) in FIG. 8 is a graph showing the results of gap distribution calculation using the 3D schematic diagram.
XRD 분석데이터로 그래파이트와 유사한 면간거리 및 구조를 가지고 있지만 Re-AG의 45도 부근의 픽을 바탕으로 Re-AG가 추가적인 공간을 가지는 것을 알 수 있었다.XRD analysis data shows that although it has a similar interplanar distance and structure to graphite, it was found that Re-AG has additional space based on the pick around 45 degrees of Re-AG.
XPS 분석데이터로 cycanogen 기반의 접착물질을 사용하여 그래핀 플레이틀릿을 제조할 경우 질소 작용기들이 남아 있는 것을 확인할 수 있었다.XPS analysis data confirmed that nitrogen functional groups remained when graphene platelets were manufactured using a cycanogen-based adhesive material.
라만 분석 데이터를 바탕으로 일반적인 그래파이트보다 Re-AG가 더 많은 도핑 및 결함 사이트를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.Based on Raman analysis data, it was confirmed that Re-AG has more doping and defect sites than general graphite.
Saxs 데이터는 Re-AG가 그래파이트보다 좁은 틈을 정량적으로 더 많이 가지고 있는 것을 알 수 있었다.Saxs data showed that Re-AG had quantitatively more narrow gaps than graphite.
도7을 바탕으로 Re-AG의 갭 및 포어의 너비 수치 분포를 정리하여 그래프로 표현한 데이터Based on Figure 7, the numerical distribution of gaps and pore widths of Re-AG is summarized and expressed graphically.
[실험예 2][Experimental Example 2]
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 리튬 전지용 음극의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 9 is a graph showing the results of analyzing the electrochemical characteristics of a negative electrode for a lithium battery according to an example of the present application.
도 9 의 (A) 는 본원의 상기 실시예 1 에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)을 이용한 하프셀(half cell)의 개략도이며, (B) 는 1 mAh/cm2 의 해당 용량에 대해 1 mA/cm2 전류 밀도를 적용하였을 때 쿨롱효율 및 전압 프로파일을 측정한 그래프이며, (C)는 4 mAh/cm2 의 해당 용량에 대해 4 mA/cm2 전류 밀도를 적용하였을 때 쿨롱효율 및 전압 프로파일을 측정한 그래프이며, (D) 는 하프셀의 제조 후 임피던스를 분석한 그래프이며, (E)는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 하프셀의1 mAh/cm2 의 해당 용량에 대해 5 mA/cm2 및 10 mA/cm2 전류 밀도를 적용하였을 때 쿨롱효율을 측정한 그래프이다.Figure 9 (A) is a schematic diagram of a half cell using rearranged graphene platelets (Re-AG) according to Example 1 of the present application, and (B) is the corresponding 1 mAh/cm 2 This is a graph measuring the Coulombic efficiency and voltage profile when a current density of 1 mA/cm 2 is applied to the capacity, and (C) is when a current density of 4 mA/cm 2 is applied to the corresponding capacity of 4 mAh/cm 2 This is a graph measuring the coulombic efficiency and voltage profile, (D) is a graph analyzing the impedance after manufacturing the half cell, and (E) is 1 mAh/cm of the half cell manufactured according to an example and comparative example of the present application. This is a graph measuring the Coulombic efficiency when 5 mA/cm 2 and 10 mA/cm 2 current densities are applied to the corresponding capacity of 2 .
