KR100759895B1 - Methods for Manufacturing nickel oxide nanotube by anodic aluminum oxide template - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음극산화알루미늄(AAO) 템플릿(template)을 이용한 니켈 나노튜브의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing nickel nanotubes using an anodized aluminum oxide ( AAO ) template.

본 발명에 따른 니켈 나노튜브의 제조방법은 종래 금속 나노튜브의 제조방법과 달리 온화한 조건에서 증류수, 니켈 전구체 및 AAO 템플릿만을 사용하며, 니켈전구체를 AAO 템플릿의 표면에 흡착시켜 나노튜브의 형상을 유지하고 이를 건조함으로써 균일 크기의 나노튜브를 쉽게 수득할 수 있다.Unlike the conventional method of manufacturing metal nanotubes, the method for preparing nickel nanotubes according to the present invention uses only distilled water, nickel precursors and AAO templates under mild conditions, and maintains the shape of the nanotubes by adsorbing the nickel precursor onto the surface of the AAO template. By uniformly drying the nanotubes can be easily obtained.

본 발명의 제조방법에 따라 만들어진 니켈 나노튜브는 경제적인 수소 저장체나 리튬 2차 전지의 전극 또는 자동차 및 기타 이동 에너지의 저장원으로서 활용할 수 있다.Nickel nanotubes made according to the manufacturing method of the present invention can be utilized as an economic hydrogen storage or the electrode of a lithium secondary battery or as a storage source for automobiles and other mobile energy.

니켈, 나노튜브, 템플릿, 용매, 수소저장, 2차 전지, 전극재료 Nickel, Nanotube, Template, Solvent, Hydrogen Storage, Secondary Battery, Electrode Material

Description

음극산화알루미늄 템플릿을 이용한 산화니켈 나노튜브의 제조방법{Methods for Manufacturing nickel oxide nanotube by anodic aluminum oxide template}Method for manufacturing nickel oxide nanotube by anodic aluminum oxide template

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 나노튜브의 SEM 사진.1 is a SEM photograph of a nickel nanotube according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 나노튜브의 TEM 사진.2 is a TEM photograph of nickel nanotubes according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 니켈 나노튜브 제조를 위한 감압 건조장치를 나타낸 모형도.Figure 3 is a model showing a vacuum drying apparatus for producing a nickel nanotube of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 나노튜브의 엑스레이 회절을 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the X-ray diffraction of the nickel nanotubes according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 니켈 나노막대의 SEM 사진.5 is a SEM photograph of the nickel nanorods prepared according to the comparative example of the present invention.

도 6은 본 발명의 비교예에 따라 제조된 니켈 나노막대의 TEM 사진.6 is a TEM photograph of nickel nanorods prepared according to a comparative example of the present invention.

도 7은 컴퓨터 모사를 통한 LiNiO2 나노튜브의 시뮬레이션 모형도.7 is a simulation model diagram of LiNiO 2 nanotubes by computer simulation.

도 8은 실시예 3에 의해 제조된 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브를 이용한 이차전지의 포텐셜 변화에 따른 충방전 실험8 is a charge / discharge test according to the potential change of the secondary battery using the lithium-added nickel nanotube prepared in Example 3

[도면 부호의 설명][Description of Drawing Reference]

1… 진공 펌프 2… 쿨링 트랩 (cooling trap)One… Vacuum pump 2.. Cooling trap

3… 콕 벨브 (cock valve) 4… 감압 건조부3... Cock valve 4.. Decompression Dryer

5… 시료5... sample

본 발명은 증류수, 음극산화알루미늄(AAO; anodic aluminum oxide) 템플릿 및 니켈 전구체만을 이용하여 경제적이면서도 효율적으로 제조할 수 있는 니켈 나노튜브의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing nickel nanotubes which can be economically and efficiently produced using only distilled water, anodized aluminum oxide (AAO) template and nickel precursor.

음극산화알루미늄(이하에서 "AAO"로 약칭함) 템플릿을 이용한 나노구조체의 합성은 AAO 템플릿에 화학적 증착법을 이용한 탄소나노튜브의 합성, AAO 템플릿의 안벽에 나트륨 나노튜브의 형성, AAO 템플릿을 이용한 LiMn2O4 나노와이어 합성 등 현재까지 많은 시도가 있어 왔다.Synthesis of nanostructures using anodized aluminum oxide (hereinafter abbreviated as "AAO") template, the synthesis of carbon nanotubes using chemical vapor deposition on AAO templates, the formation of sodium nanotubes on the inner walls of AAO templates, LiMn using AAO templates until 2 O 4 nanowires are synthesized such, there has been a lot of attempts.

일반적으로, AAO 템플릿을 이용한 나노구조체의 제조방법(합성법)이 갖는 장점 중 하나는 제작된 나노구조체의 형상이 곧고 균일한 실린더 형태를 가지며 고밀도라는 점이다. AAO 템플릿은 나노튜브/나노막대의 생성반응에 직접적으로 참여하지는 않지만 나노구조체의 물리적인 모양에 많은 영향을 미친다.In general, one of the advantages of the method (synthesis method) of manufacturing a nanostructure using the AAO template is that the shape of the fabricated nanostructure is straight, has a uniform cylinder shape, and has a high density. AAO templates do not directly participate in the formation of nanotubes / nanorods, but they do affect the physical appearance of nanostructures.

상기 나노구조체는 여러 가지 용도로 다양한 산업분야에서 활용될 수 있는데, 대표적인 용도로는 수소를 저장하는 에너지 저장체로서의 역할이다.The nanostructures can be utilized in various industrial fields for various purposes, and the typical use is as an energy storage body for storing hydrogen.

