KR102627218B1 - Electrode Active Material and Capacitor including this - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 비표면적 및 총 기공 부피 특성이 우수한 계층적 다공성 탄소 네트워크를 가지는 전극 활물질을 제공할 수 있다. 본 발명은 상기와 같은 전극 활물질을 포함하여 우수한 전기전도도, 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 가지고, 뛰어난 안정성 또한 가질 수 있는 커패시터를 제공할 수 있다. The present invention can provide an electrode active material having a hierarchical porous carbon network with excellent specific surface area and total pore volume characteristics. The present invention can provide a capacitor that includes the electrode active material described above and has excellent electrical conductivity, high energy density and power density, and excellent stability.
Description
본 발명은 전극 활물질 및 이를 포함하는 커패시터에 관한 것이다. The present invention relates to electrode active materials and capacitors containing the same.
본 발명은, 과학기술정보통신부 글로벌프런티어사업(C1-6401)으로 수행되었다.This invention was carried out under the Ministry of Science and ICT's Global Frontier Project ( C1-6401 ).
전기화학 커패시터(슈퍼 커패시터)는 빠른 충/방전 특성, 우수한 안정성 및 우수한 에너지 밀도 및 출력 밀도를 가져, 지난 20여년 동안 전기 화학 에너지 저장 시스템을 지배해왔다. Electrochemical capacitors (supercapacitors) have fast charge/discharge characteristics, excellent stability, and excellent energy density and power density, and have dominated electrochemical energy storage systems for the past 20 years.
1세대 슈퍼 커패시터로써, 전기 이중층 커패시터에 대한 연구가 수행되어왔다. 전기 이중층 커패시터는 일반적으로 비표면적이 높은 탄소 소재(예를 들어, 탄소나노튜브, 그래핀, 활성탄 또는 천연유래탄소 등)를 전극재료로 사용하여 Non-Faradaic process로 전극 및 전해질에 전하를 저장하는 원리이다. 이러한 전기 이중층 커패시터는 빠른 충/방전 특성, 우수한 사이클 수명 및 높은 속도의 전력 공급을 가능케하는 초과 전위(surplus potential) 특성을 가지지만, 에너지 공급량이 낮아 상업적 측면에서의 성능 개선이 필요했다. As a first-generation supercapacitor, research has been conducted on electric double layer capacitors. Electric double layer capacitors generally use carbon materials with a high specific surface area (e.g., carbon nanotubes, graphene, activated carbon, or natural carbon, etc.) as electrode materials to store charges in the electrode and electrolyte through a non-faradaic process. It is a principle. These electric double-layer capacitors have fast charge/discharge characteristics, excellent cycle life, and surplus potential characteristics that enable high-speed power supply, but their low energy supply required performance improvement in commercial terms.
1세대 슈퍼 커패시터의 이러한 문제를 개선하기 위하여 2세대 커패시터로써, 비대칭/하이브리드 슈퍼 커패시터에 대한 연구가 이루어졌다. 비대칭/하이브리드 커패시터는 Faradaic 및 non-Faradaic 현상을 이용해 전하를 수확할 수 있도록 탄소 전극 및 고용량 Faradaic 전극의 쌍으로 구성된다. 이러한 비대칭/하이브리드 커패시터는 상용 가능한 사이클 수명을 가지면서, 에너지 밀도 또한 높은 장점이 있다. In order to improve these problems of the first generation super capacitor, research was conducted on asymmetric/hybrid super capacitors as second generation capacitors. Asymmetric/hybrid capacitors consist of a pair of carbon electrodes and a high-capacitance Faradaic electrode to harvest charge using Faradaic and non-Faradaic phenomena. These asymmetric/hybrid capacitors have the advantage of having a commercially viable cycle life and high energy density.
그러나 에너지 수요의 증가 및 다양한 용도로의 활용을 위해 이러한 비대칭/하이브리드 커패시터의 에너지 밀도 및 출력 밀도 등보다 우수한 특징을 가지는 커패시터에 대한 필요성이 커졌다. 이에 따라 비대칭/하이브리드 슈퍼 커패시터의 탄소 전극을, 유용한 전기 화학적 이점을 가지는 다른 전지형 소재로 교체한 슈퍼 레독스 커패시터(3세대 커페시터)가 새로이 대두되고 있다. However, due to the increase in energy demand and utilization for various purposes, the need for capacitors with characteristics superior to those of asymmetric/hybrid capacitors, such as energy density and power density, has increased. Accordingly, super redox capacitors (3rd generation capacitors) are emerging, in which the carbon electrodes of asymmetric/hybrid supercapacitors are replaced with other omni-type materials with useful electrochemical advantages.
슈퍼 레독스 커패시터는 비대칭/하이브리드 커패시터 대비 전지 전압이 높아 뛰어난 안정성을 가지면서도 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 제공할 수 있는 장점을 가지는 커패시터이다. 슈퍼 레독스 커패시터의 이러한 특징의 구현을 위해서는 고전위에서 작동 가능한 유용한 전극을 선택하는 것이 필요하다. Super redox capacitors are capacitors that have the advantage of providing high energy density and power density while providing excellent stability due to higher battery voltage compared to asymmetric/hybrid capacitors. To realize these features of a super redox capacitor, it is necessary to select useful electrodes capable of operating at high potentials.
본 발명은, 비표면적 및 총 기공 부피 특성이 우수한 계층적 다공성 탄소 네트워크를 가지는 전극 활물질을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다. 본 발명은 상기와 같은 전극 활물질을 포함하여 우수한 전기전도도, 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 가지고, 뛰어난 안정성 또한 가질 수 있는 커패시터를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다. One purpose of the present invention is to provide an electrode active material having a hierarchical porous carbon network with excellent specific surface area and total pore volume characteristics. Another object of the present invention is to provide a capacitor that includes the above electrode active material and has excellent electrical conductivity, high energy density and power density, and excellent stability.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.
본 발명의 일 측면은 전극 활물질에 관한 것이다. One aspect of the present invention relates to electrode active materials.
본 발명의 전극 활물질은 예를 들어, 계층적 탄소 입자체; 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(LVO/C 복합체); 또는 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVP의 복합체(LVP/C 복합체)일 수 있다. The electrode active material of the present invention includes, for example, hierarchical carbon particles; A composite of the hierarchical carbon particle body and LVO (LVO/C composite); Or it may be a composite of the hierarchical carbon particles and LVP (LVP/C composite).
상기 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(LVO/C 복합체)는, 예를 들어, 상기 LVO 100 중량부에 대해 상기 계층적 탄소 입자체를 500 내지 9500 중량부의 범위 내로 포함할 수 있다. For example, the composite of the hierarchical carbon particles and LVO (LVO/C composite) may include the hierarchical carbon particles in the range of 500 to 9500 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVO.
상기 계층적 탄소 입자체 및 LVP의 복합체(LVP/C 복합체)는, 예를 들어, 상기 LVP 100 중량부에 대해 상기 계층적 탄소 입자체를 500 내지 9500 중량부의 범위 내로 포함할 수 있다. For example, the composite of the hierarchical carbon particles and LVP (LVP/C composite) may include the hierarchical carbon particles in the range of 500 to 9500 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVP.
본 발명의 전극 활물질은 예를 들어, 계층적 탄소 입자체는 표면에 내부 기공으로 들어갈 수 있는 1nm 내지 500nm범위 내의 크기의 입구를 포함할 수 있고, 내부에 매크로(macro) 기공, 메조(meso) 기공 및 마이크로(micro) 기공 중 적어도 2종 이상의 기공을 포함할 수 있으며, 상기 계층적 탄소 입자체는, 상기 매크로 기공, 메조 기공 및 마이크로 기공 중 적어도 2종 이상의 기공이 상호 연결된 계층적 다공성 탄소 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. The electrode active material of the present invention, for example, hierarchical carbon particles, may include an inlet with a size in the range of 1 nm to 500 nm that can enter internal pores on the surface, and macro pores and meso pores on the inside. It may include at least two types of pores and micro pores, and the hierarchical carbon particle is a hierarchical porous carbon network in which at least two types of pores among the macro pores, meso pores, and micro pores are interconnected. It can be characterized by forming a .
상기 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 히드록시기 함유 수지를 칼륨 양이온(K+)으로 이온 교환하고 탄화시켜 수득한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 상기 히드록시기 함유 수지는 예를 들어, 페름 포름알데히드 수지(Phenol Formaldehyde Resin)인 것을 특징으로 할 수 있다. For example, the hierarchical carbon particles may be obtained by ion-exchanging a hydroxyl group-containing resin with potassium cations (K+) and carbonizing it. The hydroxyl group-containing resin may be, for example, Phenol Formaldehyde Resin.
본 발명의 전극 활물질은 예를 들어, 라만 분광법에 따라 1300 내지 1400 cm-1 의 파장 범위 내에서 D밴드 피크를 나타낼 수 있고, 1550 내지 1620 cm-1의 파장 범위 내에서 G 밴드 피크를 나타낼 수 있으며, 상기 G 밴드에 대한 상기 D 밴드의 강도 비(D/G)가 0.7 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 계층적 탄소 입자체를 포함할 수 있다. For example, the electrode active material of the present invention may exhibit a D-band peak within a wavelength range of 1300 to 1400 cm-1 and a G-band peak within a wavelength range of 1550 to 1620 cm-1 according to Raman spectroscopy. and may include hierarchical carbon particles, wherein the intensity ratio (D/G) of the D band to the G band is 0.7 to 1.5.
본 발명의 전극 활물질은 예를 들어, BET 비표면적이 830 m2/g 이상인 계층적 탄소 입자체를 포함할 수 있다. For example, the electrode active material of the present invention may include hierarchical carbon particles having a BET specific surface area of 830 m2/g or more.
본 발명의 전극 활물질은 예를 들어, 총 기공 부피가 0.4 cm3/g 이상인 계층적 탄소 입자체를 포함할 수 있다. For example, the electrode active material of the present invention may include hierarchical carbon particles having a total pore volume of 0.4 cm3/g or more.
본 발명의 전극 활물질은 예를 들어, 마이크로 기공의 평균 크기는 0.7 내지 2.0 nm의 범위 내일 수 있고, 상기 마이크로 기공 부피는 0.35 내지 1.5 cm3/g일 수 있는 계층적 탄소 입자체를 포함할 수 있다. The electrode active material of the present invention may include, for example, hierarchical carbon particles where the average size of the micro pores may range from 0.7 to 2.0 nm, and the micro pore volume may range from 0.35 to 1.5 cm3/g. .
상기 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 구형 비드 형태를 가질 수 있다. The hierarchical carbon particle body may have a spherical bead shape, for example.
본 발명의 다른 일 측면은 커패시터에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to capacitors.
본 발명의 커패시터는 예를 들어, 계층적 탄소 입자체; 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(LVO/C 복합체); 또는 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVP의 복합체(LVP/C 복합체) 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다. Capacitors of the present invention may include, for example, hierarchical carbon particles; A composite of the hierarchical carbon particle body and LVO (LVO/C composite); Alternatively, it may include at least one of the hierarchical carbon particles and a composite of LVP (LVP/C composite).
본 발명의 커패시터는 예를 들어, 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(LVO/C 복합체); 또는 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVP의 복합체(LVP/C 복합체) 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다. Capacitors of the present invention include, for example, composites of hierarchical carbon particles and LVO (LVO/C composite); Alternatively, it may include at least one of the hierarchical carbon particles and a composite of LVP (LVP/C composite).
본 발명의 커패시터는 예를 들어, 출력 밀도가 10 kW/kh 이상이면서 동시에 에너지 밀도가 90 Wh/kg 이상일 수 있다. For example, the capacitor of the present invention may have a power density of 10 kW/kh or more and an energy density of 90 Wh/kg or more.
본 발명은, 비표면적 및 총 기공 부피 특성이 우수한 계층적 다공성 탄소 네트워크를 가지는 전극 활물질을 제공할 수 있다. 본 발명은 상기와 같은 전극 활물질을 포함하여 우수한 전기전도도, 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 가지고, 뛰어난 안정성 또한 가질 수 있는 커패시터를 제공할 수 있다. The present invention can provide an electrode active material having a hierarchical porous carbon network with excellent specific surface area and total pore volume characteristics. The present invention can provide a capacitor that includes the electrode active material described above and has excellent electrical conductivity, high energy density and power density, and excellent stability.
도 1은, 본 발명의 LVO/C 복합체 또는 LVP/C 복합체의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는, LVO 분말(제조예 4)을 촬영한 이미지이다.
도 3은, LVO 분말(제조예 4)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는, LVO(제조예 4)에 대한 XRD 그래프이다(위: 실험값, 아래: 문헌값).
도 5는, LVP 분말(제조예 5)을 촬영한 이미지이다.
도 6은, LVP 분말(제조예 5)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은, LVP(제조예 5)에 대한 XRD 그래프이다(위: 실험값, 아래: 문헌값)
도 8은, LVO/C 복합체(맨 위, 제조예 6의 LVO/K2CO3-CPFR 나노 복합체), LVO 분말(중간, 제조예 4) 및 계층적 탄소 입자체(맨 아래, 제조예 2의 K2CO3-CPFR)에 대한 XRD 그래프를 비교해 도시한 것이다.
도 9는, LVO/C 복합체(제조예 6의 LVO/K2CO3-CPFR 나노 복합체)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은, LVP/C 복합체(맨 위, 제조예 8의 LVP/K2CO3-CPFR 나노 복합체), LVP 분말(중간, 제조예 5) 및 계층적 탄소 입자체(맨 아래, 제조예 2의 K2CO3-CPFR)에 대한 XRD 그래프를 비교해 도시한 것이다.