도 9 를 참조하면, 상기 실시예 1 에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)을 이용한 리튬 전지용 음극은 상대적으로 가혹한 전류 밀도에서 95% 이상의 높은 쿨롱 효율 및 200 사이클 이상의 긴 주기 수명을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 베어 샘플보다 우수한 쿨롱 효율 및 수명을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본원에 따른 음극은 베어 샘플보다 낮은 리튬 증착 과전압을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 실시예 1 에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AB)이 리튬 이온의 호스트를 제공하여 안정적인 증착이 가능하고, 원치 않는 부반응을 줄여 높은 효율과 긴 수명을 제공함을 시사하는 것이다.Referring to FIG. 9, the anode for a lithium battery using the rearranged graphene platelets (Re-AG) according to Example 1 has a high coulombic efficiency of more than 95% and a long cycle life of more than 200 cycles at a relatively harsh current density. I was able to confirm what I was seeing. In other words, it was confirmed that it exhibited superior coulombic efficiency and lifespan than the bare sample. In addition, it was confirmed that the cathode according to the present disclosure showed a lower lithium deposition overvoltage than the bare sample. This suggests that the rearranged graphene platelets (Re-AB) according to Example 1 provide a host for lithium ions, enabling stable deposition, and providing high efficiency and long lifespan by reducing unwanted side reactions.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 리튬 전지용 음극의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 10 is a graph showing the results of analyzing the electrochemical characteristics of a negative electrode for a lithium battery according to an example of the present application.
구체적으로, 양극으로 리튬 금속을, 음극으로 상기 실시예 1 에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)을 이용하여 대칭셀(Symmetric cell)를 제조하였다.Specifically, a symmetric cell was manufactured using lithium metal as the anode and the rearranged graphene platelets (Re-AG) according to Example 1 as the cathode.
도 10 의 (A) 는 상기 대칭셀의 모식도이고, 도 10 의 (B) 는 1 mAh/cm2 의 해당 용량에 대해 1 mA/cm2 전류 밀도를 적용하였을 때 사이클링 성능을 나타낸 그래프이고, 도 10 의 (C) 는 4 mAh/cm2 의 해당 용량에 대해 1 mA/cm2 전류 밀도를 적용하였을 때 쿨롱 효율을 측정한 그래프이다.Figure 10 (A) is a schematic diagram of the symmetric cell, and Figure 10 (B) is a graph showing cycling performance when a current density of 1 mA/cm 2 is applied to the corresponding capacity of 1 mAh/cm 2 , (C) in 10 is a graph measuring the coulombic efficiency when a current density of 1 mA/cm 2 is applied to the corresponding capacity of 4 mAh/cm 2 .
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 리튬 전지용 음극의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 11 is a graph showing the results of analyzing the electrochemical characteristics of a negative electrode for a lithium battery according to an example of the present application.
구체적으로, 양극으로 NCM 을, 음극으로 상기 실시예 1 에 따른 재배열된 그래핀 플레이틀릿(Re-AG)을 이용하여 풀셀(full cell)를 제조하였다.Specifically, a full cell was manufactured using NCM as the anode and rearranged graphene platelets (Re-AG) according to Example 1 as the cathode.
도 11 의 (A) 는 상기 풀셀의 모식도이고, 도 11 의 (B) 는 전지의 용량 및 전압 프로파일을 측정한 그래프이며, 도 11 의 (C) 는 전지의 용량 보존(capacity retention) 및 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.Figure 11 (A) is a schematic diagram of the full cell, Figure 11 (B) is a graph measuring the capacity and voltage profile of the battery, and Figure 11 (C) is a graph showing the capacity retention and voltage profile of the battery. This is a graph measuring .
[실험예 3][Experimental Example 3]
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 리튬 전지용 음극의 리튬 금속 증착 시 단면 이미지이다.Figure 12 is a cross-sectional image when lithium metal is deposited on a negative electrode for a lithium battery according to an embodiment of the present application.
도 12 를 참조하면, 리튬 금속이 탄소 소재의 하단부에 조밀하게 형성되면서 안정적으로 증착된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 종래의 기술에서 전이금속, 은, 금 등의 고가의 금속을 사용하여 리튬 금속을 안정적으로 증착하던 것과는 달리, 고가의 금속의 사용없이 탄소소재만으로 리튬 금속을 안정적으로 증착할 수 있음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 12, it was confirmed that lithium metal was densely formed and stably deposited on the lower part of the carbon material. Through this, unlike the conventional technology where lithium metal was stably deposited using expensive metals such as transition metals, silver, and gold, lithium metal can be stably deposited only with carbon materials without the use of expensive metals. I was able to confirm.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present application described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present application can be easily modified into other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application.