수소는 지구상의 물로부터 얻을 수 있고, 연소 후 다시 물로 재순환됨으로 고갈의 가능성이 거의 없는 무한한 청정자원이다. 이렇듯 수소(에너지)는 연소 시 물 이외의 어떠한 공해물질도 발생시키지 않는 청정에너지이므로 각종 수송수단이나 발전시스템 등 주위의 거의 모든 분야에서 이용이 가능하다.Hydrogen is an infinitely clean resource that can be obtained from water on Earth and is recycled back to water after combustion, with little potential for exhaustion. As such, hydrogen (energy) is a clean energy that does not generate any pollutants other than water during combustion. Therefore, hydrogen (energy) can be used in almost all fields such as various means of transportation or power generation systems.

그러나 이러한 수소에너지의 이용에 있어 한 가지 문제점은 편리하고 경제적이며 안전한 수소저장시스템이 아직 개발되지 못하였다는 점이다.However, one problem with the use of such hydrogen energy is that a convenient, economical and safe hydrogen storage system has not yet been developed.

전통적인 수소저장법 중 하나로 수소를 고압용기 내에 100기압 이상으로 압축·저장하는 물리적 방법이 있으나 이러한 고압용기를 수송수단에 탑재하여 사용하는 것은 안전상 매우 위험하다. 수소를 저장하는 또 다른 물리적 방법으로는 수소를 끓는점(20.3K) 이하의 극저온에서 저장하는 방법이 있는데, 상기 방법은 수소의 저장부피를 상당히 줄여줌으로 많은 양의 수소를 저장할 수 있다는 장점은 있으나 극저온을 유지하기 위한 부대장치(냉동장치)가 필요하게 되므로 경제적인 측면에서 매우 불리하다.As one of the traditional hydrogen storage methods, there is a physical method of compressing and storing hydrogen in a high pressure container at more than 100 atmospheres, but it is very dangerous for safety to mount such a high pressure container on a vehicle. Another physical method of storing hydrogen is to store the hydrogen at a cryogenic temperature below the boiling point (20.3 K), which has the advantage of storing a large amount of hydrogen by significantly reducing the storage volume of hydrogen. It is very disadvantageous from an economic point of view because an auxiliary device (freezing device) is required to maintain the cryogenic temperature.

한편, 수소저장합금을 이용한 화학적 저장방법에 따르면 수소의 저장 효율이 높다는 장점이 있지만, 수소의 저장 및 방출을 반복적으로 수행할 경우 수소 내의 불순물에 의해 수소저장합금의 변형이 수반되고 이로 인해 수소저장용량이 경시적으로 줄어드는 문제점이 있다. 아울러, 합금을 수소저장매체로 사용하므로 단위 부피당 무게가 커져 수송수단에 탑재하여 사용하는 것이 쉽지 않은 단점이 있다.On the other hand, the chemical storage method using the hydrogen storage alloy has the advantage that the storage efficiency of the hydrogen is high, but when the storage and release of hydrogen repeatedly carried out deformation of the hydrogen storage alloy due to impurities in the hydrogen and thus hydrogen storage There is a problem that the capacity decreases over time. In addition, since the alloy is used as a hydrogen storage medium, the weight per unit volume increases, which makes it difficult to mount and use the vehicle.

수소를 저장하는 또 다른 방법으로는 고체물질에 가스상의 수소를 흡착시켜서 저장하는 방법이 있다. 이러한 흡착방법 중 탄소나노튜브나 나노구조의 탄소 재료를 이용한 수소저장방법의 효율에 관한 각종 보고서에 의하면 10중량%를 훨씬 웃도는 수소저장효율을 보여주고 있기는 하나, 이러한 결과들은 재현성이 부족하여 아직도 많은 연구가 진행 중에 있다.Another method of storing hydrogen is to adsorb and store gaseous hydrogen in a solid material. Among the adsorption methods, various reports on the efficiency of hydrogen storage using carbon nanotubes or nanostructured carbon materials show hydrogen storage efficiencies well above 10% by weight, but these results still lack reproducibility. Many studies are in progress.

따라서, 미국 에너지부(DOE)의 수소저장 목표치인 6.5중량% 이상의 수소저장효율과 위에서 언급된 여러 가지 문제점이 배제된 안정성 및 경제성이 확보된 수소저장방법을 개발하기 위해 현재 많은 연구가 진행되고 있다.Therefore, a lot of research is currently being conducted to develop a hydrogen storage method that has a hydrogen storage efficiency of 6.5 wt% or more, which is a target of the US Department of Energy (DOE) hydrogen storage efficiency, and stability and economy without the above-mentioned problems. .