도 11은, LVP/C 복합체(제조예 8의 LVP/K2CO3-CPFR 나노 복합체)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 12는, 실시예 1의 코인셀에 대해 스캔 속도를 달리해가며 측정한 CV 커브를 나타낸 것이다.
도 13은, 실시예 1 및 비교예 1의 코인셀에 대한 CV 커브를 비교해 도시한 그래프이다.
도 14는, 실시예 1의 코인셀에 대해 전류 밀도를 달리해가며 측정한 갈바노스탯(Galvanostat) 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 15는, 실시예 1의 코인셀에 대해 전류 밀도를 달리해가며 사이클 수에 따른 비용량을 측정한 그래프이다.
도 16은 PFR 비드(제조예 1)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 17은 K2CO3-CPFR 비드(제조예 2)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 18은, KOH-CPFR 비드(제조예 3)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 19는, PFR(검정색, 제조예 1), K2CO3-CPFR(파란색, 제조예 2) 및 KOH-CPFR(빨간색, 제조예 3)에 대한 UV-Vis DRS 그래프를 나타낸 것이다.
도 20은, PFR(검정색, 제조예 1), K2CO3-CPFR(파란색, 제조예 2) 및 KOH-CPFR(빨간색, 제조예 3)에 대한 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 21은, K2CO3-CPFR(제조예 2)(a) 및 KOH-CPFR(제조예 3)(b)에 대한 SEM-EDX 매핑 분석 결과를 도시한 것이다.
도 22는, PFR(검정색, 제조예 1), K2CO3-CPFR(파란색, 제조예 2) 및 KOH-CPFR(빨간색, 제조예 3)에 대해 NLDFT 방법에 의한 기공크기분포를 측정한 그래프이다(삽입 이미지는 직경 2nm 미만의 미세기공분포를 나타낸 그래프임).
도 23은, K2CO3-CPFR(제조예 2)의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 24는, K2CO3-CPFR(파란색, 제조예 2) 및 KOH-CPFR(빨간색, 제조예 3)에 대한 라만 분광법에 따른 결과를 도시한 그래프이다.
도 25는, PFR(검정색, 제조예 1), K2CO3-CPFR(파란색, 제조예 2) 및 KOH-CPFR(빨간색, 제조예 3)에 대한 N2 흡착 등온선을 나타낸 그래프이다.Figure 1 shows a schematic diagram of the LVO/C complex or LVP/C complex of the present invention.
Figure 2 is an image taken of LVO powder (Preparation Example 4).
Figure 3 shows an SEM image of LVO powder (Preparation Example 4).
Figure 4 is an XRD graph for LVO (Preparation Example 4) (top: experimental value, bottom: literature value).
Figure 5 is an image taken of LVP powder (Preparation Example 5).
Figure 6 shows an SEM image of LVP powder (Preparation Example 5).
Figure 7 is an XRD graph for LVP (Preparation Example 5) (top: experimental value, bottom: literature value)
Figure 8 shows LVO/C composite (top, LVO/K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 6), LVO powder (middle, Preparation Example 4), and hierarchical carbon particles (bottom, K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 2). This is a comparison of the XRD graph for CPFR).
Figure 9 shows an SEM image of the LVO/C composite (LVO/K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 6).
Figure 10 shows LVP/C composite (top, LVP/K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 8), LVP powder (middle, Preparation Example 5), and hierarchical carbon particles (bottom, K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 2). This is a comparison of the XRD graph for CPFR).
Figure 11 shows an SEM image of the LVP/C composite (LVP/K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 8).
Figure 12 shows CV curves measured at different scan speeds for the coin cell of Example 1.
Figure 13 is a graph comparing CV curves for the coin cells of Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 14 is a graph showing galvanostat charge/discharge curves measured at different current densities for the coin cell of Example 1.
Figure 15 is a graph measuring the specific capacity according to the number of cycles while varying the current density for the coin cell of Example 1.
Figure 16 shows an SEM image of PFR beads (Preparation Example 1).
Figure 17 shows an SEM image of K2CO3-CPFR beads (Preparation Example 2).
Figure 18 shows an SEM image of KOH-CPFR beads (Preparation Example 3).
Figure 19 shows UV-Vis DRS graphs for PFR (black, Preparation Example 1), K2CO3-CPFR (blue, Preparation Example 2), and KOH-CPFR (red, Preparation Example 3).
Figure 20 shows FT-IR spectra for PFR (black, Preparation Example 1), K2CO3-CPFR (blue, Preparation Example 2), and KOH-CPFR (red, Preparation Example 3).
Figure 21 shows the results of SEM-EDX mapping analysis for K2CO3-CPFR (Preparation Example 2) (a) and KOH-CPFR (Preparation Example 3) (b).
Figure 22 is a graph measuring pore size distribution by NLDFT method for PFR (black, Preparation Example 1), K2CO3-CPFR (blue, Preparation Example 2), and KOH-CPFR (red, Preparation Example 3) (insert) The image is a graph showing the distribution of micropores with a diameter of less than 2 nm).
Figure 23 shows a TEM image of K2CO3-CPFR (Preparation Example 2).
Figure 24 is a graph showing the results of Raman spectroscopy for K2CO3-CPFR (blue, Preparation Example 2) and KOH-CPFR (red, Preparation Example 3).
Figure 25 is a graph showing N2 adsorption isotherms for PFR (black, Preparation Example 1), K2CO3-CPFR (blue, Preparation Example 2), and KOH-CPFR (red, Preparation Example 3).
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도 및/또는 측정 압력이 결과에 영향을 미치는 물성은, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 상온 및/또는 상압에서 측정한 결과이다. Among the physical properties mentioned in this specification, the physical properties where measurement temperature and/or measurement pressure affect the results are the results of measurements at room temperature and/or pressure, unless specifically stated otherwise.
용어 상온은 가온되거나, 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 온도의 단위는 특별히 달리 규정하지 않는 한 ℃이다.The term room temperature refers to a natural temperature that is not heated or reduced, for example, any temperature in the range of 10°C to 30°C, about 23°C, or about 25°C. Additionally, in this specification, the unit of temperature is °C unless otherwise specified.
용어 상압은 가압 또는 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 대기압 수준의 약 1기압 정도를 의미한다.The term normal pressure is the natural pressure that is not pressurized or decompressed, and usually means about 1 atmosphere of atmospheric pressure.
본 명세서에서 측정 습도가 결과에 영향을 미치는 물성의 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한 해당 물성은 상기 상온 및/또는 상압 상태에서 특별히 조절되지 않은 자연 그대로의 습도에서 측정한 물성이다. In the case of a physical property in which the measured humidity affects the results in this specification, unless otherwise specified, the physical property is a physical property measured at room temperature and/or normal pressure with natural humidity that is not specifically adjusted.
본 발명의 일 측면은 전극 활물질에 관한 것이다. One aspect of the present invention relates to electrode active materials.
본 발명의 전극 활물질은 예를 들어, 계층적 탄소 입자체; 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(이하, LVO/C 복합체로 칭함); 또는 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVP의 복합체(이하, LVP/C 복합체로 칭함)일 수 있다. 본 명세서에서 용어 LVO는 Li3VO4를 의미하고, 용어 LVP는 Li3V2(PO4)3를 의미한다. The electrode active material of the present invention includes, for example, hierarchical carbon particles; A composite of the hierarchical carbon particles and LVO (hereinafter referred to as LVO/C composite); Alternatively, it may be a composite of the hierarchical carbon particles and LVP (hereinafter referred to as LVP/C composite). In this specification, the term LVO means Li 3 VO 4 and the term LVP means Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 .
상기 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 기공 크기가 서로 상이한 마이크로(micro) 기공, 메조(meso) 기공 및/또는 매크로(macro) 기공을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 기공 크기는 예를 들어, 기공 최대 직경, 기공 최소 직경 및/또는 기공 평균 직경을 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 마이크로 기공, 메조 기공 및 매크로 기공 각각은 기공 크기가 2nm 미만, 2nm 내지 50nm의 범위 내 및 50nm 초과인 것을 의미할 수 있다. 상기 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 도 22와 같이, 마이크로 기공 및 메조 기공을 포함하거나(파란색), 또는 마이크로 기공, 메조 기공 및 매크로 기공을 포함할 수 있고(빨간색), 비표면적 및/또는 총 기공 부피 등의 관점에서 보다 바람직하게는 마이크로 기공 및 메조 기공을 포함(파란색)할 수 있다. For example, the hierarchical carbon particles may include micro pores, meso pores, and/or macro pores having different pore sizes. Pore size herein may mean, for example, maximum pore diameter, minimum pore diameter, and/or average pore diameter. As used herein, the terms micro pore, meso pore, and macro pore can each mean a pore size of less than 2 nm, in the range of 2 nm to 50 nm, and greater than 50 nm. The hierarchical carbon particle body may include micro-pores and meso-pores (blue), for example, as shown in Figure 22, or may include micro-pores, meso-pores, and macro-pores (red), and has a specific surface area and/or Alternatively, from the viewpoint of total pore volume, etc., it may more preferably include micro-pores and meso-pores (blue).
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 기공 크기가 서로 상이한 기공이 계층적으로 서로 상호 연결된 형태를 가질 수 있다. 일 예시에서, 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 탄소 입자체의 표면에 내부 기공으로 들어갈 수 있는 1nm 내지 500nm 범위 내의 크기의 입구를 포함할 수 있고, 내부에 매크로(macro) 기공, 마이크로(micro) 기공 및 메조(meso) 기공 중 적어도 2종 이상을 포함할 수 있다. 상기 입구의 크기는 입구의 최소 직경, 최대 직경 및/또는 평균 직경을 의미할 수 있다. 상기 탄소 입자체의 표면에 형성된 입구의 크기는 다른 예시에서, 5nm 내지 300nm범위 내 또는 10nm 내지 100nm의 범위 내일 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 상기와 같은 매크로(macro) 기공, 마이크로(micro) 기공 및 메조(meso) 기공 중 적어도 2종 이상의 기공이 상호 연결된 계층적 다공성 탄소 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다(도 23 참조). The hierarchical carbon particles of the present invention may have pores with different pore sizes hierarchically interconnected with each other. In one example, the hierarchical carbon particle body of the present invention may include an inlet with a size in the range of 1 nm to 500 nm capable of entering internal pores on the surface of the carbon particle body, and macro pores and micro pores therein. ) It may include at least two types of pores and meso pores. The size of the inlet may mean the minimum diameter, maximum diameter, and/or average diameter of the inlet. In another example, the size of the inlet formed on the surface of the carbon particle may be in the range of 5 nm to 300 nm or in the range of 10 nm to 100 nm. The hierarchical carbon particles of the present invention are characterized in that at least two types of pores among the macro pores, micro pores, and meso pores are interconnected to form a hierarchical porous carbon network. (see Figure 23).
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 히드록시기 함유 수지를 칼륨 양이온(K+)으로 이온 교환하여 수득한 것을 특징으로 할 수 있다. 이를 통해, 전술한 특징을 가지는 계층적 탄소 입자체의 형성이 가능할 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention can be characterized as being obtained, for example, by ion-exchanging a hydroxy group-containing resin with potassium cations (K + ). Through this, the formation of hierarchical carbon particles having the above-described characteristics may be possible.
상기 히드록시기 함유 수지는 예를 들어, 페놀 포름알데히드 수지(Phenol Formaldehyde Resin; PFR)인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 페놀 포름알데히드 수지는 높은 탄소 함량을 가지고, 구형이며, 균일한 형태를 가지기 때문에 본 발명의 계층적 탄소 입자체의 원재료로의 도입에 적합할 수 있다. The hydroxy group-containing resin may be, for example, phenol formaldehyde resin (PFR). The phenol formaldehyde resin has a high carbon content, has a spherical shape, and has a uniform shape, so it may be suitable for introduction as a raw material for the hierarchical carbon particles of the present invention.
상기 히드록시기 함유 수지에 대해 칼륨 양이온(K+)을 이온 교환함으로써, 히드록시기 그룹의 탈양성자화가 진행될 수 있고, 이에 따라 특유의 계층적 다공성 탄소 입자체의 구현이 가능할 수 있다. 즉, 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 상기와 같은 히드록시기 함유 수지를 칼륨 양이온(K+)으로 이온 교환함으로써, 고유한 개방 표면을 가지면서 동시에 계층적 기공 크기 분포를 나타낼 수 있다. By ion-exchanging potassium cations (K+) with the hydroxyl group-containing resin, deprotonation of the hydroxyl group may proceed, thereby making it possible to implement a unique hierarchical porous carbon particle. That is, the hierarchical carbon particles of the present invention can have a unique open surface and at the same time exhibit hierarchical pore size distribution by ion-exchanging the hydroxyl group-containing resin as described above with potassium cations (K+).
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 칼륨을 히드록시기 함유 수지 100 중량부 대비 10 중량부 이하로 포함할 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 다른 예시에서, 칼륨을 히드록시기 함유 수지 100 중량부 대비 9.5 중량부 이하, 9 중량부 이하, 8.5 중량부 이하, 8 중량부 이하, 7.5 중량부 이하, 7 중량부 이하, 6.5 중량부 이하 또는 6 중량부 이하로 포함할 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 이와 같은 중량범위로 칼륨을 포함함으로써, 매크로 기공, 메조 기공 및/또는 마이크로 기공이 적어도 2종 이상 서로 상호 연결되어 계층적 탄소 네트워크를 형성할 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 높은 비표면적 및/또는 총 기공 부피 등의 특성을 구현하는 측면에서, 보다 바람직하게는 칼륨을 히드록시기 함유 수지 100 중량부 대비 5.5 중량부 이하, 5 중량부 이하, 4.5 중량부 이하, 4 중량부 이하, 3.5 중량부 이하, 3 중량부 이하, 2.5 중량부 이하 또는 2 중량부 이하로 포함할 수 있다. 칼륨 함유량의 하한은 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들어, 히드록시기 함유 수지 100 중량부 대비 0.1 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.3 중량부 이상, 0.4 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 0.6 중량부 이상, 0.7 중량부 이상, 0.8 중량부 이상, 0.9 중량부 이상, 1 중량부 이상, 1.1 중량부 이상, 1.2 중량부 이상, 1.3 중량부 이상, 1.4 중량부 이상, 1.5 중량부 이상 또는 1.6 중량부 이상 포함할 수 있다. For example, the hierarchical carbon particles of the present invention may contain 10 parts by weight or less of potassium based on 100 parts by weight of the hydroxy group-containing resin. In another example, the hierarchical carbon particles of the present invention contain potassium in an amount of 9.5 parts by weight or less, 9 parts by weight or less, 8.5 parts by weight or less, 8 parts by weight or less, 7.5 parts by weight or less, and 7 parts by weight or less, based on 100 parts by weight of the hydroxyl group-containing resin. Hereinafter, it may be included in 6.5 parts by weight or less or 6 parts by weight or less. The hierarchical carbon particles of the present invention contain potassium in this weight range, so that at least two types of macropores, mesopores, and/or micropores can be interconnected to form a hierarchical carbon network. In terms of realizing characteristics such as high specific surface area and/or total pore volume, the hierarchical carbon particles of the present invention more preferably contain potassium in an amount of 5.5 parts by weight or less, 5 parts by weight or less, based on 100 parts by weight of the hydroxyl group-containing resin. It may contain 4.5 parts by weight or less, 4 parts by weight or less, 3.5 parts by weight or less, 3 parts by weight or less, 2.5 parts by weight or less, or 2 parts by weight or less. The lower limit of the potassium content is not particularly limited, but for example, 0.1 part by weight or more, 0.2 part by weight or more, 0.3 part by weight or more, 0.4 part by weight or more, 0.5 part by weight or more, 0.6 part by weight based on 100 parts by weight of the hydroxyl group-containing resin. or more, 0.7 parts by weight or more, 0.8 parts by weight or more, 0.9 parts by weight or more, 1 or more parts by weight, 1.1 parts by weight or more, 1.2 parts by weight or more, 1.3 parts by weight or more, 1.4 parts by weight or more, 1.5 parts by weight or more, or 1.6 parts by weight. It may include more.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 균일한 칼륨 이온 분포를 가질 수 있다. 칼륨 이온 분포는 후술하는 평가예에 따라 확인될 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 일 예시에서, 도 21a 및 도 21b와 같은 칼륨 이온 분포를 가질 수 있고, 보다 바람직하게는 도 21a와 같은 칼륨 이온 분포를 가질 수 있다. The hierarchical carbon particle body of the present invention may have, for example, a uniform distribution of potassium ions. Potassium ion distribution can be confirmed according to the evaluation example described later. In one example, the hierarchical carbon particles of the present invention may have a potassium ion distribution as shown in FIGS. 21A and 21B, and more preferably, may have a potassium ion distribution as shown in FIG. 21A.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 또한 예를 들어, 히드록시기 함유 수지를 칼륨 양이온(K+)으로 이온 교환하고 탄화시켜 수득한 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 탄화는 예를 들어, 불활성 기체 하에서 700 내지 1100 ℃의 온도로 수행될 수 있다. 상기 불활성 기체는 예를 들어, 질소(N2), 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 등일 수 있다. 상기 온도는 다른 예시에서, 750 ℃이상, 800 ℃이상 또는 850 ℃이상이거나, 1050 ℃이하, 1000 ℃이하 또는 950 ℃이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 목적하는 계층적 탄소 입자체의 형태, 용도 등을 고려하여 적절히 제어될 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 상기와 같은 탄화 단계를 거침으로써, 목적하는 특유의 계층적 다공성 탄소 네트워크를 형성할 수 있다. The hierarchical carbon particle body of the present invention can also be characterized as being obtained, for example, by ion-exchanging a hydroxy group-containing resin with potassium cations (K + ) and carbonizing it. For example, the carbonization may be performed at a temperature of 700 to 1100° C. under an inert gas. For example, the inert gas may be nitrogen (N 2 ), argon (Ar), or helium (He). In other examples, the temperature may be 750 ℃ or more, 800 ℃ or more, or 850 ℃ or less, or 1050 ℃ or less, 1000 ℃ or less, or 950 ℃ or less, but is not limited thereto, and is determined by the shape and use of the desired hierarchical carbon particle. It can be appropriately controlled by considering the following. The hierarchical carbon particles of the present invention can form the desired unique hierarchical porous carbon network by going through the carbonization step described above.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 구형 비드 형태일 수 있다. 상기 계층적 탄소 입자체의 형태는 원재료의 형태 및/또는 탄화 조건 등에 따라 영향을 받을 수 있다. 일 예시에서, 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 구형이며 균일한 형태를 가지는 페놀 포름알데히드 수지로부터 형성되고, 전술한 탄화 조건 등을 거침으로써, 상기와 같이 구형 비드 형태를 가질 수 있다. 이에 따라 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 물리적 안정성 및 높은 충전밀도의 구현을 가능케 할 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention may, for example, be in the form of spherical beads. The shape of the hierarchical carbon particles may be influenced by the type of raw material and/or carbonization conditions. In one example, the hierarchical carbon particles of the present invention are formed from a phenol formaldehyde resin having a spherical and uniform shape, and can have a spherical bead shape as described above by going through the carbonization conditions described above. Accordingly, the hierarchical carbon particles of the present invention can achieve physical stability and high packing density.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 830 m2/g 이상의 BET 비표면적을 가질 수 있다. 상기 BET 비표면적은 후술하는 평가예에 따라 측정될 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 보다 바람직하게는, 840 m2/g 이상, 850 m2/g 이상, 860 m2/g 이상, 870 m2/g 이상, 880 m2/g 이상, 890 m2/g 이상, 900 m2/g 이상, 910 m2/g 이상, 920 m2/g 이상, 930 m2/g 이상, 940 m2/g 이상, 950 m2/g 이상, 960 m2/g 이상, 970 m2/g 이상, 980 m2/g 이상, 990 m2/g 이상, 1000 m2/g 이상, 1050 m2/g 이상, 1100 m2/g 이상, 1150 m2/g 이상, 1200 m2/g 이상, 1250 m2/g 이상 또는 1300 m2/g 이상일 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체의 BET 비표면적의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 10000 m2/g 이하, 8000 m2/g 이하, 6000 m2/g 이하, 4000 m2/g 이하 또는 2000 m2/g 이하 정도일 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention may have a BET specific surface area of, for example, at least 830 m 2 /g. The BET specific surface area can be measured according to the evaluation example described later. The hierarchical carbon particles of the present invention are more preferably 840 m 2 /g or more, 850 m 2 /g or more, 860 m 2 /g or more, 870 m 2 /g or more, 880 m 2 /g or more, 890 m 2 /g or more. m 2 /g or more, 900 m 2 /g or more, 910 m 2 /g or more, 920 m 2 /g or more, 930 m 2 /g or more, 940 m 2 /g or more, 950 m 2 /g or more, 960 m 2 /g or more, 970 m 2 /g or more, 980 m 2 /g or more, 990 m 2 /g or more, 1000 m 2 /g or more, 1050 m 2 /g or more, 1100 m 2 /g or more, 1150 m 2 /g or more, 1200 m 2 /g or more, 1250 m 2 /g or more, or 1300 m 2 /g or more. The upper limit of the BET specific surface area of the hierarchical carbon particles of the present invention is not particularly limited, but is 10000 m 2 /g or less, 8000 m 2 /g or less, 6000 m 2 /g or less, 4000 m 2 /g or less, or 2000 m 2 /g or less. It may be about m 2 /g or less.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 0.4 cm3/g 이상의 총 기공 부피를 가질 수 있다. 상기 총 기공 부피는 후술하는 평가예에 따라 측정될 수 있다. 상기 총 기공 부피는 예를 들어, P/P0=0.990인 조건에서의 총 기공 부피를 의미할 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 다른 예시에서, 총 기공 부피가 0.42 cm3/g 이상, 0.44 cm3/g 이상, 0.46 cm3/g 이상 또는 0.48 cm3/g 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.5 cm3/g 이상, 0.6 cm3/g 이상, 0.7 cm3/g 이상, 0.8 cm3/g 이상 또는 0.9 cm3/g 이상일 수 있다. 상기 총 기공 부피의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 2 cm3/g 이하 또는 1.5 cm3/g 이하 정도일 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention may have a total pore volume of, for example, at least 0.4 cm3/g. The total pore volume can be measured according to the evaluation example described later. For example, the total pore volume may mean the total pore volume under the condition of P/P0=0.990. In other examples, the hierarchical carbon particles of the present invention may have a total pore volume of at least 0.42 cm3/g, at least 0.44 cm3/g, at least 0.46 cm3/g, or at least 0.48 cm3/g, and more preferably at least 0.5 cm3/g. g or more, 0.6 cm3/g or more, 0.7 cm3/g or more, 0.8 cm3/g or more, or 0.9 cm3/g or more. The upper limit of the total pore volume is not particularly limited, but may be about 2 cm3/g or less or 1.5 cm3/g or less.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 마이크로 기공의 크기가 0.7 내지 2.0 nm의 범위 내일 수 있고, 상기 마이크로 기공 부피는 0.35 내지 1.5 cm3/g의 범위 내일 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 다른 예시에서, 마이크로 기공의 크기가 0.75 nm 이상, 0.8 nm 이상 또는 0.9 nm 이상이거나, 1.8 nm 이하, 1.6 nm 이하 또는 1.4 nm 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 1.2 nm 이하 또는 1.0 nm 이하일 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention may, for example, have micro pore sizes in the range of 0.7 to 2.0 nm and micro pore volumes in the range of 0.35 to 1.5 cm3/g. In another example, the hierarchical carbon particle of the present invention may have a micropore size of 0.75 nm or more, 0.8 nm or more, or 0.9 nm or more, 1.8 nm or less, 1.6 nm or less, or 1.4 nm or less, and more preferably 1.2 nm or less. It may be less than or equal to 1.0 nm.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 상기와 같은 특유의 계층적 다공성 탄소 네트워크를 통해, 우수한 BET 비표면적 특성, 총 기공 부피 특성 및/또는 마이크로 기공 특성 등을 가질 수 있다. 이에 따라, 후술하는 에너지 저장 장치(예를 들어, 커패시터 등)에 도입되었을 때, 리튬 이온의 이동도 및 전해액 함침성 등이 향상될 수 있고 이에 따라 우수한 용량 및 전기전도성 등의 구현이 가능할 수 있다.The hierarchical carbon particles of the present invention may have excellent BET specific surface area characteristics, total pore volume characteristics, and/or micro pore characteristics through the unique hierarchical porous carbon network described above. Accordingly, when introduced into an energy storage device (e.g., a capacitor, etc.) described later, the mobility of lithium ions and electrolyte impregnation can be improved, and thus excellent capacity and electrical conductivity can be achieved. .
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 또한 예를 들어, 라만 분광법에 따라 1300 내지 1400 cm-1의 파장 범위 내에서 D밴드 피크를 나타낼 수 있고, 1550 내지 1620 cm-1의 파장 범위 내에서 G밴드 피크를 나타낼 수 있으며, 상기 G 밴드에 대한 상기 D 밴드의 강도 비(D/G)는 0.7 내지 1.5인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 D 밴드는 무질서한 흑연 탄소를 나타내는 것이고, 상기 G 밴드는 정렬된 흑연 탄소를 나타낸다. 상기 D/G 강도 비는 예를 들어, 계층적 탄소 입자체의 결함 부위가 뚜렷할 때 그 값이 증가할 수 있다. 일 예시에서, 칼륨 양이온 교환된 계층적 탄소 입자체는 칼륨 양이온 및 탄소의 반응으로 인해 결함 부위가 증가할 수 있고, 이에 따라 D/G 강도 비가 높아질 수 있다. 상기 D/G 강도 비는 다른 예시에서, 0.75 이상, 0.8 이상, 0.85 이상, 0.9 이상, 0.91 이상, 0.92 이상, 0.93 이상, 0.94 이상, 0.95 이상, 0.96 이상, 0.97 이상, 0.98 이상 또는 0.99 이상이거나, 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하 또는 1.1 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 1.0 이하일 수 있다. 본 발명의 계층적 탄소 입자체는 상기와 같은 D/G 강도 비를 가짐으로써, 적절한 결함 부위를 가지면서도 우수한 내구성을 나타낼 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention can also exhibit a D-band peak within the wavelength range of 1300 to 1400 cm -1 and a G-band peak within the wavelength range of 1550 to 1620 cm -1 according to Raman spectroscopy, for example. It may represent a peak, and the intensity ratio (D/G) of the D band to the G band may be 0.7 to 1.5. The D band represents disordered graphitic carbon, and the G band represents ordered graphitic carbon. The D/G intensity ratio may increase in value, for example, when defective sites in the hierarchical carbon particles are distinct. In one example, the potassium cation exchanged hierarchical carbon particle body may have increased defect sites due to the reaction of potassium cations and carbon, thereby increasing the D/G intensity ratio. In other examples, the D/G intensity ratio is 0.75 or more, 0.8 or more, 0.85 or more, 0.9 or more, 0.91 or more, 0.92 or more, 0.93 or more, 0.94 or more, 0.95 or more, 0.96 or more, 0.97 or more, 0.98 or more, or 0.99 or more. , may be 1.4 or less, 1.3 or less, 1.2 or less, or 1.1 or less, and more preferably 1.0 or less. By having the above D/G strength ratio, the hierarchical carbon particles of the present invention can exhibit excellent durability while having appropriate defect sites.
본 명세서에서 LVO/C 복합체는, 예를 들어, 상기와 같은 특징을 가지는 계층적 탄소 입자체 및 LVO가 물리적 또는 화학적으로 서로 상호작용하여 결합되어 있는 화합물을 의미할 수 있고, 바람직하게는 도 1과 같이 상기 계층적 탄소 입자체와 LVO가 물리적으로 서로 상호작용하여 결합되어 있는 화합물일 수 있다. In the present specification, the LVO/C composite may refer, for example, to a compound in which hierarchical carbon particles having the above-mentioned characteristics and LVO are physically or chemically bonded to each other by interacting with each other, preferably as shown in Figure 1 As shown, it may be a compound in which the hierarchical carbon particles and LVO are physically bonded to each other by interacting with each other.
상기 LVO/C 복합체는 예를 들어, 상기 LVO 100 중량부에 대해 상기 계층적 탄소 입자체를 500 내지 9500 중량부의 범위 내로 포함할 수 있다. 상기 LVO/C 복합체는 다른 예시에서, 상기 LVO 100 중량부에 대해 상기 계층적 탄소 입자체를 550 중량부 이상, 600 중량부 이상, 650 중량부 이상, 700 중량부 이상, 750 중량부 이상, 800 중량부 이상 또는 850 중량부 이상이거나, 9000 중량부 이하, 8500 중량부 이하, 8000 중량부 이하, 7500 중량부 이하, 7000 중량부 이하, 6500 중량부 이하, 6000 중량부 이하, 5500 중량부 이하, 5000 중량부 이하, 4500 중량부 이하, 4000 중량부 이하, 3500 중량부 이하, 3000 중량부 이하, 2500 중량부 이하, 2000 중량부 이하, 1500 중량부 이하 또는 1000 중량부 이하로 포함할 수 있다.For example, the LVO/C composite may include the hierarchical carbon particles in the range of 500 to 9500 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVO. In another example, the LVO/C composite includes 550 parts by weight or more, 600 parts by weight, 650 parts by weight, 700 parts by weight, 750 parts by weight, or 800 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVO. 850 parts by weight or more, 9000 parts by weight or less, 8500 parts by weight or less, 8000 parts by weight or less, 7500 parts by weight or less, 7000 parts by weight or less, 6500 parts by weight or less, 6000 parts by weight or less, 5500 parts by weight or less, It may include 5000 parts by weight or less, 4500 parts by weight, 4000 parts by weight or less, 3500 parts by weight or less, 3000 parts by weight or less, 2500 parts by weight, 2000 parts by weight or less, 1500 parts by weight or less, or 1000 parts by weight or less.
상기 LVO/C 복합체는 예를 들어, 계층적 탄소 입자체의 표면 또는 내부에 상기 LVO를 포함할 수 있고, 바람직하게는 계층적 탄소 입자체의 표면 및 내부에 상기 LVO를 포함할 수 있다. LVO는 상기 계층적 탄소 입자체의 표면 및/또는 내부에 균일하게 분포되어 있을 수 있다. 상기에 기술한 바와 같이 특유의 계층적 다공성 구조를 통해 우수한 비표면적 및/또는 총 기공 부피 특성 등을 가지는 계층적 탄소 입자체에 높은 이론 용량, 빠른 속도 및 우수한 가역성을 가지는 LVO를 적절한 중량비율 및 방식으로 복합화함으로써, 용량 특성 및 전기전도 특성 효과가 보다 현저히 발현될 수 있을 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도 및 출력 밀도가 현저히 우수한 에너지 저장 장치의 제공이 가능할 수 있다. For example, the LVO/C composite may include the LVO on the surface or inside of the hierarchical carbon particles, and preferably may include the LVO on the surface and inside the hierarchical carbon particles. LVO may be uniformly distributed on the surface and/or interior of the hierarchical carbon particle body. As described above, LVO, which has high theoretical capacity, high speed, and excellent reversibility, is added to hierarchical carbon particles having excellent specific surface area and/or total pore volume characteristics through a unique hierarchical porous structure at an appropriate weight ratio and By combining them in this way, the effects of capacity characteristics and electrical conduction characteristics may be more significantly expressed, and thus it may be possible to provide an energy storage device with significantly excellent energy density and power density.
본 명세서에서 LVP/C 복합체는 예를 들어, 상기와 같은 특징을 가지는 계층적 탄소 입자체와 LVP가 물리적 또는 화학적으로 서로 상호작용하여 결합되어 있는 화합물을 의미할 수 있고, 바람직하게는 도 1과 같이 상기 계층적 탄소 입자체와 LVP가 물리적으로 서로 상호작용하여 결합되어 있는 화합물일 수 있다. In the present specification, the LVP/C complex may mean, for example, a compound in which hierarchical carbon particles having the above characteristics and LVP are physically or chemically bonded to each other by interacting with each other, preferably as shown in Figures 1 and 1. Likewise, it may be a compound in which the hierarchical carbon particles and LVP physically interact with each other and are bonded.
상기 LVP/C 복합체는 예를 들어, 상기 LVP 100 중량부에 대해 상기 계층적 탄소 입자체를 500 내지 9500 중량부의 범위 내로 포함할 수 있다. 상기 LVO/C 복합체는 다른 예시에서, 상기 LVO 100 중량부에 대해 상기 계층적 탄소 입자체를 550 중량부 이상, 600 중량부 이상, 650 중량부 이상, 700 중량부 이상, 750 중량부 이상, 800 중량부 이상 또는 850 중량부 이상이거나, 9000 중량부 이하, 8500 중량부 이하, 8000 중량부 이하, 7500 중량부 이하, 7000 중량부 이하, 6500 중량부 이하, 6000 중량부 이하, 5500 중량부 이하, 5000 중량부 이하, 4500 중량부 이하, 4000 중량부 이하, 3500 중량부 이하, 3000 중량부 이하, 2500 중량부 이하, 2000 중량부 이하, 1500 중량부 이하 또는 1000 중량부 이하로 포함할 수 있다.For example, the LVP/C composite may include the hierarchical carbon particles in the range of 500 to 9500 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVP. In another example, the LVO/C composite includes 550 parts by weight or more, 600 parts by weight, 650 parts by weight, 700 parts by weight, 750 parts by weight, or 800 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVO. 850 parts by weight or more, 9000 parts by weight or less, 8500 parts by weight or less, 8000 parts by weight or less, 7500 parts by weight or less, 7000 parts by weight or less, 6500 parts by weight or less, 6000 parts by weight or less, 5500 parts by weight or less, It may include 5000 parts by weight or less, 4500 parts by weight, 4000 parts by weight or less, 3500 parts by weight or less, 3000 parts by weight or less, 2500 parts by weight, 2000 parts by weight or less, 1500 parts by weight or less, or 1000 parts by weight or less.
상기 LVP/C 복합체는 예를 들어, 계층적 탄소 입자체의 표면 또는 내부에 상기 LVP를 포함할 수 있고, 바람직하게는 계층적 탄소 입자체의 표면 및 내부에 상기 LVP를 포함할 수 있다. LVP는 상기 계층적 탄소 입자체의 표면 및/또는 내부에 균일하게 분포되어 있을 수 있다. 상기에 기술한 바와 같이 특유의 계층적 다공성 구조를 통해 우수한 비표면적 및/또는 총 기공 부피 특성 등을 가지는 탄소 높은 가역 용량 및 빠른 리튬 이온 이동성 등을 가지는 LVP를 적절한 중량비율 및 방식으로 복합화함으로써, 용량 특성 및 전기전도 특성 효과가 보다 현저히 발현될 수 있을 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도 및 출력 밀도가 현저히 우수한 에너지 저장 장치의 제공이 가능할 수 있다. For example, the LVP/C composite may include the LVP on the surface or inside of the hierarchical carbon particles, and preferably may include the LVP on the surface and inside the hierarchical carbon particles. LVP may be uniformly distributed on the surface and/or interior of the hierarchical carbon particle body. As described above, by complexing LVP with carbon having excellent specific surface area and/or total pore volume characteristics through a unique hierarchical porous structure, high reversible capacity and fast lithium ion mobility, at an appropriate weight ratio and method, The effects of capacity characteristics and electrical conduction characteristics may be more significantly expressed, and thus it may be possible to provide an energy storage device with significantly superior energy density and power density.
본 발명에서 상기 계층적 탄소 입자체, LVO/C 복합체 및 LVP/C 복합체는 각각 이하의 단계에 따라 제조될 수 있다. 이하의 내용에 대해서는 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.In the present invention, the hierarchical carbon particles, LVO/C composite, and LVP/C composite can each be manufactured according to the following steps. The above-described content may be equally applied to the following content.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 예를 들어, 히드록시기 함유 수지를 준비하는 단계; 칼륨 양이온(K+) 함유 수용액에 상기 히드록시기 함유 수지를 침지하여 이온 교환하는 단계; 및/또는 상기 이온 교환된 수지를 탄화하여 계층적 탄소 입자체를 수득하는 단계; 를 거쳐 수득될 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention include, for example, preparing a hydroxy group-containing resin; Ion-exchanging the hydroxyl group-containing resin by immersing it in an aqueous solution containing potassium cations (K+); and/or carbonizing the ion-exchanged resin to obtain hierarchical carbon particles; It can be obtained through .
상기 칼륨 양이온 함유 수용액은 예를 들어, K2CO3 수용액 또는 KOH 수용액일 수 있고, 보다 우수한 비표면적의 구현, 총 기공 부피의 구현 등의 측면에서 바람직하게는 K2CO3 수용액일 수 있다. 상기 칼륨 양이온 함유 수용액의 몰 농도는 예를 들어, 0.05 M 내지 1.5 M의 범위 내일 수 있다. The potassium cation-containing aqueous solution may be, for example, a K 2 CO 3 aqueous solution or a KOH aqueous solution, and is preferably a K 2 CO 3 aqueous solution in terms of realizing a better specific surface area and total pore volume. The molar concentration of the potassium cation-containing aqueous solution may be, for example, in the range of 0.05 M to 1.5 M.
상기 칼륨 양이온 함유 수용액에 히드록시기 함유 수지를 침지하여 이온 교환하는 단계는 예를 들어, 30 내지 100 ℃의 범위 내의 온도에서 4 내지 12시간 동안 수행될 수 있다. 상기 온도는 다른 예시에서, 40 ℃이상 또는 50 ℃이상이거나 90 ℃이하, 80 ℃이하 또는 70 ℃이하일 수 있다. 상기 시간은 다른 예시에서, 5시간 이상, 6시간 이상 또는 7시간 이상이거나, 11시간 이하, 10시간 이하 또는 9시간 이하일 수 있다. The step of ion-exchanging the hydroxyl group-containing resin by immersing it in the potassium cation-containing aqueous solution may be performed, for example, at a temperature in the range of 30 to 100° C. for 4 to 12 hours. In other examples, the temperature may be 40°C or higher, 50°C or higher, or 90°C or lower, 80°C or lower, or 70°C or lower. In other examples, the time may be 5 hours or more, 6 hours or more, or 7 hours or more, or 11 hours or less, 10 hours or less, or 9 hours or less.
상기 이온 교환된 수지를 탄화하여 계층적 탄소 입자체를 수득하는 단계는 예를 들어, 전술한 탄화에 관한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. For example, the step of carbonizing the ion-exchanged resin to obtain hierarchical carbon particles may be the same as the carbonization described above.
본 발명의 계층적 탄소 입자체는 또한 예를 들어, 열수처리 및 산성화 단계를 추가로 거쳐 수득된 것일 수 있다. 상기 열수처리 및 산성화 단계는 예를 들어, 염산으로 세척하는 단계 및 60℃내지 140℃의 온도 범위에서 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 온도는 다른 예시에서, 70℃이상, 80℃이상 또는 90℃이상이거나, 130℃이하, 120℃이하 또는 110℃이하일 수 있다. The hierarchical carbon particles of the present invention may also be obtained, for example, by additionally undergoing hydrothermal treatment and acidification steps. The hydrothermal treatment and acidification steps may include, for example, washing with hydrochloric acid and drying at a temperature range of 60°C to 140°C. In other examples, the temperature may be 70°C or higher, 80°C or higher, or 90°C or higher, or 130°C or lower, 120°C or lower, or 110°C or lower.
본 발명의 다른 일 측면은 커패시터에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to capacitors.
본 발명의 커패시터는 예를 들어, 계층적 탄소 입자체; 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(LVO/C 복합체); 또는 상기 계층적 탄소 입자체 및 LVP의 복합체(LVP/C 복합체) 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 계층적 탄소 입자체 등에 관한 사항은 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. Capacitors of the present invention may include, for example, hierarchical carbon particles; A composite of the hierarchical carbon particle body and LVO (LVO/C composite); Alternatively, it may include at least one of the hierarchical carbon particles and a composite of LVP (LVP/C composite). The above-mentioned information may be applied in the same manner as to matters regarding the hierarchical carbon particles, etc.
본 발명의 커패시터는 예를 들어, 캐소드 활물질 및 애노드 활물질을 포함할 수 있고, 상기 캐소드 활물질은 계층적 탄소 입자체; 및 LVP/C 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 애노드 활물질은 상기 계층적 탄소 입자체; 및 LVO/C 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 커패시터는 우수한 용량, 전기전도도, 에너지 밀도 및 출력 밀도 등과 같은 특성을 구현하는 측면에서, LVP/C 복합체 또는 LVO/C 복합체 중 적어도 1종 이상을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. The capacitor of the present invention may include, for example, a cathode active material and an anode active material, wherein the cathode active material includes hierarchical carbon particles; and LVP/C composite, wherein the anode active material includes the hierarchical carbon particles; and LVO/C complex. In terms of realizing characteristics such as excellent capacity, electrical conductivity, energy density, and power density, the capacitor of the present invention may preferably include at least one type of LVP/C composite or LVO/C composite.
본 발명의 커패시터는 예를 들어, 에너지 밀도가 90 Wh/kg 이상이면서 동시에 출력 밀도가 10 kW/kg 이상일 수 있다. 상기 에너지 밀도는 다른 예시에서, 95 Wh/kg 이상, 100 Wh/kg 이상, 105 Wh/kg 이상, 110 Wh/kg 이상, 115 Wh/kg 이상, 120 Wh/kg 이상 또는 125 Wh/kg 이상일 수 있다. 상기 출력 밀도는 다른 예시에서, 10.5 kW/kg 이상, 11 kW/kg 이상, 11.5 kW/kg 이상, 12 kW/kg 이상, 12.5 kW/kg 이상, 13 kW/kg 이상, 13.5 kW/kg 이상 또는 14 kW/kg 이상일 수 있다.For example, the capacitor of the present invention may have an energy density of 90 Wh/kg or more and a power density of 10 kW/kg or more. In other examples, the energy density may be 95 Wh/kg or more, 100 Wh/kg or more, 105 Wh/kg or more, 110 Wh/kg or more, 115 Wh/kg or more, 120 Wh/kg or more, or 125 Wh/kg or more. there is. In other examples, the power density is 10.5 kW/kg or more, 11 kW/kg or more, 11.5 kW/kg or more, 12 kW/kg or more, 12.5 kW/kg or more, 13 kW/kg or more, 13.5 kW/kg or more. It can be more than 14 kW/kg.
본 발명의 커패시터는 예를 들어, 상기 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드 전극 슬러리층; 상기 애노드 활물질을 포함하는 애노드 전극 슬러리층을 포함할 수 있다. The capacitor of the present invention includes, for example, a cathode electrode slurry layer containing the cathode active material; It may include an anode electrode slurry layer containing the anode active material.
상기 캐소드 전극 슬러리층 및 상기 애노드 전극 슬러리층은 각각 예를 들어, 도전재를 추가로 포함할 수 있다. 상기 도전재로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자가 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 커패시터의 특성을 저해하지 않는 범위 내에서 공지의 도전재가 적절히 선택될 수 있다. Each of the cathode electrode slurry layer and the anode electrode slurry layer may further include, for example, a conductive material. The conductive material includes graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; Metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Alternatively, conductive polymers such as polyphenylene derivatives may be used, but are not limited thereto, and known conductive materials may be appropriately selected within the range that do not impair the characteristics of the capacitor.
상기 캐소드 전극 슬러리층 및 상기 애노드 전극 슬러리층은 각각 예를 들어, 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 CMC (Carboxymethylcellulose), PVA (Polyvinyl alcohol), PVDF (Polyvinyliene fluoride), PVP(Polyvinylpyrrolidone) 및 MC (Methyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 1 이상이 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 커패시터의 특성을 저해하지 않는 범위 내에서 공지의 바인더가 적절히 선택될 수 있다. Each of the cathode electrode slurry layer and the anode electrode slurry layer may further include, for example, a binder. The binder may be one or more selected from the group consisting of CMC (Carboxymethylcellulose), PVA (Polyvinyl alcohol), PVDF (Polyvinyliene fluoride), PVP (Polyvinylpyrrolidone), and MC (Methyl cellulose), but is not limited thereto, and is not limited to the capacitor. Known binders can be appropriately selected within the range that do not impair the properties.
상기 캐소드 활물질은 상기 캐소드 전극 슬러리층 100 중량부에 대해 예를 들어, 60 중량부 이상 포함될 수 있다. 상기 캐소드 활물질은 다른 예시에서, 상기 캐소드 전극 슬러리층 100 중량부에 대해 65 중량부 이상, 70 중량부 이상, 75 중량부 이상 또는 80 중량부 이상 포함되거나, 95 중량부 이하 또는 90 중량부 이하 포함될 수 있다. For example, the cathode active material may be included in an amount of 60 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the cathode electrode slurry layer. In another example, the cathode active material may be included in an amount of 65 parts by weight or more, 70 parts by weight, 75 parts by weight or more, or 80 parts by weight or less, or 95 parts by weight or less, or 90 parts by weight or less, based on 100 parts by weight of the cathode electrode slurry layer. You can.
상기 애노드 활물질은 상기 애노드 전극 슬러리층 100 중량부에 대해 예를 들어, 60 중량부 이상 포함될 수 있다. 상기 애노드 활물질은 다른 예시에서, 상기 애노드 전극 슬러리층 100 중량부에 대해 65 중량부 이상, 70 중량부 이상, 75 중량부 이상 또는 80 중량부 이상 포함되거나, 95 중량부 이하 또는 90 중량부 이하 포함될 수 있다.For example, the anode active material may be included in an amount of 60 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the anode electrode slurry layer. In another example, the anode active material may be included in an amount of 65 parts by weight or more, 70 parts by weight, 75 parts by weight or more, or 80 parts by weight or less, or 95 parts by weight or less, or 90 parts by weight or less, based on 100 parts by weight of the anode electrode slurry layer. You can.
본 발명의 커패시터는 또한 예를 들어, 집전체를 추가로 포함할 수 있다. 상기 집전체는 예를 들어, 캐소드 집전체 또는 애노드 집전체일 수 있고, 상기 캐소드 집전체 또는 애노드 집전체는 특별한 제한 없이 공지의 통상적인 방법 또는 그의 변형된 방법에 따라 준비될 수 있다. 상기 집전체로는 커패시터에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 활물질의 결합력을 강화할 수 있고, 필름, 호일, 시트, 네트, 다공질체, 발포체 또느 ㄴ부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. The capacitor of the present invention may also further include, for example, a current collector. The current collector may be, for example, a cathode current collector or an anode current collector, and the cathode current collector or anode current collector may be prepared according to a known conventional method or a modified method thereof without particular limitation. The current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the capacitor. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon or nickel on the surface of aluminum or stainless steel. , titanium, silver, etc. can be used. The current collector can strengthen the binding force of the active material by forming fine irregularities on its surface, and can be used in various forms such as films, foils, sheets, nets, porous materials, foams, or non-woven fabrics.
상기 집전체의 두께는 예를 들어, 1㎛ 내지 100㎛ 정도일 수 있다. 상기 집전체의 두께는 다른 예시에서, 5㎛ 이상, 10㎛ 이상, 15㎛ 이상 또는 20㎛ 이상이거나, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하 또는 30㎛ 이하일 수 있다. The thickness of the current collector may be, for example, about 1㎛ to 100㎛. In other examples, the thickness of the current collector is 5 μm or more, 10 μm or more, 15 μm or more, or 20 μm or more, or 90 μm or less, 80 μm or less, 70 μm or less, 60 μm or less, 50 μm or less, or 40 μm or less. Or it may be 30㎛ or less.
본 발명의 커패시터는 또한 예를 들어, 전해질을 추가로 포함할 수 있다. 상기 전해질은 예를 들어, 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질 또는 용융형 무기 전해질 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The capacitor of the present invention may also further comprise, for example, an electrolyte. The electrolyte may be, for example, an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel-type polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, or a molten inorganic electrolyte, but is not limited thereto.
본 발명의 커패시터는 또한 예를 들어, 분리막을 추가로 포함할 수 있다(단, 전해질이 고분자 전해질 등인 경우는 포함하지 않을 수 있음). 상기 분리막으로는 일축 및/또는 이축의 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및/또는 폴리올레핀 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고 공지의 분리막을 적절히 선택해 사용할 수 있다. The capacitor of the present invention may also further include, for example, a separator (however, if the electrolyte is a polymer electrolyte, etc., it may not be included). The separator may include, but is not limited to, uniaxial and/or biaxial polypropylene, polyethylene, and/or polyolefin, and a known separator may be appropriately selected and used.
본 발명의 커패시터는 이외에도 일반적으로 포함될 수 있는 다른 구성들을 추가로 포함할 수 있다.The capacitor of the present invention may additionally include other components that may be generally included.
이하, 본 출원의 실시예를 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니고, 이를 포함하는 내용으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail, but the present invention is not limited thereto and should be understood as including the present invention.
제조예 1. PFR(Phenol Formaldehyde Resin) 비드의 합성Preparation Example 1. Synthesis of PFR (Phenol Formaldehyde Resin) beads
phenol (Kolon Aldrich, 99 %)(4.7055g, 0.05mol) 및 hexamethylene tetramine (HMR, 99 %) (3.50465g, 0.025mol)을 20 ml의 물에 분산시킨 후 80℃에서 30분 간 교반하였다. 이어서 상기 용액을 Teflon-lined 오토클레이브에에 넣고 ammonia (JUNSEI, 28 %) 용액 0.25 ml를 첨가한 후, 200℃의 온도에서 12시간 동안 가열하였다. 그 후, 상온으로 냉각시켜 노란색 분말 생성물을 수득하였다. 상기 노란색 분말 생성물을 물로 반복 세척한 후, 110℃에서 2시간 동안 건조시켰다. 그 결과, 3.20g의 PFR 비드(노란색 분말 입자)를 얻을 수 있었다. Phenol (Kolon Aldrich, 99%) (4.7055g, 0.05mol) and hexamethylene tetramine (HMR, 99%) (3.50465g, 0.025mol) were dispersed in 20 ml of water and stirred at 80°C for 30 minutes. The solution was then placed in a Teflon-lined autoclave, 0.25 ml of ammonia (JUNSEI, 28%) solution was added, and the solution was heated at 200°C for 12 hours. Afterwards, it was cooled to room temperature to obtain a yellow powder product. The yellow powder product was washed repeatedly with water and then dried at 110°C for 2 hours. As a result, 3.20 g of PFR beads (yellow powder particles) were obtained.
제조예 2. K2CO3 처리된 CPFR(Carbonized Phenol Formaldehyde Resin) 비드의 합성Preparation Example 2. Synthesis of K2CO3 treated CPFR (Carbonized Phenol Formaldehyde Resin) beads
제조예 1의 PFR 비드에 0.1M K2CO3(Aldrich Corp., 99%)를 첨가하여 60℃로 8시간동안 교반하였다. 이 과정을 용액의 pH가 변하지 않을 까지 3회 내지 4회 반복하여 3 내지 4회 반복하여 K2CO3 처리된 PFR 비드(이하, K2CO3-PFR 비드라 칭함)를 얻었다. 0.1M K2CO3 (Aldrich Corp., 99%) was added to the PFR beads of Preparation Example 1 and stirred at 60°C for 8 hours. This process was repeated 3 to 4 times until the pH of the solution did not change, thereby obtaining K2CO3-treated PFR beads (hereinafter referred to as K2CO3-PFR beads).
이어서, 상기 K2CO3-PFR 비드를 세라믹 보트로 옮기고 이를 관형 전기로(tubular furnace)에 넣어 질소 분위기 하 900℃의 온도에서 2시간 동안 소결(탄화)하였다. 소결 후 상기 탄화 물질을 1.0 M의 hydrochloric acid (Samchun, 37 %)로 3회 세척하고, 물로 2회 더 세척한 후, 100℃의 온도 하 건조시켰다(열수처리/산성화). 그 결과, K2CO3 처리된 CPFR(이하, K2CO3-CPFR 비드라 칭함)을 얻을 수 있었다(갈색 분말 입자). Next, the K2CO3-PFR beads were transferred to a ceramic boat, placed in a tubular furnace, and sintered (carbonized) at a temperature of 900° C. under a nitrogen atmosphere for 2 hours. After sintering, the carbonized material was washed three times with 1.0 M hydrochloric acid (Samchun, 37%), washed twice more with water, and dried at a temperature of 100°C (hydrothermal treatment/acidification). As a result, K2CO3-treated CPFR (hereinafter referred to as K2CO3-CPFR beads) was obtained (brown powder particles).
제조예 3. KOH 처리된 CPFR(Carbonized Phenol Formaldehyde Resin) 비드의 합성Preparation Example 3. Synthesis of KOH-treated CPFR (Carbonized Phenol Formaldehyde Resin) beads
제조예 1의 PFR 비드에 0.1M KOH(Aldrich Corp., 99%)를 첨가한 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방식으로 하여 KOH 처리된 PFR 비드(이하, KOH-PFR 비드라 칭함)를 얻었다. KOH-treated PFR beads (hereinafter referred to as KOH-PFR beads) were obtained in the same manner as Preparation Example 2, except that 0.1M KOH (Aldrich Corp., 99%) was added to the PFR beads of Preparation Example 1. .
이어서, 상기 KOH-PFR 비드를 탄화한 것을 제외하고는, 제조예 2와 동일한 방식으로 하여 KOH 처리된 CPFR(이하, KOH-CPFR 비드라 칭함)을 얻을 수 있었다(암갈색 분말 입자). Subsequently, KOH-treated CPFR (hereinafter referred to as KOH-CPFR beads) was obtained in the same manner as Preparation Example 2, except that the KOH-PFR beads were carbonized (dark brown powder particles).
평가예 1. 주사전자현미경(SEM)Evaluation Example 1. Scanning Electron Microscope (SEM)
제조예 1 내지 3의 SEM 이미지는 HITACHI S-4800 기기를 이용해 공지의 방식으로 획득하였다. SEM images of Preparation Examples 1 to 3 were obtained in a known manner using a HITACHI S-4800 device.
제조예 1의 PFR은 도 16과 같이 구형(직경 약 7㎛)의 매끈한 비드 형상을 가지는 것을 확인할 수 있었다. It was confirmed that the PFR of Preparation Example 1 had a spherical (about 7㎛ diameter) smooth bead shape as shown in FIG. 16.
제조예 2의 K2CO3-CPFR(도 17 참고) 및 제조예 3의 KOH-CPFR의 형상을 SEM을 통해 확인하였다. 그 결과, K2CO3-CPFR 및 KOH-CPFR은 각각 5㎛ 내지 7㎛ 범위의 입자 직경을 가지는 균일한 구형의 비드 형상을 가짐 확인할 수 있었다. 또한 K2CO3-CPFR및 KOH-CPFR 각각은 모두 열수처리 및 산성화 단계를 거치면서 H+이온의 침입을 통해 수십나노미터 직경을 가지는 입구가 표면에 다수 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 17 및 도 18 참고). The shapes of K2CO3-CPFR of Preparation Example 2 (see FIG. 17) and KOH-CPFR of Preparation Example 3 were confirmed through SEM. As a result, it was confirmed that K2CO3-CPFR and KOH-CPFR each had a uniform spherical bead shape with a particle diameter in the range of 5㎛ to 7㎛. In addition, K2CO3-CPFR and KOH-CPFR each underwent hydrothermal treatment and acidification steps, and it was confirmed that numerous inlets with a diameter of several tens of nanometers were formed on the surface through the intrusion of H + ions (see Figures 17 and 18). .
평가예 2. 자외선 가시광선 확산 반사 스펙트로스코피(UV-Vis DRS; UV-Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy)Evaluation Example 2. Ultraviolet-Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS; UV-Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy)
제조예 1 내지 3의 UV-Vis DRS 스펙트럼은 UV-Vis 분광광도계(UV-2600, Shimadzu)을 이용해 공지의 방식으로 측정하였다. 그 결과, 도 19와 같이 칼륨 양이온 처리 여부에 따라 상이한 광 흡수 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. The UV-Vis DRS spectra of Preparation Examples 1 to 3 were measured using a UV-Vis spectrophotometer (UV-2600, Shimadzu) in a known manner. As a result, it was confirmed that it had different light absorption characteristics depending on whether or not it was treated with potassium cations, as shown in Figure 19.
구체적으로, 칼륨 양이온 처리된 제조예 2의 K2CO3-CPFR(파란색) 및 제조예 3의 KOH-CPFR(빨간색)은, 칼륨 양이온 처리하지 않은 제조예 1의 PFR(검정색) 대비 200nm 내지 800nm의 파장 영역에서의 흡착 강도가 더 높은 특성을 보였고, 가시광선에 대한 흡착 강도가 특히 더 높았다. Specifically, the K2CO3-CPFR (blue) of Preparation Example 2 treated with potassium cations (blue) and the KOH-CPFR (red) of Preparation Example 3 have a wavelength range of 200 nm to 800 nm compared to the PFR (black) of Preparation Example 1 without potassium cation treatment. The adsorption strength was higher, and the adsorption strength for visible light was particularly high.
이는, 페놀수지의 OH기의 탈양성자에 기인한 결과인 것으로 추론되며, 특히, 강염기 KOH에 의한 페놀 수지 OH기의 탈양성자화는 더 높은 가시광선 흡수를 유도하는 것으로 보인다(KOH 처리는 강한 염기성으로 인해 PFR 비드로 더 많은 칼륨 양이온 교환을 촉진함). This is inferred to be a result of the deprotonation of the OH group of the phenol resin. In particular, deprotonation of the OH group of the phenol resin by the strong base KOH seems to lead to higher visible light absorption (KOH treatment is a strong base promotes more potassium cation exchange with PFR beads).
평가예 3. FT-IR 스펙트럼Evaluation Example 3. FT-IR spectrum
제조예 1 내지 3의 FT-IR 스펙트럼은 Thermo NICOLET 6700 분광계를 이용해 공지의 방식으로 측정하였다. 그 결과, 도 20과 같이 칼륨 이온 교환된 KOH-CPFR(빨간색) 및 K2CO3-CPFR(파란색)의 경우, 3336 cm-1에서 페놀 수지의 O-H 피크가 유의하게 감소한 반면, 다른 진동 피크는 손상되지 않은 것을 확인할 수 있었다. The FT-IR spectra of Preparation Examples 1 to 3 were measured using a Thermo NICOLET 6700 spectrometer in a known manner. As a result, as shown in Figure 20, in the case of potassium ion exchanged KOH-CPFR (red) and K2CO3-CPFR (blue), the O-H peak of the phenolic resin at 3336 cm-1 was significantly reduced, while other vibration peaks were intact. could be confirmed.
평가예 4. SEM-EDX 매핑 분석Evaluation Example 4. SEM-EDX mapping analysis
제조예 2 및 3의 칼륨 이온 교환된 CPFR의 SEM-EDX 매핑 분석은 HITACHI S-4800 기기를 이용해 공지의 방식으로 수행하였다. 그 결과, K2CO3-CPFR 및 KOH-CPFR 각각 도 21 a 및 도 21 b 와 같이 균일한 칼륨 이온 분포를 나타냄을 확인할 수 있었다. SEM-EDX mapping analysis of the potassium ion exchanged CPFR of Preparation Examples 2 and 3 was performed in a known manner using a HITACHI S-4800 instrument. As a result, it was confirmed that K2CO3-CPFR and KOH-CPFR exhibited uniform potassium ion distribution as shown in Figures 21a and 21b, respectively.
평가예 5. 유도 결합 플라즈마-원자 방출 분광 분석Evaluation Example 5. Inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopic analysis
제조예 2 및 3의 칼륨 이온 교환된 CPFR의 유도 결합 플라즈마-원자 방출 분광 분석은 IPC-AES 장비(OPTIMA 7300 DV, Perkin-Elmer)를 이용하여 공지의 방식으로 수행하였다. 그 결과, 제조예 2의 K2CO3-CPFR 비드 및 제조예 3의 KOH-CPFR 비드는 각각 1.7 wt% 및 5.5 wt% 의 칼륨을 가지는 것을 확인할 수 있었다. Inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy analysis of the potassium ion exchanged CPFRs of Preparation Examples 2 and 3 was performed in a known manner using IPC-AES equipment (OPTIMA 7300 DV, Perkin-Elmer). As a result, it was confirmed that the K2CO3-CPFR beads of Preparation Example 2 and the KOH-CPFR beads of Preparation Example 3 had potassium of 1.7 wt% and 5.5 wt%, respectively.
평가예 6. N2 흡착 등온선 및 BET 비표면적Evaluation Example 6. N2 adsorption isotherm and BET specific surface area
제조예 1 내지 3의 비드의 BET 비표면적을 확인하기 위해, 77K에서 N2 흡착 등온선을 측정하였다. To confirm the BET specific surface area of the beads of Preparation Examples 1 to 3, N2 adsorption isotherm was measured at 77K.
우선, 제조예 1 내지 3의 비드 각각을 진공 하 150℃의 온도로 10 시간 동안 활성화하였다. 그 후, BELSORP MAX 기기를 사용하여 도 25와 같이 P/P0에 따른 N2 흡착 등온선을 도출하였다. First, each of the beads of Preparation Examples 1 to 3 was activated at a temperature of 150°C under vacuum for 10 hours. Afterwards, the N2 adsorption isotherm according to P/P0 was derived as shown in Figure 25 using the BELSORP MAX instrument.
그 결과, 제조예 1의 PFR(검정색)은 전형적인 미세 다공성(microporous) 재료를 나타내는 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 유형 I 등온선을 나타내는 반면, 제조예 2의 K2CO3-CPFR(파란색) 및 제조예 3의 KOH-CPFR(빨간색)은 이와는 약간 다른 등온선 유형을 나타내었다. As a result, the PFR of Preparation Example 1 (black) shows a Brunauer-Emmett-Teller (BET) type I isotherm, indicative of a typical microporous material, while the K2CO3-CPFR of Preparation Example 2 (blue) and Preparation Example 3 KOH-CPFR (red) showed a slightly different isotherm type.
한편, 이를 통해 계산한 BET 비표면적은 각각 표 1과 같았다. Meanwhile, the BET specific surface areas calculated through this were as shown in Table 1.
즉, 제조예 1의 PFR 및 제조예 3의 KOH-CPFR은 유사한 수준의 비표면적을 나타내는 반면, 제조예 2의 K2CO3-CPFR은 이들보다 약 1.6배 이상 높은 수준의 비표면적을 가진다. That is, while the PFR of Preparation Example 1 and the KOH-CPFR of Preparation Example 3 show a similar level of specific surface area, the K2CO3-CPFR of Preparation Example 2 has a specific surface area that is about 1.6 times higher than these.
평가예 7. NLDFT(Nonlocal Density Functional Theory)Evaluation Example 7. NLDFT (Nonlocal Density Functional Theory)
제조예 1 내지 3 비드의 기공크기분포는 NLDFT 방법을 통해 확인되었다. 그 결과, 도 22와 같은 그래프가 도출되었다(삽입 이미지는 직경 2nm 미만의 미세 기공 분포를 나타냄, W는 기공의 직경을 의미하고, dVp는 표면적을 의미함).The pore size distribution of the beads of Preparation Examples 1 to 3 was confirmed through the NLDFT method. As a result, a graph as shown in Figure 22 was derived (the inset image shows the distribution of fine pores with a diameter of less than 2 nm, W means the diameter of the pore, and dVp means the surface area).
이를 통해, 제조예 1의 PFR 비드(검정색)에는 마이크로 기공만 있는 반면, 제조예 2의 K2CO3-CPFR 비드(파란색)는 마이크로 기공 및 메조 기공을 가지고, 제조예 3의 KOH-CPFR 비드(빨간색)는 마이크로 기공, 메조 기공 및 매크로 기공을 가짐을 확인할 수 있었다. Through this, the PFR beads (black) of Preparation Example 1 have only micropores, while the K2CO3-CPFR beads (blue) of Preparation Example 2 have micropores and mesopores, and the KOH-CPFR beads of Preparation Example 3 (red) It was confirmed that it had micro-pores, meso-pores, and macro-pores.
즉, 칼륨 양이온 함량이 과량인 KOH-CPFR 비드는 대부분 매크로 기공을 가지는 반면, 칼륨 양이온 함량이 적절한 K2CO3-CPFR 비드는 마이크로 기공 및 메조 기공을 가짐에 따라 표면적 및 총 기공 부피가 높은 것을 확인할 수 있었다(상기 표 1 및 하기 표 2 참조). In other words, it was confirmed that KOH-CPFR beads with excessive potassium cation content mostly had macropores, while K2CO3-CPFR beads with adequate potassium cation content had micropores and mesopores, resulting in high surface area and total pore volume. (See Table 1 above and Table 2 below).
(마이크로기공 사이즈는 slit-type 탄소 표면에 기반한 NLDFT 분석에 의해 추정하였고, 마이크로기공 부피는 t-plot 분석에 의해 추정됨)(Micropore size was estimated by NLDFT analysis based on slit-type carbon surface, and micropore volume was estimated by t-plot analysis)
평가예 8. 투과 전자 현미경(TEM; transmission electron microscope)Evaluation Example 8. Transmission electron microscope (TEM)
제조예 2 비드의 TEM 이미지는 FEI Tecnai G2 F30 S-TWIN 기기를 통해 도출되었다. Preparation Example 2 TEM images of the beads were derived using a FEI Tecnai G2 F30 S-TWIN instrument.
그 결과, 도 23과 같이 상호 연결된 마이크로 기공 및 메조 기공이 계층적 다공성 탄소 네트워크를 형성하고 있음을 확인할 수 있었다. As a result, it was confirmed that interconnected micropores and mesopores formed a hierarchical porous carbon network, as shown in Figure 23.
평가예 9. 라만 분광법(Raman Spectroscopy)Evaluation Example 9. Raman Spectroscopy
제조예 1 내지 3의 비드에 대한 라만 스펙트럼은 LabRAM HR-800 분광 광도계를 사용해 측정되었다. Raman spectra for the beads of Preparation Examples 1 to 3 were measured using a LabRAM HR-800 spectrophotometer.
라만 피크 분포를 통해 비탄성 산란된 빛의 강도(intensity) 및 잃어버린 에너지 크기를 파악함으로써 결손 농도, 즉 대상 물질의 비정질 특성을 파악할 수 있었다. 측정 결과, 도 24a와 같이, 2θ≒20°~30° 영역에서 흑연 (graphite)의 (001)면, 및 42°~43° 영역에서 (101)면 회절 피크가 나타난 것을 통해, 제조예 1 내지 3의 비드가 비정질탄소의 특징을 가짐을 알 수 있었다. By determining the intensity of inelasticly scattered light and the amount of energy lost through the Raman peak distribution, it was possible to determine the defect concentration, that is, the amorphous nature of the target material. As a result of the measurement, as shown in Figure 24a, the (001) plane of graphite in the 2θ≒20°~30° region and the (101) plane diffraction peak in the 42°~43° region appeared, showing that Preparation Examples 1 to 2 It was found that the bead of 3 had the characteristics of amorphous carbon.
또한 도 24b 와 같이 제조예 1 내지 3의 비드 모두 D 및 G 밴드에 해당하는 1350 및 1580 cm-1에서 두 개의 뚜렷한 피크를 가지는 것을 알 수 있었다. 제조예 1 내지 3의 D/G 강도 비는 하기 표 3과 같았다. 즉, 칼륨 양이온 교환된 CPFR 비드(제조예 2 및 3의 K2CO3-CPFR비드 및 KOH-CPFR 비드)는 각각 탄소와 칼륨 양이온 반응에 의해 생성된 결함 부위 때문에 D/G 비율이 높은 것을 확인할 수 있었다(가장 높은 K+ 교환함량을 가지는 제조예 3의 KOH-CPFR 비드가 가장 높은 D/G 비율을 가짐).In addition, as shown in Figure 24b, it was found that all beads of Preparation Examples 1 to 3 had two distinct peaks at 1350 and 1580 cm-1, corresponding to the D and G bands. The D/G intensity ratios of Preparation Examples 1 to 3 are shown in Table 3 below. That is, it was confirmed that the potassium cation exchanged CPFR beads (K2CO3-CPFR beads and KOH-CPFR beads of Preparation Examples 2 and 3) had a high D/G ratio due to defect sites generated by the reaction of carbon and potassium cations, respectively ( The KOH-CPFR beads of Preparation Example 3, which had the highest K+ exchange content, had the highest D/G ratio).
제조예 4. LVO(LiPreparation Example 4. LVO (Li 33 VOVO 44 ) 합성) synthesis
0.234 g의 ammonium metavanadate(Sigma Aldrich, 99%) 및 0.245 g의 Lithium hydroxide monohydrate(JUNSEI, 98%)을 10 ml의 탈이온수에 투입한 후, 15분 동안 교반하여 균질한 용액을 얻었다. 그 후, 상기 용액에 methanol (Samchun, 99 %) 20 ml를 첨가하여 옅은 흰색 용액이 될 때까지 교반하였다. 이어서, 교반한 용액을 50 ml Teflon-lined 오토클레이브로 옮기고 180℃에서 4시간 동안 가열한 후, 실온이 되도록 냉각하였다. 냉각 후 석출된 백색 침전물을 methanol (Samchun, 99 %)로 3회 세척하고 밤새 진공 하에서 80℃로 건조하였다. 이어서, 공기 분위기 하 500℃2시간 동안 소결하여 건조된 백색 분말(LVO 분말)을 수득하였다. 0.234 g of ammonium metavanadate (Sigma Aldrich, 99%) and 0.245 g of lithium hydroxide monohydrate (JUNSEI, 98%) were added to 10 ml of deionized water and stirred for 15 minutes to obtain a homogeneous solution. Afterwards, 20 ml of methanol (Samchun, 99%) was added to the solution and stirred until it became a pale white solution. Then, the stirred solution was transferred to a 50 ml Teflon-lined autoclave, heated at 180°C for 4 hours, and then cooled to room temperature. The white precipitate that precipitated after cooling was washed three times with methanol (Samchun, 99%) and dried at 80°C under vacuum overnight. Subsequently, it was sintered at 500°C for 2 hours in an air atmosphere to obtain dried white powder (LVO powder).
제조예 5. LVP(LiPreparation Example 5. LVP (Li 33 VV 22 (PO(PO 44 )) 33 ) 합성) synthesis
LVP는 고온에서 통상 고상 반응에 의해 제조하였다. LVP was prepared by a conventional solid phase reaction at high temperature.
우선 lithium carbonate(Sigma-Aldrich, ≥99.0%), vanadium pentoxide(Alfa Aesar, 99%) 및 ammonium dihydrogen phosphate(Supelco, 99%) 분말을 3 : 2 : 6 (lithium carbonate : vanadium pentoxide : ammonium dihydrogen phosphate)의 몰 비로 혼합하여 분말이 황색으로 변할 때까지 마노 유발(agate mortar)을 사용해 적절히 분쇄하였다. 이어서, 자기 도가니에 옮겨 공기 분위기 하 300℃의 온도로, 3시간 동안 소결하였다. 그 후 얻어진 생성물을 다시 분쇄하고, H2 및 Ar의 혼합가스 분위기 하에서 850℃의 온도로, 10시간 동안 소결하였다. 이어서 상온으로 냉각하여 밝은 녹색을 띄는 LVP 분말을 수득하였다. First, lithium carbonate (Sigma-Aldrich, ≥99.0%), vanadium pentoxide (Alfa Aesar, 99%) and ammonium dihydrogen phosphate (Supelco, 99%) powder were mixed in a ratio of 3:2:6 (lithium carbonate:vanadium pentoxide:ammonium dihydrogen phosphate). The mixture was mixed at a molar ratio of and appropriately ground using an agate mortar until the powder turned yellow. Next, it was transferred to a porcelain crucible and sintered at a temperature of 300°C in an air atmosphere for 3 hours. Afterwards, the obtained product was pulverized again and sintered at a temperature of 850°C for 10 hours in a mixed gas atmosphere of H2 and Ar. Then, it was cooled to room temperature to obtain bright green LVP powder.
제조예 6. LVO / K2CO3-CPFR 나노 복합체 합성Preparation Example 6. Synthesis of LVO/K2CO3-CPFR nanocomposite
제조에 4의 LVO 3 mg을 50 ml의 ethanol에 분산시키고 30분 동안 초음파 처리하였다. 그동안 제조예 2의 K2CO3 처리된 CPFR 비드 27 mg을 10 ml의 ethanol에 분산시키고, 핫 플레이트(80℃에 보관된 시계 접시로 옮겼다. 이어서, 상기 LVO 용액을 마이크로 피펫을 사용하여 K2CO3 처리된 CPFR 비드에 적가한 후, 80℃의 온도 하 밤새 건조하였다. 그 후 수득한 건조 분말을 균일하게 분쇄하여 LVO / K2CO3-CPFR 나노 복합체를 얻었다. In preparation, 3 mg of LVO of 4 was dispersed in 50 ml of ethanol and sonicated for 30 minutes. Meanwhile, 27 mg of K2CO3-treated CPFR beads of Preparation Example 2 were dispersed in 10 ml of ethanol and transferred to a hot plate (watch glass stored at 80°C). Then, the LVO solution was added to the K2CO3-treated CPFR beads using a micropipette. After being added dropwise, it was dried overnight at a temperature of 80° C. Afterwards, the obtained dried powder was uniformly ground to obtain LVO/K2CO3-CPFR nanocomposite.
제조예 7. LVO / KOH-CPFR 나노 복합체 합성Preparation Example 7. Synthesis of LVO/KOH-CPFR nanocomposite
K2CO3 대신에 KOH(삼전화학, 95.0%)를 처리한 것을 제외하고는 제조예 6과 동일한 방식으로 제조하였다. 그 결과, LVO / KOH-CPFR 나노 복합체를 얻었다. It was prepared in the same manner as Preparation Example 6, except that KOH (Samjeon Chemical, 95.0%) was used instead of K2CO3. As a result, LVO/KOH-CPFR nanocomposite was obtained.
제조예 8. LVP / K2CO3-CPFR 나노 복합체 형성Preparation Example 8. Formation of LVP/K2CO3-CPFR nanocomposite
제조예 4의 LVO 대신에 제조예 5의 LVP를 사용한 것을 제외하고는 제조예 6과 동일한 방식으로 제조하였다. 그 결과, LVP / K2CO3-CPFR 나노 복합체를 얻었다. It was prepared in the same manner as Preparation Example 6, except that LVP of Preparation Example 5 was used instead of LVO of Preparation Example 4. As a result, LVP/K2CO3-CPFR nanocomposite was obtained.
제조예 9. LVP / KOH-CPFR 나노 복합체 형성Preparation Example 9. Formation of LVP/KOH-CPFR nanocomposite
제조예 4의 LVO 대신에 제조예 5의 LVP를 사용한 것을 제외하고는 제조예 7과 동일한 방식으로 제조하였다. 그 결과, LVP / KOH-CPFR 나노 복합체를 얻었다. It was prepared in the same manner as Preparation Example 7, except that LVP of Preparation Example 5 was used instead of LVO of Preparation Example 4. As a result, LVP/KOH-CPFR nanocomposite was obtained.
평가예 10. X선 회절분석(XRD)Evaluation Example 10. X-ray diffraction analysis (XRD)
XRD 패턴은 1.51 Å의 작동 파장을 가진 Rigaku MiniFlex 600 회절계를 이용해 0.1도 간격으로 0도에서 80도까지 기록되었다. XRD patterns were recorded from 0 to 80 degrees at 0.1 degree intervals using a Rigaku MiniFlex 600 diffractometer with an operating wavelength of 1.51 Å.
그 결과, 도 8 및 도 10과 같은 그래프가 도출되었다. As a result, graphs such as Figures 8 and 10 were derived.
구체적으로, 제조예 2의 K2CO3-CPFR 비드(검정색)는 탄소 나노 물질의 (200) 및 (101) 평면을 인덱싱하는 24 deg 및 44 deg 에서 각각 넓은 피크를 나타내었다(흑연 탄소와 일치하는 피크가 거의 없는 비정질 특성을 나타냄)(도 8 및 도 10의 검정색 그래프 참조). Specifically, the K2CO3-CPFR beads (black) of Preparation Example 2 showed broad peaks at 24 deg and 44 deg, respectively, indexing the (200) and (101) planes of the carbon nanomaterial (the peak coincides with graphitic carbon). showing almost no amorphous properties) (see black graphs in Figures 8 and 10).
도 8 및 도 10에 따라, CPFR 비드에 LVO 또는 LVP를 로딩해도 결정도, 결정 구조 및 격자 변수를 변화시키지 않는다는 것을 알 수 있었다. According to Figures 8 and 10, it was found that loading LVO or LVP into CPFR beads did not change the crystallinity, crystal structure, and lattice parameters.
실시예 1. Example 1.
애노드 전극의 제조Preparation of anode electrode
제조예 6의 LVO / K2CO3-CPFR 나노 복합체를 애노드 활물질로 하여 애노드 전극을 제조하였다. An anode electrode was manufactured using the LVO / K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 6 as an anode active material.
우선, 활물질 80 중량%, Super-P (Sigma Aldrich, 99%) 10 중량% 및 polyvinylidene fluoride (PVDF, Sigma Aldrich, 99%) 10 중량%를 혼합한 혼합물에 50 내지 100 μL의 n-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich, 99% )를 첨가하여 균일한 슬러리를 형성하고, 이를 60분 동안 초음파 처리하였다. First, 50 to 100 μL of n-methyl-2 was added to a mixture of 80% by weight of the active material, 10% by weight of Super-P (Sigma Aldrich, 99%), and 10% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF, Sigma Aldrich, 99%). -pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich, 99%) was added to form a uniform slurry, which was sonicated for 60 minutes.
한편, 1cm2 면적의 Cu foil(25 mm)를 에탄올로 세척하여 표면이 매끄럽고 깨끗하도록 하여 준비하였다. 이어서, 상기 슬러리를 닥터 블레이드를 사용하여 25 ~ 35 mm 두께로 Cu foil 상에 코팅하였다. 이어서, 코팅된 호일을 상온에서 밤새 건조하고, 다시 100℃의 진공에서 4시간 동안 건조하여 애노드 전극을 제조하였다. Meanwhile, Cu foil (25 mm) with an area of 1 cm 2 was prepared by washing it with ethanol to make the surface smooth and clean. Subsequently, the slurry was coated on Cu foil to a thickness of 25 to 35 mm using a doctor blade. Then, the coated foil was dried at room temperature overnight and then dried again in a vacuum at 100°C for 4 hours to prepare an anode electrode.
캐소드 전극의 제조Preparation of cathode electrode
제조예 8의 LVP / K2CO3-CPFR 나노 복합체를 활물질로 하고, 1cm2 면적의 Al foil(25 mm)을 집전체로 한 것을 제외하고는 상기 애노드 전극의 제조 방식과 동일한 방식으로 하여 캐소드 전극을 제조하였다. The cathode electrode was manufactured in the same manner as the anode electrode except that the LVP / K2CO3-CPFR nanocomposite of Preparation Example 8 was used as the active material and Al foil (25 mm) with an area of 1 cm 2 was used as the current collector. did.
코인셀(Coin cell)의 제조Manufacturing of coin cells
애노드 전극, 분리막 및 캐소드 전극을 순차 적층한 후, 전해질을 주입하여 공지의 방식으로 코인셀을 제조하였다. 상기 코인셀 제조는, 0 내지 0.2 ppm의 산소 및 0 ppm의 수소를 포함하는 Ar 분위기의 글러브 박스에서 수행하였다. A coin cell was manufactured in a known manner by sequentially stacking an anode electrode, a separator, and a cathode electrode, and then injecting an electrolyte. The coin cell manufacturing was performed in a glove box in an Ar atmosphere containing 0 to 0.2 ppm of oxygen and 0 ppm of hydrogen.
이 때, 상기 애노드 전극의 슬러리층과 상기 캐소드 전극의 슬러리층이 서로 대향하도록 배치하였다. 한편, 분리막으로는 유리섬유 분리막(Whatman, 두께 790 mm, 지름 90 mm)을 사용하였고, 전해질로는 1.0 M의 LiPF6를 EMC/DMC 용매에 투입해 제조한 것을 사용하였다.At this time, the slurry layer of the anode electrode and the slurry layer of the cathode electrode were arranged to face each other. Meanwhile, a glass fiber separator (Whatman, thickness 790 mm, diameter 90 mm) was used as the separator, and an electrolyte prepared by adding 1.0 M LiPF6 to an EMC/DMC solvent was used.
비교예 1. Comparative Example 1.
애노드 전극의 제조Preparation of anode electrode
제조에 4의 LVO 3 mg을 50 ml의 ethanol에 분산시키고 30분 동안 초음파 처리하였다. 그동안 Super-P 27 mg을 10 ml의 ethanol에 분산시키고, 핫 플레이트(80℃에 보관된 시계 접시로 옮겼다. 이어서, 상기 LVO 용액을 마이크로 피펫을 사용하여 Super-P 적가한 후, 80℃의 온도 하 밤새 건조하였다. 그 후 수득한 건조 분말을 균일하게 분쇄하여 LVO/Super-P 복합체를 얻었다. In preparation, 3 mg of LVO of 4 was dispersed in 50 ml of ethanol and sonicated for 30 minutes. Meanwhile, 27 mg of Super-P was dispersed in 10 ml of ethanol and transferred to a hot plate (watch glass stored at 80°C). Then, the LVO solution was added dropwise to Super-P using a micropipette, and then incubated at a temperature of 80°C. After drying overnight, the obtained dried powder was ground uniformly to obtain LVO/Super-P composite.
활물질 80 중량%, Super-P (Sigma Aldrich, 99%) 10 중량% 및 polyvinylidene fluoride (PVDF, Sigma Aldrich, 99%) 10 중량%를 혼합한 혼합물에 50 내지 200 μL의 n-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich, 99%)를 첨가하여 균일한 슬러리를 형성하고, 이를 60분 동안 초음파 처리하였다. 50 to 200 μL of n-methyl-2-pyrrolidone in a mixture of 80% by weight of active material, 10% by weight of Super-P (Sigma Aldrich, 99%), and 10% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF, Sigma Aldrich, 99%). (NMP, Sigma Aldrich, 99%) was added to form a uniform slurry, which was sonicated for 60 minutes.
한편, 1cm2 면적의 Cu foil(25 mm)를 에탄올로 세척하여 표면이 매끄럽고 깨끗하도록 하여 준비하였다. 이어서, 상기 슬러리를 닥터 블레이드를 사용하여 25 ~ 35 mm 두께로 Cu foil 상에 코팅하였다. 이어서, 코팅된 호일을 상온에서 밤새 건조하고, 다시 100℃의 진공에서 4시간 동안 건조하여 애노드 전극을 제조하였다. Meanwhile, Cu foil (25 mm) with an area of 1 cm 2 was prepared by washing it with ethanol to make the surface smooth and clean. Subsequently, the slurry was coated on Cu foil to a thickness of 25 to 35 mm using a doctor blade. Then, the coated foil was dried at room temperature overnight and then dried again in a vacuum at 100°C for 4 hours to prepare an anode electrode.
캐소드 전극의 제조Preparation of cathode electrode
제조예 5의 LVP를 캐소드 활물질로 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방식으로 하여 캐소드 전극을 제조하였다. A cathode electrode was manufactured in the same manner as Comparative Example 1, except that the LVP of Preparation Example 5 was used as the cathode active material.
코인셀(Coin cell)의 제조Manufacturing of coin cells
애노드 전극 및 캐소드 전극을 상기와 같이 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방식으로 하여 코인셀을 제조하였다. A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the anode electrode and cathode electrode were used as above.
평가예 11. 순환전류전압법(Cyclic Voltammetry; CV)Evaluation Example 11. Cyclic Voltammetry (CV)
순환전류전압법은 원아테크사의 WMPG1000 가변기(potentiostat)를 사용하여 수행하였다. 상기 코인셀에 대해 전압 범위 0 내지 3V에서, 측정하였고, 측정 온도는 25℃로 하였다. Cyclic voltammetry was performed using WonA Tech's WMPG1000 potentiostat. The coin cell was measured in a voltage range of 0 to 3V, and the measurement temperature was 25°C.
도 12는, 실시예 1의 코인셀에 대하여 스캔 속도를 달리해가며 측정한 CV 커브이다. 도 12와 같이, 실시예 1의 코인셀의 경우, 2.25 V 근처에서 산화환원 피크를 가지는 준 직사각형 프로파일을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, LVO/K2CO3-CPFR 나노 복합체를 애노드 활물질로 포함하고, LVP/K2CO3-CPFR 나노 복합체를 캐소드 활물질로 포함하는 코인셀의 경우, 전기화학적 특성이 더욱 향상되는 것을 알 수 있다. Figure 12 is a CV curve measured at different scan speeds for the coin cell of Example 1. As shown in FIG. 12, it was confirmed that the coin cell of Example 1 exhibited a quasi-rectangular profile with a redox peak near 2.25 V. Through this, it can be seen that the electrochemical properties are further improved in the case of a coin cell containing LVO/K2CO3-CPFR nanocomposite as an anode active material and LVP/K2CO3-CPFR nanocomposite as cathode active material.
한편 도 13은 실시예1 및 비교예1의 CV를 비교한 그래프이다. 이에 따라 실시예 1에 따라서 제조된 전극이 비교예 1의 전극보다 전기화학적 용량이 더 높음을 알 수 있었다. Meanwhile, Figure 13 is a graph comparing the CV of Example 1 and Comparative Example 1. Accordingly, it was found that the electrode manufactured according to Example 1 had a higher electrochemical capacity than the electrode of Comparative Example 1.
평가예 12.Evaluation example 12. 갈바노 스탯 충방전 특성Galvanostat charge/discharge characteristics
갈바노 스탯 충방전 특성은 원아테크사의 WMPG1000를 사용하여 전류 밀도를 달리해가며 공지의 방식으로 수행하였다. The galvanostat charge/discharge characteristics were performed in a known manner using WonA Tech's WMPG1000 and varying the current density.
그 결과, 도 14와 같은 결과가 도출되었다. As a result, the results shown in Figure 14 were obtained.
도 14의 충방전 곡선을 통해 하기 가지 사실을 명확하게 이해할 수 있었다.The following facts could be clearly understood through the charge/discharge curve of FIG. 14.
(i) 충방전 평탄면의 비선형성은 전하 축적 과정이 전기 용량 및 Faradaic 프로세스에 의해 수행됨을 나타낸다. (i) The nonlinearity of the charge/discharge flat surface indicates that the charge accumulation process is carried out by capacitive and Faradaic processes.
(ii) 충방전 곡선은 (0V 및 3V에서 약간 벗어난) 적절한 전위에서 시작되지 않으며 IR 강하 및 셀의 내부 저항에서 기인할 수 있다. (ii) The charge/discharge curve does not start at the appropriate potential (slightly outside 0 V and 3 V) and may result from IR drop and the internal resistance of the cell.
(iii) 충전 곡선은 방전 곡선보다 큰 전기 용량을 나타내며, 낮은 전류 밀도에서 고체 전해질 계면층(SEI layer)이 성장하는 것으로부터 기인하는 것으로 추정된다. 이때, 셀의 방전 용량은 1A g-1의 전류 밀도에서 약 84.8 mAh/g인 것으로 추정된다.(iii) The charge curve shows a larger electric capacity than the discharge curve, which is presumed to result from the growth of a solid electrolyte interfacial layer (SEI layer) at low current densities. At this time, the discharge capacity of the cell is estimated to be about 84.8 mAh/g at a current density of 1A g -1 .
한편, 전류 밀도에 따른 Rate 특성을 분석한 결과, 높은 전류 밀도와 더 낮은 전류 밀도를 교차한 후에도 용량을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 2A/g의 전류 밀도에서 충방전 안정성 실험을 진행한 결과, 225 사이클이 끝날 때까지도 성능 저하를 보이지 않았다. Meanwhile, as a result of analyzing rate characteristics according to current density, it was confirmed that capacity was maintained even after crossing between high and low current densities. Additionally, as a result of a charge/discharge stability experiment conducted at a current density of 2A/g, no performance degradation was observed even after 225 cycles.
또한, 상기에서 얻은 방전 시간 및 용량을 기반으로 에너지 및 출력 밀도를 계산한 결과, 에너지 밀도는 127 Wh/kg이고, 출력 밀도는 14.3kW/kg이었다. In addition, as a result of calculating the energy and power density based on the discharge time and capacity obtained above, the energy density was 127 Wh/kg and the power density was 14.3 kW/kg.
평가예 13.Evaluation example 13. Rate Capability 특성Rate Capability characteristics
코인 셀에 대해 원아테크사의 WMPG1000를 이용하여 다양한 C-rate에서의 충방전 특성 평가를 수행하였다. For coin cells, charging and discharging characteristics were evaluated at various C-rates using WonA Tech's WMPG1000.
그 결과, 도 15와 같이 1, 2, 3, 4C의 속도로 5번의 사이클 구간마다 86.7, 51.07, 33.13, 22.72 mAh g-1의 방전용량을 나타냄을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 15, it was confirmed that the discharge capacity was 86.7, 51.07, 33.13, and 22.72 mAh g -1 for each of the five cycle sections at rates of 1, 2, 3, and 4C.
Claims (14)
상기 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(LVO/C 복합체)는, 상기 LVO 100 중량부에 대해 상기 탄소 입자체를 500 내지 9500 중량부의 범위 내로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전극 활물질.A composite of hierarchical carbon particles and LVO (LVO/C composite); or a composite of hierarchical carbon particles and LVP (LVP/C composite);
The composite of the hierarchical carbon particles and LVO (LVO/C composite) is an electrode active material, characterized in that it contains the carbon particles in the range of 500 to 9500 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVO.
The electrode active material of claim 1, wherein the composite of hierarchical carbon particles and LVP (LVP/C composite) includes the hierarchical carbon particles in the range of 500 to 9500 parts by weight based on 100 parts by weight of the LVP.
계층적 탄소 입자체는 표면에 내부 기공으로 들어갈 수 있는 1nm 내지 500nm범위 내의 크기의 입구를 포함하고, 상기 내부에 매크로(macro) 기공, 메조(meso) 기공 및 마이크로(micro) 기공 중 적어도 2종 이상의 기공을 포함하며,
상기 계층적 탄소 입자체는, 상기 매크로 기공, 메조 기공 및 마이크로 기공 중 적어도 2종 이상의 기공이 상호 연결된 계층적 다공성 탄소 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질.
According to claim 1,
The hierarchical carbon particles include an inlet with a size ranging from 1 nm to 500 nm on the surface that can enter internal pores, and at least two types of macro pores, meso pores, and micro pores on the inside. Contains more pores,
The hierarchical carbon particles form a hierarchical porous carbon network in which at least two types of pores among the macro pores, meso pores, and micro pores are interconnected.
The electrode active material according to claim 1, wherein the hierarchical carbon particles are obtained by ion-exchanging a hydroxyl group-containing resin with potassium cations (K+) and carbonizing it.
The electrode active material according to claim 5, wherein the hydroxyl group-containing resin is Phenol Formaldehyde Resin.
라만 분광법에 따라 1300 내지 1400 cm-1 의 파장 범위 내에서 D밴드 피크를 나타내고, 1550 내지 1620 cm-1의 파장 범위 내에서 G 밴드 피크를 나타내며, 상기 G 밴드에 대한 상기 D 밴드의 강도 비(D/G)가 0.7 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 탄소 입자체를 포함하는 전극 활물질.
According to claim 1,
According to Raman spectroscopy, it exhibits a D band peak within a wavelength range of 1300 to 1400 cm-1, a G band peak within a wavelength range of 1550 to 1620 cm-1, and the intensity ratio of the D band to the G band ( An electrode active material containing carbon particles, characterized in that D/G) is 0.7 to 1.5.
The electrode active material according to claim 1, comprising hierarchical carbon particles having a BET specific surface area of 830 m2/g or more.
The electrode active material according to claim 1, comprising hierarchical carbon particles having a total pore volume of 0.4 cm3/g or more.
The electrode active material according to claim 1, wherein the average size of the micro pores is in the range of 0.7 to 2.0 nm, and the micro pore volume is 0.35 to 1.5 cm3/g.
The electrode active material according to claim 1, comprising hierarchical carbon particles having a spherical bead shape.
상기 계층적 탄소 입자체 및 LVO의 복합체(LVO/C 복합체)는, 상기 LVO 100 중량부에 대해 상기 탄소 입자체를 500 내지 9500 중량부의 범위 내로 포함하는 것을 특징으로 하는, 커패시터.A composite of hierarchical carbon particles and LVO (LVO/C composite); or a composite of hierarchical carbon particles and LVP (LVP/C composite); Contains at least one of the following,
The composite of the hierarchical carbon particles and LVO (LVO/C composite) is a capacitor, characterized in that it contains the carbon particles in the range of 500 to 9500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the LVO.
The capacitor of claim 12, wherein the capacitor has a power density of 10 kW/kh or more and an energy density of 90 Wh/kg or more.
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Non-Patent Citations (2)
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| 인용발명 1: Xuena Xu et al., "Hierarchically porous Li 3 VO 4 /C nanocomposite as an advanced anode material for high-performance lithium-ion capacitors", Journal of Power Sources 384 (2018) 240-248. 1부.* |
| 인용발명 2: Hyunuk Kim et al., "Hierarchical porous carbon beads for selective CO2 capture", Journal of CO2 Utilization 51 (2021) 101659. 1부.* |
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