Claims (15)
상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다수의 슬릿을 포함하고,
상기 슬릿은 전압 인가시 내부에 금속 이온을 저장하여 금속을 성장시키는 것을 포함하고,
상기 슬릿의 내부 간격은 0.3 nm 내지 8 nm인 것을 포함하고,
상기 내부 간격이 0.3 nm 내지 8 nm인 상기 슬릿이 전체 슬릿 수의 50% 이상인 것을 포함하는,
이차전지용 전극.
In an electrode for a secondary battery containing a rearranged layered structure carbon material,
The rearranged layered structure carbon material includes a plurality of slits,
The slit includes storing metal ions inside the slit when a voltage is applied to grow the metal,
The internal spacing of the slit includes 0.3 nm to 8 nm,
Including that the slits having an internal spacing of 0.3 nm to 8 nm are more than 50% of the total number of slits,
Electrodes for secondary batteries.
상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 접착물질을 더 포함하고,
상기 재배열된 층상구조 탄소소재에 대해 XPS 분석 시,
상기 재배열된 층상구조 탄소소재의 상기 접착물질에 의해, 질소 작용기가 관찰되는 것을 포함하는,
이차전지용 전극.
According to claim 1,
The rearranged layered structure carbon material further includes an adhesive material,
During XPS analysis of the rearranged layered structure carbon material,
Including that a nitrogen functional group is observed by the adhesive material of the rearranged layered structure carbon material,
Electrodes for secondary batteries.
상기 슬릿은 전압 인가시 내부에 전기장이 유도되는 것인,
이차전지용 전극.
According to claim 1,
The slit is such that an electric field is induced inside the slit when a voltage is applied,
Electrodes for secondary batteries.
상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 층상구조 탄소소재에 에너지를 가하여 재배열된 것인,
이차전지용 전극.
According to claim 1,
The rearranged layered structure carbon material is rearranged by applying energy to the layered structure carbon material,
Electrodes for secondary batteries.
상기 층상구조 탄소소재는 그래핀 플레이틀릿(graphene platelet), 적층된 탄소(Stratified carbon) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인,
이차전지용 전극.
According to claim 4,
The layered carbon material includes one selected from the group consisting of graphene platelets, stratified carbon, and combinations thereof,
Electrodes for secondary batteries.
상기 재배열된 층상구조 탄소소재는 다공성 구조를 갖는 것인,
이차전지용 전극.
According to claim 1,
The rearranged layered structure carbon material has a porous structure,
Electrodes for secondary batteries.
상기 금속 이온은 리튬 이온을 포함하는 것인,
이차전지용 전극.
According to claim 1,
The metal ion includes lithium ions,
Electrodes for secondary batteries.
상기 이차전지용 전극은 음극용 전극인 것인, 이차전지용 전극.
According to claim 1,
The electrode for a secondary battery is an electrode for a negative electrode.
상기 혼합액을 건조하고 볼밀로 분쇄하여, 상기 층상구조 탄소소재 및 상기 접착물질을 포함하는 층상구조 탄소소재 전구체를 제조하는 단계; 및
상기 층상구조 탄소소재 전구체에 에너지를 가하여 재배열된(re-arranged) 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 혼합액을 제조하는 단계에서, 상기 접착물질에 의해, 인접한 상기 층상구조 탄소소재의 사이 간격이 감소되는 것을 포함하고,
상기 재배열된 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계에서, 상기 에너지에 의해, 상기 층상구조 탄소소재 전구체의 상기 접착물질이 상기 층상구조 탄소소재 전구체의 상기 층상구조 탄소소재를 압착시키는 것을 포함하고, 동시에 상기 접착물질이 증발하면서 상기 층상구조 탄소소재가 자기조립(self-assembly)되고 재배열되어, 다수의 슬릿이 형성되는 것을 포함하는,
재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법.