한편, 휴대형 전자정보 통신기기 및 소형기기의 에너지공급원인 리튬이차전지 정극화물질로는 층상구조이거나 그 결정내에 터널형상의 공간을 포함하여 리튬이 출입할 수 있는 산화물로, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4계가 있다. 이중에서 LiNiO2계는 세 가지의 정극물질 중 가장 큰 용량(180>mAh/g)을 나타냄은 물론이고 반복성능과 전해액에 대한 안정성이 뛰어나고 환경친화적인 특성을 가지고 있다. 리튬니켈계 산화물은 현재 시장에 확산되어 있는 리튬코발트계 산화물에 비해 특성 및 가격면에서 우수하므로 급속한 전자부품의 소형화, 경량화 추세로 볼 때 곧 많은 수요가 창출될 것으로 전망되며 무엇보다도 각종 휴대형 소형 전자기기에 적합한 전력원이 될 것으로 기대된다. 더욱이, 리튬니켈계 산화물은 에너지용량 및 밀도면에서 다른 정극재료보다 월등하여 그 점유면적이 작아 소형전자기기의 전원은 물론 차세대 전기자동차의 동력원으로도 사용이 가능할 것으로 보인다. 실용화에 앞서서 안전성 및 제조의 용이성등이 해결된다면 현재 사용되고 있는 리튬이온전지의 정극재료로 대체될 것이고, 차후에는 차차세대 이차전지인 리튬폴리머전지에 까지 확대될 것으로 전망된다. 이제까지 나노튜브를 이차전지의 정극화물질로 이용한 예는 없었다.On the other hand, as a lithium secondary battery positive polarization material that is a source of energy for portable electronic information communication devices and small devices, it is an oxide to which lithium can enter and exit, including a layered structure or a tunnel-shaped space in its crystal. LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn There is a 2 O 4 system. Among them, LiNiO 2 system has the largest capacity (180> mAh / g) among the three positive electrode materials, as well as excellent repeatability and stability against electrolyte and environmentally friendly characteristics. Lithium nickel-based oxide is superior in characteristics and price compared to lithium cobalt-based oxide, which is currently spreading in the market. Therefore, it is expected that demand will soon be generated in view of rapid miniaturization and light weight of electronic components. It is expected to be a suitable power source for the equipment. Moreover, lithium nickel-based oxides are superior to other positive electrode materials in terms of energy capacity and density, and their occupancy area is small, and thus they may be used as power sources for next-generation electric vehicles as well as power supplies for small electronic devices. If the safety and ease of manufacture are resolved prior to commercialization, it will be replaced by the positive electrode material of the lithium ion battery currently used, and will be extended to the lithium polymer battery, the next generation secondary battery. Until now, there have been no examples of using nanotubes as positive electrode materials for secondary batteries.

본 발명의 기술적 과제 중 하나는 증류수, 니켈 전구체 및 음극산화알루미늄 템플릿만을 이용하여 온화한 조건에서 균일한 나노 크기의 기공(pore)을 갖는 니켈 나노튜브를 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.One of the technical problems of the present invention is to provide a method for efficiently producing nickel nanotubes having uniform nano-sized pores under mild conditions using only distilled water, nickel precursors, and anodized aluminum templates. have.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 제조방법에 의하여 제조된 리튬이 포함된 니켈 나노튜브를 이용하여 충방전 결과가 우수한 리튬이차전지의 정극화물질을 제공하는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a positive polarization material of a lithium secondary battery having excellent charge and discharge results using nickel nanotubes containing lithium manufactured by the manufacturing method.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 AAO 템플릿을 니켈 전구체의 수용액에 담가 니켈 전구체가 AAO 템플릿에 흡착되도록 하는 침지과정 ; 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 수용액상에서 분리한 후 감압 건조하여 AAO에 흡착된 니켈 전구체 를 제외한 나머지 부분을 제거하는 감압건조 과정 ; 건조된 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 산소 존재 하에서 열처리하여 표면에 흡착된 니켈 전구체를 산화시키는 산화과정 ; 상기 산화된 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 NaOH 또는 KOH 수용액에 담가 AAO 템플릿만을 용해하는 용해과정 ; 상기 용해과정에서 생성된 AAO 용액과 고체 형태의 니켈 나노튜브를 고·액분리하는 필터링과정 ; AAO로부터 분리된 니켈 나노튜브를 건조하는 건조과정 ; 및 건조과정에서 수분이 제거된 니켈 나노튜브를 하소하여 불순물을 제거하는 하소과정 ;을 통해 니켈 나노튜브가 제조되는 것을 특징으로 한다. The present invention for solving the above problems is an immersion process soaking the AAO template in an aqueous solution of a nickel precursor so that the nickel precursor is adsorbed to the AAO template; A vacuum drying process of separating the AAO template to which the nickel precursor is adsorbed in an aqueous solution and then drying under reduced pressure to remove the remaining portions except the nickel precursor adsorbed to the AAO; An oxidation process of oxidizing the nickel precursor adsorbed on the surface by heat-treating the AAO template to which the dried nickel precursor is adsorbed; Dissolution process of soluble litter only AAO template the AAO template the nickel oxide precursor is adsorbed to the NaOH or KOH aqueous solution; A filtering step of solid-liquid separation between the AAO solution produced in the dissolution process and the nickel nanotubes in a solid form; Drying process of drying nickel nanotubes separated from AAO; And a calcination process of removing impurities by calcining the nickel nanotubes from which moisture is removed during the drying process.

본 발명에 의한 니켈나노튜브의 제조에 사용되는 상기 니켈전구체로는 본 실시예에서는 Ni(NO3)2·6H2O을 사용하였으나, AAO 템플릿에 흡착되어 건조과정에서 산화니켈(nickel oxide)을 형성할 수 있으며, 증류수에 용해가 가능한 것이라면 어느 것이나 무방하며 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, NiCl2·H2O와 같은 다른 니켈염 역시 니켈 나노튜브의 제조에 사용될 수 있음은 당업자에게는 당연하다.As the nickel precursor used in the production of nickel nanotubes according to the present invention, Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was used in this embodiment, but the nickel oxide was adsorbed on an AAO template to dry the nickel oxide. It may be formed, and any one that can be dissolved in distilled water is not limited thereto. That is, it is obvious to those skilled in the art that other nickel salts such as NiCl 2 H 2 O may also be used in the production of nickel nanotubes.

AAO 템플릿은 기공 크기(pore size)가 180~250㎚이고 두께가 40~80㎛인 AAO 템플릿을 사용하는 것이 바람직하다. 실시예에 구체적으로 기재하지는 않았으나, 평균 기공이 180nm 이하인 템플릿을 사용하면 튜브의 모양이 제대로 형성되지 않고 나노 사이즈의 입자들로 구성된 막대의 형상을 나타내었다. 반면 기공이 250nm 이상의 AAO 템플릿은 나노구조체, 특히 에너지 저장체로 사용하기 위한 나노구조체를 형성을 위해서는 기공의 크기가 너무 커서 의미가 없다. As the AAO template, it is preferable to use an AAO template having a pore size of 180 to 250 nm and a thickness of 40 to 80 μm. Although not specifically described in the examples, the use of a template with an average porosity of 180 nm or less showed the shape of a rod composed of nano-sized particles without properly forming the tube. On the other hand, the AAO template with a pore size of 250 nm or more is meaningless because the pore size is too large to form a nanostructure, particularly a nanostructure for use as an energy storage body.

상기 침지과정에서 니켈 전구체의 사용량은 AAO 템플릿의 0.174g 당 10~50mmol을 사용하는 것이 바람직하다. 니켈 전구체의 양이 너무 적으면 AAO 템플릿에 충분히 흡착되지 않으며, 양이 많을 경우에는 과량의 니켈 전구체는 제거되므로 나노튜브의 제조에는 영향을 미치지 않으나 경제적인 관점에서 효율이 저하된다. 니켈 전구체는 액상으로 만들기 위하여 증류수에 녹여서 사용하며, 이때, 증류수는 니켈 전구체를 녹일 수 있는 최소량을 사용하는 것이 바람직하며 일반적으로는 1~5M 농도의 수용액을 사용하는 것이 좋다. 니켈 전구체의 수용액의 농도가 너무 묽으면, AAO 템플릿에 효과적으로 흡착되지 않을 수 있으며, 또한 정제수 내에 소량으로 존재하는 불순물이 나노튜브 형성에 영향을 미칠 우려가 있다. 상기 침지과정은 상온에서 1~5시간 이루어 지는 것이 바람직하다. The amount of nickel precursor used in the immersion process is preferably used 10 ~ 50mmol per 0.174g of AAO template. If the amount of the nickel precursor is too small, it will not be sufficiently adsorbed on the AAO template. If the amount is too large, the excess nickel precursor is removed, which does not affect the production of nanotubes, but the efficiency is lowered from an economic point of view. Nickel precursor is used by dissolving in distilled water to make the liquid phase, in this case, it is preferable to use the minimum amount that can dissolve the nickel precursor, it is generally preferred to use an aqueous solution of 1 ~ 5M concentration. If the concentration of the aqueous solution of the nickel precursor is too thin, it may not be effectively adsorbed on the AAO template, and there is a fear that impurities present in the purified water in a small amount affect the nanotube formation. The immersion process is preferably made 1 to 5 hours at room temperature.

상기 감압건조과정은 40~80℃ 온도 범위내에서 2~5시간동안 이루어지는 것이 바람직하다. 건조온도가 너무 낮거나, 건조 시간이 너무 짧으면 건조가 충분히 이루어지지 않는다. 비교예에서 확인할 수 있듯이, AAO 템플릿에 잔류하는 수분을 감압 건조한 후 산화시켜야만 니켈 나노튜브가 제조되며, 수분이 충분히 감압 건조되지 않으면 나노튜브가 형성되지 않고 나노막대가 형성된다. 나노튜브는 속이 비어있는 상태이므로 표면적이 넓기 때문에 물리 흡착을 할 수 있는 유효면적이 넓은 반면, 나노 막대는 막대의 표면에서만 반응할 수 있으므로 나노튜브에 비해 응용 범위가 낮다. 감압 건조 시 건조온도가 높거나, 건조시간이 길어지는 것은 나노튜브 형상의 제조에는 영향을 미치지 않으나, 효율이 저하되는 문제점이 있다.The reduced pressure drying process is preferably made for 2 to 5 hours in the temperature range of 40 ~ 80 ℃. If the drying temperature is too low, or the drying time is too short, drying does not occur sufficiently. As can be seen in the comparative example, the moisture remaining in the AAO template is dried under reduced pressure and oxidized to produce nickel nanotubes, and if the moisture is not sufficiently dried under reduced pressure, nanotubes are not formed and nanorods are formed. Since the nanotubes are hollow and have a large surface area, they have a large effective area for physical adsorption, while nanorods can react only on the surface of the rod, and thus have a lower application range than nanotubes. High drying temperature or long drying time at reduced pressure drying does not affect the production of the nanotube shape, but there is a problem that the efficiency is lowered.

니켈 전구체를 산화시키기 위한 상기 산화과정은 흡착된 니켈 전구체를 충분 히 산화시킬 수 있도록 산소 존재 하의 온도 80~150℃ 범위 내에서 1~4시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 "산소 존재 하"라는 의미는 열처리 시 니켈 전구체와 반응할 산소가 있어야 한다는 것을 의미하는 것이다. 따라서, 산소의 공급을 위해서는 산소 gas를 건조기 내부에 충진시켜 열처리 할 수도 있으나 경제적인 부담이 따르므로 단순히 공기 존재 하에서 열처리하는 것만으로도 충분하다.The oxidation process for oxidizing the nickel precursor is preferably carried out for 1 to 4 hours in the temperature range 80 ~ 150 ℃ in the presence of oxygen to sufficiently oxidize the adsorbed nickel precursor. The term "in the presence of oxygen" means that there must be oxygen to react with the nickel precursor during the heat treatment. Therefore, in order to supply oxygen, the oxygen gas may be filled in the dryer to be heat treated, but economical burden is required, so simply heat treatment in the presence of air is sufficient.