Providing an adhesive material to a layered carbon material to prepare a mixed solution;
Drying the mixed solution and pulverizing it with a ball mill to produce a layered carbon material precursor including the layered carbon material and the adhesive material; and
Comprising the step of producing a re-arranged layered structure carbon material by applying energy to the layered structure carbon material precursor,
In the step of preparing the mixed solution, the gap between the adjacent layered carbon materials is reduced by the adhesive material,
In the step of manufacturing the rearranged layered structure carbon material, the adhesive material of the layered structure carbon material precursor includes compressing the layered structure carbon material of the layered structure carbon material precursor by the energy, and at the same time As the adhesive material evaporates, the layered carbon material self-assembles and rearranges, forming a plurality of slits.
Method for manufacturing rearranged layered carbon materials.
상기 재배열된 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계에서, 상기 에너지에 의해 증발된 상기 접착물질의 위치에 상기 슬릿이 형성되는 것을 포함하는,
재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법.
According to clause 9,
In the step of manufacturing the rearranged layered structure carbon material, the slit is formed at the position of the adhesive material evaporated by the energy,
Method for manufacturing rearranged layered carbon materials.
상기 재배열된 층상구조 탄소소재를 제조하는 단계에서, 상기 층상구조 탄소소재 전구체의 상기 접착물질이 일부 미제거되는 것을 포함하는,
재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법.
According to clause 9,
In the step of manufacturing the rearranged layered structure carbon material, some of the adhesive material of the layered structure carbon material precursor is not removed,
Method for manufacturing rearranged layered carbon materials.
상기 층상구조 탄소소재는, 다수의 그래핀 층을 포함하고,
상기 층상구조 탄소소재의 인접한 상기 그래핀 층의 사이 간격이, 0.6 nm 내지 0.9 nm인 것을 포함하는,
재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법.
According to clause 9,
The layered carbon material includes a plurality of graphene layers,
Including that the spacing between adjacent graphene layers of the layered carbon material is 0.6 nm to 0.9 nm,
Method for manufacturing rearranged layered structure carbon materials.
상기 접착물질은 폴리에스테르, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르-폴리에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜, 폴리에틸렌이미드, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리아미드 이미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐 알코올, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 고무, 아크릴레이트계 고무, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 나트륨 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 고분자로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인,
재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법.
According to claim 10,
The adhesive material is polyester, polyethylene vinyl acetate, polyester-polyethylene vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polyolefin, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyethylene terephthalate, polystyrene, and polyethylene ketone. , polyethylene terephthalate glycol, polyethylene imide, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymer, hexafluoropropylene, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl. Ridene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyimide, polyamide imide, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, styrene butadiene rubber polymer, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene-styrene rubber. , acrylate-based rubber, hydroxypropylmethylcellulose, sodium carboxymethylcellulose (CMC), and composite polymers containing one or more mixtures thereof,
Method for manufacturing rearranged layered structure carbon materials.
상기 에너지를 가하는 것은 열처리, 광 조사, 초음파 처리 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 수행되는 것인,
재배열된 층상구조 탄소소재의 제조 방법.
According to clause 9,
Applying the energy is performed by a method selected from the group consisting of heat treatment, light irradiation, ultrasonic treatment, and combinations thereof,
Method for manufacturing rearranged layered structure carbon materials.