상기 용해과정에서 사용되는 NaOH 또는 KOH 수용액의 농도는 1~5M 수용액인 것이 바람직하며, AAO 템플릿을 충분히 용해시킬 수 있도록 AAO 0.174g 당 50mL 이상의 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.The concentration of NaOH or KOH aqueous solution used in the dissolution process is preferably 1 ~ 5M aqueous solution, it is preferable to use an aqueous solution of 50mL or more per 0.174g of AAO to sufficiently dissolve the AAO template.

용해과정을 거쳐 용액 상태로 된 AAO 템플릿은 고체상태로 남아있는 니켈 나노튜브와 필터링과정을 거쳐 분리된다. AAO 템플릿이 녹아 있는 NaOH 또는 KOH 용액이 나노튜브에 잔류하지 않도록, 필터링 과정에서 정제수를 사용하여 충분히 세척한다.The AAO template, which is dissolved and dissolved in solution, is separated from the nickel nanotubes that remain in the solid state and filtered. In order to prevent the NaOH or KOH solution in which the AAO template is dissolved, remain in the nanotubes, it is sufficiently washed with purified water during the filtering process.

본 발명에 의한 상기의 필터링과정을 통해 얻어진 니켈 나노튜브는 여과 시 수분이 소량 잔류하고 있으므로 이를 제거하기 위하여 80~150℃범위 내에서 1~4시간 동안 처리하여 건조한다. 건조 후 450~550℃ 온도 범위 내에서 2~3시간 하소하면 보다 효율적으로 수분할 수 있을 뿐 아니라 잔류하는 불순물을 제거할 수 있다.Nickel nanotubes obtained through the filtering process according to the present invention is dried by treating for 1 to 4 hours within the range of 80 ~ 150 ℃ in order to remove this because a small amount of water remaining during filtration. After drying, calcining for 2 to 3 hours in the 450 ~ 550 ℃ temperature range can not only moisturize more efficiently, but also remove the remaining impurities.

상기 건조과정과 하소과정을 통해 얻어진 산화니켈 나노튜브는 리튬 전구체를 증류수에 용해시킨 용액에 담근 후, 리튬이 흡착된 니켈 나노튜브만을 분리하여 감압건조한다. 리튬이 흡착된 니켈 나노튜브는 산소존재하에서 80~150℃ 범위 내에서 1~4시간 열처리하여 산화시킨 후, 450~550℃ 전기로에서 2~3시간 하소시키는 과정을 거쳐 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브를 제조할 수 있다. The nickel oxide nanotubes obtained through the drying process and the calcination process are immersed in a solution in which a lithium precursor is dissolved in distilled water, and then dried under reduced pressure by separating only lithium nanoparticles adsorbed. Lithium-adsorbed nickel nanotubes are oxidized by heat treatment for 1 to 4 hours in the range of 80 to 150 ° C in the presence of oxygen, and then calcined at 450 to 550 ° C electric furnace for 2 to 3 hours. Can be prepared.

상기 리튬 전구체는 리튬의 수산화물, 할로겐화물, 질산염, 탄산염 또는 황산염일 수 있으며, 니켈 나노튜브 : 리튬 전구체의 몰 비가 1 : (0.1~5)인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 리튬 전구체가 니켈 나노튜브에 대해 1 : (1~3)의 몰 비로 첨가되는 것이다. 본 발명에 의한 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브는 리튬이온 2차 전지 물질로 응용이 가능하다. The lithium precursor may be a hydroxide, halide, nitrate, carbonate or sulfate of lithium, and the molar ratio of nickel nanotube: lithium precursor is preferably 1: 0.1. More preferably, the lithium precursor is added in a molar ratio of 1: (1-3) to the nickel nanotubes. Lithium-added nickel nanotubes according to the present invention can be applied as a lithium ion secondary battery material.

이하, 첨부된 도면과 아래 실시예를 참조하여 본 발명의 구성 및 작용·효과를 상세히 설명한다. 여기서, 아래 실시예는 예시적인 것일 뿐 본 발명의 보호범위가 아래 실시예의 범위로 축소·한정되어서는 아니 될 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings and the following examples will be described in detail the configuration, operation, and effects of the present invention. Here, the following examples are merely illustrative, and the protection scope of the present invention should not be reduced or limited to the scope of the following examples.

실시예 1 : 니켈 나노튜브의 제조Example 1 Preparation of Nickel Nanotubes

니켈 나노튜브를 위한 전구체로서 Aldrich사의 Nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate, crystal (Ni(NO3)2·6H2O)을 사용하였고 나노튜브의 주형체로는 Whatman사의 anodisc 47을 사용하였다. Anodisc 47의 주성분은 산화 알루미늄(anodisc aluminum oxide, AAO)이다. Whatman사의 anodisc 47의 주요한 물리적 성질은 표 1에 나타내었다. Aldrich's Nickel (II) nitrate hexahydrate and crystal (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) were used as precursors for nickel nanotubes, and Whatman's anodisc 47 was used as a template for nanotubes. The main component of Anodisc 47 is aluminum oxide (anodisc aluminum oxide, AAO). The major physical properties of Whatman's anodisc 47 are shown in Table 1.

Figure 112006072961904-pat00001
Figure 112006072961904-pat00001

먼저 nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate 6.32g을 증류수 10g에 녹인 후 0.174g의 AAO 템플릿을 위의 혼합용액에 2시간 동안 담가두었다. 그 후 AAO 템플릿을 용액에서 분리하고, AAO 템플릿과 흡착되지 않은 nickel(Ⅱ) nitrate 용액을 제거하기 위하여 40℃의 감압 건조기에서 4시간 동안 건조하였다. 건조된 AAO 템플릿은 충분히 산화시키기 위하여 공기분위기하의 100℃ 온도에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 AAO 템플릿에서 니켈 나노튜브만을 얻기 위해서 1M NaOH 용액에 3시간 동안 담근후 NaOH 용액에 녹은 알루미나 멤브레인을 증류수로 수차례 반복하여 제거하였다. 필터링 후 얻어진 니켈 나노튜브는 공기분위기하에서 100℃ 온도의 건조기에서 3시간 건조하고, 건조된 니켈 나노튜브를 500℃ 공기분위기하의 전기로에서 2시간 하소시키는 과정을 거쳐 작은 나노입자로 튜브의 벽을 이룬 니켈 나노튜브를 제조하였다.First, 6.32 g of nickel (II) nitrate hexahydrate was dissolved in 10 g of distilled water, and 0.174 g of AAO template was soaked in the mixed solution for 2 hours. The AAO template was then separated from the solution and dried for 4 hours in a reduced pressure dryer at 40 ° C. to remove the AAO template and the non-adsorbed nickel (II) nitrate solution. The dried AAO template was dried for 2 hours at a temperature of 100 ℃ under an air atmosphere to sufficiently oxidize. In order to obtain only nickel nanotubes from the dried AAO template, the alumina membrane dissolved in NaOH solution was removed several times with distilled water after immersion in 1M NaOH solution for 3 hours. The nickel nanotubes obtained after the filtering were dried in an air atmosphere at a temperature of 100 ° C. for 3 hours, and the dried nickel nanotubes were calcined at an electric furnace under a 500 ° C. air atmosphere for 2 hours to form a wall of tubes with small nanoparticles. Nickel nanotubes were prepared.

첨부된 도 1 및 2는 본 실시예의 제조방법에 따라 만들어진 니켈 나노튜브의 SEM(Scanning Electron Microscopy)사진과 TEM(Transmission Electron Microscopy)사진을 나타낸 것으로서, 동 사진에서 보듯이 본 실시예에서 제조된 니켈 나노튜브는 많은 나노크기의 작은 입자들로 튜브의 벽을 이루며 일정한 크기를 갖고 있을 뿐 아니라 표면적도 매우 넓어 수소를 저장하기에 매우 유리한 구조임을 알 수 있었다.1 and 2 are views showing SEM (Scanning Electron Microscopy) and TEM (Transmission Electron Microscopy) photographs of nickel nanotubes prepared according to the manufacturing method of the present embodiment. Nanotubes have many nano-sized small particles that form a wall of the tube, have a certain size, and have a very large surface area, which is very advantageous for storing hydrogen.

도 3은 본 실시예의 니켈 나노튜브 제조를 위한 감압 건조장치를 나타낸 모형도이다. 쿨링 트랩에는 감압건조시 진공펌프의 오염을 막기 위해 액체질소를 채우고, 감압건조부에 니켈이 흡착된 AAO 템플릿을 넣은 후 진공펌프를 작동시켜서 AAO 템플릿내의 흡착되지 않은 니켈 전구체들을 제거한다.Figure 3 is a model showing a pressure reduction drying apparatus for producing a nickel nanotube of the present embodiment. The cooling trap is filled with liquid nitrogen to prevent contamination of the vacuum pump during the vacuum drying, and the nickel-adsorbed AAO template is placed in the vacuum drying chamber and the vacuum pump is operated to remove the non-adsorbed nickel precursors in the AAO template.

도 4는 실시예의 제조방법에 따라 만들어진 니켈 나노튜브의 XRD(X-Ray Diffraction) 결과를 나타내며 제조된 니켈 나노튜브는 NiO의 구조를 갖는 것을 알수 있었다. Figure 4 shows the XRD (X-Ray Diffraction) results of the nickel nanotubes made according to the manufacturing method of the embodiment, it can be seen that the prepared nickel nanotubes have a structure of NiO.

비교 예 : 니켈 나노막대의 제조Comparative Example: Preparation of Nickel Nanorods

니켈 전구체로는 Aldrich사의 Nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate, crystal (Ni(NO3)2·6H2O)을 사용하였고 나노막대의 주형체로는 Whatman사의 anodisc 47을 사용하였다. 먼저 Nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate 6.32g을 증류수 10g에 녹인 후 0.174g의 AAO 템플릿을 위의 혼합용액에 2시간 동안 담가두었다. 그 후 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 상온하에서 2시간 동안 건조한 후 건조된 AAO 템플릿은 충분히 산화시키기 위하여 공기분위기하의 100℃ 온도에서 2시간 동안 건조시켰다. 건조된 AAO 템플릿에서 니켈 나노막대만을 얻기 위해서 1M NaOH 용액 60mL에 3시간 동안 담근 후 NaOH 용액에 녹은 알루미나 멤브레인을 증류수로 수차례 반복하여 제거하였다. 필터링 후 얻어진 니켈 나노막대는 공기분위기하에서 100℃ 온도의 건조기에서 3시간 건조시켰다. 건조된 니켈 나노막대를 500℃ 공기분위기하의 전기로에서 2시간 하소시키는 과정을 거쳐 작은 나노입자로 이루어진 니켈 나노막대를 제조하였다. Nickel precursors were Nickel (II) nitrate hexahydrate and crystal (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) from Aldrich, and Whatman's anodisc 47 was used as a template for the nanorods. First, 6.32g of Nickel (II) nitrate hexahydrate was dissolved in 10g of distilled water, and 0.174g of AAO template was soaked in the mixed solution for 2 hours. Thereafter, the AAO template to which the nickel precursor was adsorbed was dried at room temperature for 2 hours, and then the dried AAO template was dried at 100 ° C. under an air atmosphere for 2 hours to sufficiently oxidize. To obtain only nickel nanorods from the dried AAO template, after dipping in 60 mL of 1M NaOH solution for 3 hours, the alumina membrane dissolved in NaOH solution was repeatedly removed several times with distilled water. The nickel nanorods obtained after the filtering were dried for 3 hours in a dryer at 100 ° C. under an air atmosphere. The dried nickel nanorods were calcined in an electric furnace under a 500 ° C. air atmosphere for 2 hours to prepare nickel nanorods made of small nanoparticles.

첨부된 도 5 및 6은 본 비교예의 제조방법에 따라 만들어진 니켈 나노막대의 SEM(Scanning Electron Microscopy)사진과 TEM(Transmission Electron Microscopy)사진을 나타낸 것으로서, 동 사진에서 보듯이 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 상온하에서 건조시켰을때에는 나노튜브의 형상이 아닌 많은 나노크기의 플레이크들이 나노막대를 구성하는 것을 알 수 있었다.5 and 6 show SEM (Scanning Electron Microscopy) and TEM (Transmission Electron Microscopy) photographs of the nickel nanorods made according to the manufacturing method of the comparative example, and the AAO template to which the nickel precursor is adsorbed as shown in the photographs. When dried at room temperature, many nano-sized flakes, not the shape of nanotubes, were found to form nanorods.

실시예 2 : 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브Example 2: Nickel Nanotubes with Lithium Added

실시예 1에서 제조된 니켈 나노튜브를 Lithium nitrate(LiNO3) 수용액에 2시간 동안 담근 후 리튬이 흡착된 니켈 나노튜브만을 분리하여 40℃로 유지되는 감압건조기에서 4시간 동안 건조시켰다. 그 후 리튬이 흡착된 니켈 나노튜브는 공기분위기하에서 100℃ 온도의 건조기에서 3시간 건조하고, 건조된 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브를 500℃ 공기분위기하의 전기로에서 2시간 하소시키는 과정을 거쳐 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브를 제조하였다. The nickel nanotubes prepared in Example 1 were immersed in an aqueous Lithium nitrate (LiNO 3 ) solution for 2 hours, and only lithium-adsorbed nickel nanotubes were separated and dried in a reduced pressure dryer maintained at 40 ° C. for 4 hours. Afterwards, the lithium-adsorbed nickel nanotubes were dried for 3 hours in a dryer at 100 ° C under an air atmosphere, and the lithium nanotubes were calcined for 2 hours in an electric furnace under a 500 ° C air atmosphere. Added nickel nanotubes were prepared.

위와 같은 방법으로 제조된 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브는 에너지 최소화를 통한 molecular dynamic 방법으로 시뮬레이션 하였다.Lithium-added nickel nanotubes prepared by the above method were simulated by molecular dynamic method through energy minimization.

도 7은 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 LiNiO2 나노튜브의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 산화 니켈 나노튜브 내의 공간 내에 리튬이온이 존재하는 것을 알 수 있다.FIG. 7 shows simulation results of LiNiO 2 nanotubes through computer simulation, and it can be seen that lithium ions exist in the space in the nickel oxide nanotubes.

실시예 3 : 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브를 이용한 이차전지의 전기용량 실험Example 3 Capacitance Experiment of Secondary Battery Using Lithium-Added Nickel Nanotubes

실시예 2에서 제조한 리튬이 첨가된 니켈 산화물 나노튜브와 Super P Black 및 PVDF(Polyvinylidine Difluoride)를 85:10:5의 중량비율로 혼합하고 결합제로 상기 PVDF의 농도가 4 중량%가 되도록 NMP(N-Methyl-2-Pyroridone)를 사용하여 상기 혼합물을 용해시켜 전극 합제를 제조하고 10㎛ 두께의 구리 박막에 단면 도포하였다. 도포 후 100℃에서 10시간 건조한 후 상온으로 냉각하여 60㎛ 두께를 40㎛로 약 70% 수준으로 압착하였다. 직경 10mm의 디스크를 사용하여 타발하고 리튬 상대전극(FMC)와 격리막(Tonen)을 사용하여 2032 전지를 구성하였다.Lithium-added nickel oxide nanotubes prepared in Example 2 were mixed with Super P Black and PVDF (Polyvinylidine Difluoride) at a weight ratio of 85: 10: 5, and NMP (4% by weight) was used as a binder to obtain a concentration of 4 wt% of PVDF. N-Methyl-2-Pyroridone) was used to dissolve the mixture to prepare an electrode mixture and cross-sectional coating on a 10 μm thick copper thin film. After application, the coating was dried at 100 ° C. for 10 hours, cooled to room temperature, and pressed to a thickness of about 70% at 60 μm at 40 μm. A 2032 cell was constructed using a 10 mm diameter disk and a lithium counter electrode (FMC) and a separator (Tonen).

상기 방법에 의해 제조된 리튬이차전지에 대한 전기용량 실험에 의해 충방전 특성을 조사하고 그 결과를 도 8에 도시하였다. 실시예 2에서 제조된 화합물은 XRD 상으로는 Li의 존재 유무를 명확히 판별할 수 없었고, NiO의 회절 패턴만을 얻을 수 있었다(데이터 미도시). 만일 실시예 2의 나노 튜브내에 리튬이 존재하지 않는 경우 이차전지 충방전 실험에서 충방전 현상이 나타나지 않을 것이므로, 도 8의 충방전 결과로부터 실시예 2의 나노튜브는 리튬이 첨가된 나노튜브임을 입증할 수 있었다.Charge and discharge characteristics were investigated by capacitive experiment on the lithium secondary battery manufactured by the above method, and the results are shown in FIG. 8. The compound prepared in Example 2 could not clearly determine the presence or absence of Li on the XRD, and only a diffraction pattern of NiO could be obtained (data not shown). If lithium is not present in the nanotubes of Example 2, the charging / discharging phenomenon will not appear in the secondary battery charging / discharging experiments. Could.

도 8에서 볼 수 있듯이, 상기 2차 전지의 최대 전압은 4.2V로 측정되었고, 평균전압은 3.5V정도였다.As can be seen in Figure 8, the maximum voltage of the secondary battery was measured at 4.2V, the average voltage was about 3.5V.

본 발명에 따르면, 니켈 나노튜브의 제조 시 증류수, 니켈금속의 전구체 및 AAO 템플릿만을 이용하여 온화한 조건에서 일정 크기의 나노튜브를 제조할 수 있다.According to the present invention, nanotubes of a certain size may be manufactured under mild conditions using only distilled water, a precursor of nickel metal, and an AAO template.

또한, 본 발명의 제조방법으로 수득한 니켈 나노튜브에 의하면, 비표면적이 매우 넓어 상대적으로 적은 부피 내에 대량으로 수소를 저장할 수 있고 이를 안전하게 수송할 수 있다. 따라서, 수소 에너지 저장체로서의 역할은 물론 리튬 2차 전지의 전극으로도 사용이 가능하다.In addition, according to the nickel nanotube obtained by the production method of the present invention, the specific surface area is very large, it is possible to store hydrogen in a large amount in a relatively small volume and transport it safely. Therefore, it can be used not only as a hydrogen energy storage body but also as an electrode of a lithium secondary battery.

Claims (6)

(A) AAO 템플릿을 니켈 전구체의 수용액에 담가 니켈 전구체가 AAO 템플릿에 흡착되도록 하는 침지과정 ; (A) an immersion process in which the AAO template is immersed in an aqueous solution of the nickel precursor so that the nickel precursor is adsorbed on the AAO template; (B) 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 수용액상에서 분리한 후 감압 건조하여 AAO에 흡착된 니켈 전구체를 제외한 나머지 부분을 제거하는 감압건조과정 ; (B) a reduced pressure drying process of separating the AAO template to which the nickel precursor is adsorbed in an aqueous solution and then drying under reduced pressure to remove the remaining portions except the nickel precursor adsorbed to the AAO; (C) 건조된 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 산소 존재 하에서 열처리하여 표면에 흡착된 니켈 전구체를 산화시키는 산화과정 ; (C) an oxidation process of oxidizing the nickel precursor adsorbed on the surface by heat-treating the AAO template to which the dried nickel precursor is adsorbed in the presence of oxygen; (D) 상기 산화된 니켈 전구체가 흡착된 AAO 템플릿을 NaOH 또는 KOH 수용액에 담가 AAO 템플릿만을 용해하는 용해과정 ; (D) dissolving step of dissolving only the litter AAO template the AAO template the nickel oxide precursor is adsorbed to the NaOH or KOH aqueous solution; (E) 상기 용해과정에서 생성된 AAO 용액과 고체 형태의 니켈 나노튜브를 고·액분리하는 필터링과정 ; (E) a filtering step of solid-liquid separation of the AAO solution produced in the dissolution step and the nickel nanotubes in a solid form; (F) AAO로부터 분리된 니켈 나노튜브를 건조하는 건조과정 ; 및(F) drying process of drying nickel nanotubes separated from AAO; And (G) 건조과정에서 수분이 제거된 니켈 나노튜브를 하소하는 하소과정 ;을 포함하는 니켈 나노튜브의 제조방법.(G) a calcination process of calcining the nickel nanotubes from which moisture is removed during the drying process. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 니켈 전구체는 Ni(NO3)2·6H2O인 것을 특징으로 하는 니켈 나노튜브의 제조방법.The nickel precursor is Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O The method of manufacturing nickel nanotubes, characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 음극산화알루미늄 템플릿은 기공 크기(pore size)가 180~250㎚, 두께가 40~80㎛인 것을 특징으로 하는 니켈 나노튜브의 제조방법.The cathode aluminum oxide template has a pore size (pore size) of 180 ~ 250nm, the thickness of the manufacturing method of nickel nanotubes, characterized in that 40 ~ 80㎛. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 감압건조과정은 40~80℃ 온도 범위내에서 2~5시간동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 니켈 나노튜브의 제조방법.The reduced pressure drying process is a method for producing nickel nanotubes, characterized in that made for 2 to 5 hours in the temperature range of 40 ~ 80 ℃. (A) 제 1 항에 의해 얻어진 니켈 나노튜브에 함침법으로 리튬 전구체와 물을 각각 첨가하여 이온교환을 수행하여 리튬을 첨가시키는 이온교환과정 ;(A) the ion exchange process of performing ion exchange by addition of a lithium precursor and water respectively into the nickel impregnation nanotubes obtained by the claim 1 by the addition of lithium; (B) 상기 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브를 감압건조하는 감압건조과정 ; (B) a reduced pressure drying process of drying the lithium-added nickel nanotubes under reduced pressure ; And (C) 상기 과정에서 니켈나노튜브에 첨가된 리튬 전구체를 열처리하여 산화시키는 산화과정 ;(C) an oxidation process of oxidizing the lithium precursor added to the nickel nanotubes in the above process by heat treatment; (D) 450~550℃에서 하소시키는 하소과정 ;을 순차적으로 거치는 것을 특징으로 하는 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브의 제조방법.(D) calcining process to be calcined at 450 ~ 550 ℃; method of producing a lithium-added nickel nanotubes characterized in that the pass sequentially. 제 5 항에 의한 리튬이 첨가된 니켈 나노튜브를 정극화물질로 사용하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.A secondary battery comprising the nickel nanotube to which lithium according to claim 5 is added as a positive electrode material.
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