A secondary battery comprising the electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 8.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR20210090153 | 2021-07-09 | ||
KR1020210090153 | 2021-07-09 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20230009797A KR20230009797A (en) | 2023-01-17 |
KR102653055B1 true KR102653055B1 (en) | 2024-04-01 |
Family
ID=85111356
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020210182452A KR102653055B1 (en) | 2021-07-09 | 2021-12-20 | Re-arranged stratified carbon material, preparing method of the same, and secondary battery including the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102653055B1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100792853B1 (en) | 2006-08-21 | 2008-01-14 | 한국전기연구원 | Carbonoxide composites having high capacity, manufacturing method thereof, electrode and energy storage apparatus comprising the same |
JP2018195590A (en) * | 2013-03-04 | 2018-12-06 | 積水化学工業株式会社 | Fine particle-graphite flake composite, negative electrode material for lithium ion secondary battery, manufacturing methods thereof, and lithium ion secondary battery |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB201405616D0 (en) * | 2014-03-28 | 2014-05-14 | Perpetuus Res & Dev Ltd | A composite material |
-
2021
- 2021-12-20 KR KR1020210182452A patent/KR102653055B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100792853B1 (en) | 2006-08-21 | 2008-01-14 | 한국전기연구원 | Carbonoxide composites having high capacity, manufacturing method thereof, electrode and energy storage apparatus comprising the same |
JP2018195590A (en) * | 2013-03-04 | 2018-12-06 | 積水化学工業株式会社 | Fine particle-graphite flake composite, negative electrode material for lithium ion secondary battery, manufacturing methods thereof, and lithium ion secondary battery |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Joule. 2021, Vol. 5, pp. 393-414 (2021.02.17.)* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20230009797A (en) | 2023-01-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20220311043A1 (en) | Metal sulfide composite materials for batteries | |
US11355739B2 (en) | Passivation of lithium metal by two-dimensional materials for rechargeable batteries | |
JP6761965B2 (en) | Layered oxygen-containing carbon anode for lithium-ion batteries with large capacity and high-speed charging function | |
US20230253545A1 (en) | Anodes, cathodes, and separators for batteries and methods to make and use same | |
Ji et al. | Multilayer nanoassembly of Sn-nanopillar arrays sandwiched between graphene layers for high-capacity lithium storage | |
CN107004827B (en) | Composite electrode, lithium ion battery pack comprising same and preparation method of composite electrode | |
US20140234722A1 (en) | Si/C COMPOSITE MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND ELECTRODE | |
US10608276B2 (en) | Carbon material, anode material and spacer additive for lithium ion battery | |
US20110104551A1 (en) | Nanotube composite anode materials suitable for lithium ion battery applications | |
US20120121977A1 (en) | Surface-modified silicon anode active material, method of preparing the same, and anode and lithium battery employing the same | |
US10923726B2 (en) | Artificial solid electrolyte interphase of a metallic anode for a secondary battery including amino-functionalized carbon structures to protect the anode material, a method for producing the anode and a lithium metal secondary battery including the anode produced by the method | |
KR20160104769A (en) | Separator for secondary battery, method of fabricating the same, and lithium secondary battery comprising the same | |
TW201624819A (en) | Li-ion battery and method of preparing a pre-lithiated anode for use in a Li-ion cell | |
KR20130040541A (en) | Composite of graphene and metal oxide for negative active material of rechargeable lithium battery and preparing method thereof | |
Gan et al. | Lithium electrodeposited on lithiophilic LTO/Ti 3 C 2 substrate as a dendrite-free lithium metal anode | |
US10862104B2 (en) | Mono-cell batteries | |
KR20190056844A (en) | Surface-modified separator for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery including the same | |
KR20170116095A (en) | Coated sulfur particles electrode and method | |
Chen et al. | Self-assembled materials for electrochemical energy storage | |
KR102653055B1 (en) | Re-arranged stratified carbon material, preparing method of the same, and secondary battery including the same | |
Zhang et al. | Silicon-based anodes for Li-ion batteries | |
US11302908B2 (en) | Anode preparation system applying dry etching treatment to the anodes | |
Koller et al. | Next-generation materials for electrochemical energy storage–silicon and magnesium | |
KR102643234B1 (en) | rGO Fibers-Aramid functional separator for High-speed charging and discharging and High stability of Li metal anode | |
Shi | Inhibiting the growth of lithium dendrites by employing the anodic aluminum oxide membrane |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |