KR100775949B1 - Carbon nanofibrils, preparation method thereof, and uses thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 결정성을 가지면서도 크림프(crimp)성 및 엉킴성이 매우 높아 이온 또는 분자를 용이하게 확산 이동시킬 수 있는 탄소 나노피브릴 및 그 집합체, 그의 제조방법 및 그 용도에 관한 것이다. 상기 탄소 나노피브릴은 3차원적 망상형 고차 구조를 가진다. 상기 탄소 나노피브릴은 a) 탄소 전구물질와 금속 및 반금속으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매 또는 촉매화합물을 혼합하여 균일한 탄소 전구물질/촉매 하이브리드 전구체를 제조하고, b) 상기 전구체를 열처리하여 내부에 촉매 또는 촉매화합물을 함유하는 나노피브릴 형태의 탄소를 제조하고, c) 상기 제조된 탄소에서 촉매 또는 촉매화합물을 제거하는 공정에 의하여 제조될 수 있다.The present invention relates to carbon nanofibrils and aggregates thereof, a method for producing the same, and a use thereof, which have high crystallinity and very high crimping properties and entanglement, which can easily diffuse and transfer ions or molecules. The carbon nanofibrils have a three-dimensional network type higher order structure. The carbon nanofibrils are a) a carbon precursor and a catalyst or a catalyst compound selected from the group consisting of metals and semimetals to prepare a uniform carbon precursor / catalyst hybrid precursor, b) heat the precursor to the inside It may be prepared by the process of preparing a carbon in the form of nanofibrils containing a catalyst or a catalyst compound, c) removing the catalyst or catalyst compound from the prepared carbon.

고결정성, 고엉킴성, 고크림프성, 탄소 나노피브릴 및 그 집합체, 리튬 전지 음극재, 에너지 저장재 High crystallinity, entanglement, high crimpability, carbon nanofibrils and aggregates thereof, lithium battery negative electrode material, energy storage material

Description

탄소 나노피브릴, 그의 제조방법 및 이의 용도{CARBON NANOFIBRILS, PREPARATION METHOD THEREOF, AND USES THEREOF}Carbon nanofibrils, preparation methods thereof and uses thereof {CARBON NANOFIBRILS, PREPARATION METHOD THEREOF, AND USES THEREOF}

도 1는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴 집합체의 X-선 회절 스펙트럼이다. 1 is an X-ray diffraction spectrum of carbon nanofibrils aggregate prepared according to Example 2 of the present invention.

도 2a는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴 집합체의 질소 흡탈착 등온선을 보여주는 그래프이다.Figure 2a is a graph showing the nitrogen adsorption and desorption isotherm of the carbon nanofibrils aggregate prepared according to Example 2 of the present invention.

도 2b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴 집합체의 기공크기 분포를 보여주는 그래프이다.Figure 2b is a graph showing the pore size distribution of the carbon nanofibrils aggregate prepared according to Example 2 of the present invention.

도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 저배율의 투과전자 현미경사진이다. Figure 3a is a low magnification transmission electron micrograph of carbon nanofibrils prepared according to Example 1 of the present invention.

도 3b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 확대된 투과전자 현미경사진이다.3B is an enlarged transmission electron micrograph of carbon nanofibrils prepared according to Example 1 of the present invention.

도 3c는 자연계에 존재하는 면(cotton)의 피브릴 집합체 사진 및 면의 구성요소인 마이크로 피브릴 구조를 나타낸 그림이다.FIG. 3C is a picture showing a fibrill aggregate photograph of cotton existing in nature and a microfibrils structure which is a component of the cotton.

도 4a는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 투과전자 현미경사진이다.4A is a transmission electron micrograph of carbon nanofibrils prepared according to Example 2 of the present invention.

도 4b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 고 분해능 투 과전자 현미경사진이다.4B is a high resolution transmission electron micrograph of carbon nanofibrils prepared according to Example 2 of the present invention.

도 5a는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 리튬저장 특성을 보여주는 충방전 그래프이다.5A is a charge / discharge graph showing lithium storage characteristics of carbon nanofibrils prepared according to Example 2 of the present invention.

도 5b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 싸이클 특성을 보여주는 그래프이다.5B is a graph showing cycle characteristics of carbon nanofibrils prepared according to Example 2 of the present invention.

본 발명은 높은 결정성을 가지면서도 크림프(crimp)성 및 엉킴성이 매우 높아 이온 및 분자 등의 확산 이동을 용이하게 할 수 있는 탄소 나노피브릴, 그 집합체, 그의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다. The present invention relates to carbon nanofibrils, aggregates thereof, methods for preparing the same, and uses thereof, which have high crystallinity and have very high crimping properties and entanglement, which can facilitate diffusion and migration of ions and molecules. .

탄소나노물질은 다양한 응용성, 즉 배터리, 커패시터 및 연료전지 등에서 이온이나 분자들을 저장할 수 있는 저장체 혹은 촉매지지체로서 사용되어 왔고 또한 오염물질 제거를 위한 분리막 등으로도 활용되어 왔다[J. Lee, S. Yoon, S. M. Oh, C. Shin, H. T. Hyeon, Adv. Mater. 2000, 12, 359.; G. Che, B. B. Lakshmi, E. R. C. Fisher, R. Martin, Nature 1998, 393, 346.; J. Jang, B. Lim, Adv. Mater. 2002, 14, 1390.].Carbon nanomaterials have been used as a storage or catalyst support for storing ions or molecules in various applications, that is, batteries, capacitors and fuel cells, and also used as membranes for removing contaminants [J. Lee, S. Yoon, S. M. Oh, C. Shin, H. T. Hyeon, Adv. Mater. 2000, 12, 359 .; G. Che, B. B. Lakshmi, E. R. C. Fisher, R. Martin, Nature 1998, 393, 346 .; J. Jang, B. Lim, Adv. Mater. 2002, 14, 1390.].

리튬 이온 전지용 음극재로 탄소물질이 사용된 것은 1990년 초 일본 소니(Sony)사에 의해 처음으로 시도되었다. 탄소물질이 리튬 이온 저장체로서의 역할을 하기 위해 요구 되는 재료적 특성은, 안정적인 전압특성 및 싸이클 특성에 필요한 고결정성, 높은 충 방전 횟수에 필요한 적절한 표면적, 높은 충 방전 효율에 필요한 짧은 리튬 이온 확산통로이다. 일반적인 탄소물질은 크게 흑연 또는 이 흑연화성 탄소와 난 흑연화성 탄소로 구분된다. 흑연 또는 이 흑연화성 탄소는 고결정성을 보이지만 낮은 표면적을 보이고, 난흑연화성 탄소는 높은 표면적과 적당한 기공을 가지고 있지만 저 결정성인 특성을 보인다. 따라서 흑연 또는 이 흑연화성 탄소는 안정적인 전압특성 및 높은 충 방전 효율을 보이고 있지만 제한된 용량을 보이고 난 흑연화성 탄소는 높은 저장 용량을 보이지만 불안정한 전압특성 및 낮은 충 방전효율을 보이고 있다.The use of carbon as a cathode material for lithium ion batteries was first attempted by Sony in Japan in early 1990. The material properties required for the carbon material to act as a lithium ion reservoir include: high crystallinity for stable voltage characteristics and cycle characteristics, adequate surface area for high charge and discharge times, and short lithium ion diffusion passages for high charge and discharge efficiency. to be. Common carbon materials are largely divided into graphite or this graphitizable carbon and egg graphitizable carbon. Graphite or this graphitizable carbon shows high crystallinity but low surface area, while non-graphitizable carbon has high surface area and moderate pores but low crystallinity. Therefore, graphite or this graphitizable carbon shows stable voltage characteristics and high charge and discharge efficiency, but graphitized carbon having limited capacity shows high storage capacity but unstable voltage characteristic and low charge and discharge efficiency.

탄소나노튜브 및 플러렌과 같은 나노 탄소물질의 출현 이후로 [S. Iijima, Nature 1991, 354, 56.; K. Komatsu, M. Murata, Y. Murata, Science 2005, 307, 238] 최근에는 탄소나노 새장(Carbon nano-cage), 탄소나노혼(Carbon nano-horn) 등도 보고되고 있는데, 이들의 리튬 저장 특성은 보고된 바 없다. 다만, 탄소나노튜브는 적당한 표면적 및 튜브내부공간, 높은 결정성, 리튬 이온의 접근이 용이한 개방구조를 가지고 있어 리튬 저장재로서 큰 기대를 모았으나 초기 충방전 효율이 50% 이하에 불과해 기대에 미치지 못한 결과를 보여주고 있다[T. P. Kumar, R. Ramesh, Y. Y. Lin, G. T. K. Fey, Electrochem. Commun. 2004, 6, 520.].Since the advent of nano carbon materials such as carbon nanotubes and fullerenes [S. Iijima, Nature 1991, 354, 56 .; K. Komatsu, M. Murata, Y. Murata , Science 2005, 307, 238] Recently, carbon nano-cage and carbon nano-horn have been reported. Has not been reported. However, carbon nanotubes have a reasonable surface area, inner tube space, high crystallinity, and an open structure that allows easy access to lithium ions, which is why we expect great expectations as lithium storage materials, but the initial charge and discharge efficiency is less than 50%. Inferior results [TP Kumar, R. Ramesh, YY Lin, GTK Fey, Electrochem. Commun. 2004, 6, 520.].

한편, 최근까지 보고된 대부분의 탄소나노물질들은 아크방출법(Arc discharge) 및 레이저 증발법(Laser evaporation) 등과 같은 방법으로 기상(gas phase)의 탄소원(carbon source)을 사용하여 제조되었다 [Y. Saito, T. Matsumoto, Nature 1998, 392, 237.; A. Krishnan, E. Dujardin, M. M. J. Treacy, J. Hugdah, S. Lynum, T. W. Ebbesen, Nature 1997, 388, 452.]. 그러나 이들 합성방법들은 가혹한 합성조건 및 낮은 수율 때문에 대량생산에 큰 한계를 가지고 있다. 또 다른 제조방법인 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition)은 철, 코발트, 그리고 니켈과 같은 전이금속 촉매의 존재 하에 기상의 탄화수소 전구체를 열 분해시켜 나노구조를 가진 탄소물질을 제조하고 있다. 이 방법은 비교적 경제적이긴 하나 제조된 탄소 나노물질의 순도가 낮은 단점을 가지고 있다. On the other hand, most of the carbon nanomaterials reported until recently were manufactured using a carbon source of the gas phase by a method such as arc discharge and laser evaporation [Y. Saito, T. Matsumoto, Nature 1998, 392, 237 .; A. Krishnan, E. Dujardin, MMJ Treacy, J. Hugdah, S. Lynum, TW Ebbesen, Nature 1997, 388, 452.]. However, these synthesis methods have great limitations in mass production due to the harsh synthesis conditions and low yields. Chemical vapor deposition, another manufacturing method, produces nanostructured carbon materials by thermal decomposition of hydrocarbon precursors in the gas phase in the presence of transition metal catalysts such as iron, cobalt, and nickel. This method is relatively economical but has the disadvantage of low purity of the manufactured carbon nanomaterials.

흑연화 촉매인 철, 코발트, 그리고 니켈과 같은 금속, 또는 실리콘과 같은 반금속을 탄소제조 시 사용하면 탄소물질의 미세구조를 다양하게 변화시킬 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 하지만, 탄소원으로 고분자와 같은 고상 또는 그것을 용액에 녹인 액상을 탄소 전구체로 하여 새로운 구조의 탄소물질을 제조하는 것에 관한 연구는 미미하고 가령 있다 하더라도 기존의 연구는 복잡한 합성방법 때문에 경제적인 면이나 대량생산적인 면에서 실효성이 떨어진다 [M. Inagaki, K. Fujita, Y. Takeuchi, K. Oshida, H. Iwata, H. Konno, Carbon 2001, 39, 921.; W. Cho, E. Hanada, Y. Kondo, K. Takayanagi, Appl. Phys. Lett. 1996, 69, 278.; N. A. Kiselev, J. Sloan, D. N. Zakharov, E. F. Kudovitskii, J. L. Hutchison, J. Hammer, A. S. Kotosonov, Carbon 1998, 36, 1149.].It is well known that the graphitization catalysts, such as iron, cobalt and nickel, or semimetals such as silicon, can be used in the carbon production to vary the microstructure of carbon materials. However, studies on the production of carbon materials with new structures using carbon precursors in solid phases such as polymers or liquids dissolved in solutions as carbon sources are insignificant. In effectiveness in terms of performance [M. Inagaki, K. Fujita, Y. Takeuchi, K. Oshida, H. Iwata, H. Konno, Carbon 2001, 39, 921 .; W. Cho, E. Hanada, Y. Kondo, K. Takayanagi, Appl. Phys. Lett. 1996, 69, 278; N. A. Kiselev, J. Sloan, D. N. Zakharov, E. F. Kudovitskii, J. L. Hutchison, J. Hammer, A. S. Kotosonov, Carbon 1998, 36, 1149.].

그 일례로, 미합중국 특허공개 제2005-0008562호는 삼성분계, 즉 고분자 탄소 전구체, 금속촉매 및 무기산화물을 사용하여 고결정성 및 비표면적이 높은 나노구조를 가진 탄소물질을 제조하고 이를 촉매 담체로 활용하는 것에 대하여 기재하 고 있다. 하지만 높은 비표면적을 얻기 위해 무기산화물을 첨가해야 하고 또한 형성된 탄소물질의 구조가 결정성이긴 하지만 닫힌 구조를 가지고 있어 비표면적은 활성탄소의 그것과 비슷함에도 불구하고 이온 및 분자의 확산이 제한적일 수 밖에 없는 구조이다.For example, U.S. Patent Publication No. 2005-0008562 discloses a carbon material having nanostructures of high crystallinity and high specific surface area using a ternary system, that is, a polymer carbon precursor, a metal catalyst, and an inorganic oxide, and utilizes it as a catalyst carrier. It is written about. However, in order to obtain a high specific surface area, an inorganic oxide must be added and the structure of the carbon material formed is crystalline, but has a closed structure, so that the specific surface area is similar to that of activated carbon, but the diffusion of ions and molecules is limited. Structure.

본 발명은 높은 결정성을 가지면서도 크림프성 및 엉킴성이 매우 높아 이온 또는 분자 등을 용이하게 확산 이동 시킬 수 있는 탄소 나노피브릴 및 이의 집합체를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a carbon nanofibrils and aggregates thereof having high crystallinity and very high crimpability and entanglement, which can easily diffuse and move ions or molecules.

본 발명의 다른 목적은 상기 탄소 나노피브릴의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the carbon nanofibrils.

본 발명의 또다른 목적은 상기 탄소 나노피브릴의 용도를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a use of the carbon nanofibrils.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 3차원적 망상형 고차 구조를 가지는 탄소 나노피브릴 및 이의 집합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides carbon nanofibrils and aggregates thereof having a three-dimensional network-like higher order structure.

본 발명은 또한 a) 탄소 전구물질과 금속 및 반금속으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매 또는 촉매화합물을 탄소 전구물질과 혼합하여 균일한 탄소 전구물질/촉매 하이브리드 전구체를 제조하고, The invention also provides a uniform carbon precursor / catalyst hybrid precursor by a) mixing a carbon precursor with a carbon precursor and a catalyst or catalyst compound selected from the group consisting of carbon precursors and metals and semimetals,

b) 상기 전구체를 열처리하여 촉매 또는 촉매화합물을 함유하는 나노피브릴 형태의 탄소를 제조하고,b) heat treating the precursor to prepare nanofibrils in carbon containing a catalyst or a catalyst compound,

c) 상기 제조된 탄소에서 촉매 또는 촉매화합물을 제거하는 공정을 포함하는 탄소 나노피브릴의 제조방법을 제공한다.c) providing a method for producing carbon nanofibrils comprising the step of removing a catalyst or a catalyst compound from the carbon prepared above.

본 발명은 또 리튬의 가역적인 흡장, 방출이 가능한 양극, 상기 탄소 나노피브릴을 음극 활물질로 포함하는 것인 음극 및 상기 양극 및 음극에 함침된 전해질을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium battery comprising a positive electrode capable of reversible occlusion and release of lithium, a negative electrode including the carbon nanofibrils as a negative electrode active material, and an electrolyte impregnated with the positive electrode and the negative electrode.

본 발명은 또한 상기 탄소 나노 피브릴 또는 그의 집합체를 포함하는 에너지 저장체 또는 촉매 담체를 제공한다. The present invention also provides an energy storage or catalyst carrier comprising the carbon nanofibrils or aggregates thereof.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 3차원적 망상형 고차 구조를 가지는 탄소 나노피브릴 및 이의 집합체를 제공한다.The present invention provides carbon nanofibrils and aggregates thereof having a three-dimensional network-like higher order structure.

상기 탄소 나노피브릴은 (002) 층간 거리(d002)가 3.34 내지 3.50 Å 바람직하게는 3.34 내지 3.40 Å의 범위에 있다.The carbon nanofibrils have a (002) interlayer distance (d002) in the range of 3.34 to 3.50 kPa, preferably 3.34 to 3.40 kPa.

또한 상기 탄소 나노피브릴은 X-선 회절 분석에서 (100), (004) 및 (101)의 피크를 보인다.  X-선 회절 분석 시 제조된 샘플은 파우더를 이용하였고, 스캔 속도는 분당 5°로 조절하고, 사용한 X-ray radiation은 50 kV, 100mA의 니켈을 필터로 쓴 파장: 1.54 Å인 Cu Ka선을 이용하였다. The carbon nanofibrils also show peaks of (100), (004) and (101) in X-ray diffraction analysis. Samples prepared during X-ray diffraction analysis were powdered, the scan rate was adjusted to 5 ° per minute, and the X-ray radiation used was 50 kV, 100 mA of nickel-filtered Cu K a ray with a wavelength of 1.54 Å. Was used.

또한 상기 탄소 나노피브릴은 기저면에 수직인 결정자의 크기(Lc)가 5 내지 15 nm(50내지 150Å)의 범위에 있는 것이 바람직하며, BET 로 측정된 표면적이 170 내지 250 cm2/g의 범위에 있으며, 평균 기공의 크기가 5 내지 60nm의 범위에 있다.In addition, the carbon nanofibrils preferably have a size (L c ) of crystallites perpendicular to the base surface in the range of 5 to 15 nm (50 to 150 Hz), and the surface area measured by BET is 170 to 250 cm 2 / g. It is in the range, and the average pore size is in the range of 5 to 60 nm.

본 발명에 따른 탄소 나노피브릴은 크림프성과 엉킴성이 우수하다.Carbon nanofibrils according to the present invention is excellent in crimping properties and entanglement.

크림프성은 하기 수학식 1에 의하여 계산될 수 있다:Crimp property can be calculated by the following equation:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112005063592116-pat00001
Figure 112005063592116-pat00001

상기 식에서 l c는 곧은 상태의 길이를 의미하고 은 구불구불한 상태의 길이를 의미한다.Where l c means the length of the straight state and means the length of the tortuous state.

본 발명의 탄소 나노피브릴은 40%이상(40~100%)의 크림프성을 나타낸다.Carbon nanofibrils of the present invention exhibits a crimping property of 40% or more (40-100%).

상기와 같은 특성을 가지는 탄소 나노피브릴의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다. Referring to the manufacturing method of carbon nanofibrils having the characteristics as described above in detail.

먼저 첫번째 공정에서는 열적 안정성이 우수하고 탄소 수율이 높은 탄소 전구물질과 금속 및 반금속으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매 또는 촉매화합물을 용액 블렌딩법을 통하여 균일하게 혼합하여 탄소 전구물질/촉매 하이브리드 탄소전구체를 제조한다. First, in the first process, the carbon precursor / catalyst hybrid carbon precursor is mixed by uniformly mixing a catalyst or catalyst compound selected from the group consisting of a carbon precursor having excellent thermal stability and high carbon yield, and a metal or semimetal. Manufacture.

상기 탄소 전구물질로는 상업적으로 얻을 수 있는 열적 안정성이 우수하고 탄소 수율이 우수한 물질이면 어느 것이라도 사용될 수 있다. 탄소 전구물질의 바람직한 예로는 단당류(sucrose), 다당류 (polysucrose), 리그노셀룰로오스(lignocellulose), 레이온 (rayon), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate)를 포함하는 당류 및 셀룰로오스와 그 유도체; 폴리아크릴로니트릴 (Poly(acrylonitrile)); 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)); 폴리퍼퓨릴알코올(Poly(furfuryl alcohol)); 폴리비닐디벤젠(Poly(vinyl dibenzene)); 폴리아크릴아미드(polyacrylamide); 폴리아크릴산(polyacrylic acid); 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리비닐피리딘(polyvinylpiridine), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrollidone)을 포함하는 비닐계 고분자; 전방향족 폴리에스터(wholly aromatic polyester); 전방향족 폴리아미드 (wholly aromatic polyamide), 석유 피치(Petroleum pitch) 등의 피치류 등도 사용 될 수 있다.Any carbon precursor may be used as long as the material has excellent thermal stability and excellent carbon yield. Preferred examples of carbon precursors include sugars and celluloses including derivatives such as sucrose, polysucrose, lignocellulose, rayon and cellulose acetate; Polyacrylonitrile (Poly (acrylonitrile)); Poly (vinyl alcohol); Poly (furfuryl alcohol); Poly (vinyl dibenzene); Polyacrylamide; Polyacrylic acid; Vinyl polymers including polyvinyl chloride, polyvinylpiridine, and polyvinylpyrollidone; Wholly aromatic polyesters; Pitches such as wholly aromatic polyamide and petroleum pitch may also be used.

상기 금속 및 반금속으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매 또는 촉매화합물은 열처리시 안정화 반응의 온도를 저하시키고 무정형의 전구체 구조를 규칙적인 구조로 변화시키는 데 매우 큰 역할을 하며, 결정성이 높은 탄소 구조를 도입하는 데 매우 중요한 역할을 한다.The catalyst or catalyst compound selected from the group consisting of metals and semimetals plays a very large role in lowering the temperature of the stabilization reaction during heat treatment and changing the amorphous precursor structure into a regular structure, and has a high crystalline carbon structure. It plays a very important role in the introduction.

상기 촉매로는 주기율표의 4-7주기의 3-11족에 해당하는 전이금속 또는 내부전이금속; 13족 원소; 14족 원소; 1족 또는 2족에 속하는 원소를 포함하는 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다.The catalyst may include transition metals or internal transition metals corresponding to Groups 3-11 of 4-7 cycles of the periodic table; Group 13 element; Group 14 elements; Compounds containing an element belonging to group 1 or 2 can be preferably used.

이들의 구체적인 예로는 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 이리듐(Y), 지르코늄(Zr), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo), 란탄(La), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 및 알루미늄(Al), 나트륨(Na), 칼륨(Ca), 또는 실리콘(Si) 등이 있다. 상기 금속을 포함하는 화합물은 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 하이드록사이드(OH-), 옥사이드(O2 -), 아세테이 트(CH3COO-)와 같은 카르복실레이트, 아세틸아세토네이트 (CH3COCH=C(O-)CH3), 나이트레이트(NO3 -), 설페이트(SO4 2 -), 설파이드(S2 -), 과염소산(ClO4 -), 포스페이트(PO4 -), 옥살레이트(COO-), 및 알콕사이드 (RO-)(여기서 R은 1 내지 10의 알킬로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 것이 바람직하다.Specific examples thereof include titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), iridium (Y), Zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), lanthanum (La), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), and aluminum (Al), sodium (Na), potassium (Ca) Or silicon (Si). Compound containing said metal fluoride (F -), chloride (Cl -), bromine (Br -), hydroxide (OH -), oxide (O 2 -), acetate bit (CH 3 COO -) and such as carboxylate, acetylacetonate (CH 3 COCH = C (O -) CH 3), nitrate (NO 3 -), sulfate (SO 4 2 -), disulfide (S 2 -), perchlorate (ClO 4 - ), phosphate (PO 4 -), oxalate (COO -), and alkoxide (RO -) (wherein R is preferably includes an anion selected from the group consisting of alkyl of 1 to 10.

상기 탄소 전구물질과 촉매는 10: 1 내지 2:1의 몰비로 사용되는 것이 바람직하다. 상기 탄소 전구물질의 몰비가 10을 초과하는 경우에는 촉매의 효과가 매우 떨어지는 문제가 있으며, 2 미만인 경우에는 촉매가 더 이상 녹지 않는 문제가 있어 바람직하지 않다.  The carbon precursor and the catalyst are preferably used in a molar ratio of 10: 1 to 2: 1. If the molar ratio of the carbon precursor is more than 10, there is a problem that the effect of the catalyst is very poor, if less than 2 there is a problem that the catalyst does not melt any more is not preferred.

상기 용액 블렌딩법에 사용되는 용매로는 디메틸포름알데히드(Dimethylformaldehyde), 디메틸설폭사이드(Dimethylsulfoxide) 등의 용매가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.As a solvent used in the solution blending method, a solvent such as dimethylformaldehyde, dimethylsulfoxide, or the like may be used, but is not limited thereto.

본 발명에서는 종래 방법과 달리 분말 상태의 혼합 대신 용매 하에서 혼합하는 용액 블렌딩 방법을 이용하므로 탄소 전구물질과 촉매가 아주 균일하게 분산되어 양자 또는 원자 수준의 균일한 복합 혼합체를 얻을 수 있다. 이러한 특성은 최종 탄소 피브릴 물질의 물성에도 좋은 영향을 미친다. 상기 용액 블렌딩법은 통상의 혼합기, 특히 자석 교반기(magnetic stirrer)를 통하여도 혼합 가능하다.In the present invention, unlike the conventional method, since the solution blending method of mixing under a solvent instead of powder mixing is used, the carbon precursor and the catalyst are dispersed very uniformly, thereby obtaining a uniform composite mixture at proton or atomic level. This property also has a good influence on the properties of the final carbon fibrillated material. The solution blending method can also be mixed through conventional mixers, in particular magnetic stirrers.

상기 용액을 용매를 제거하여 탄소 전구물질/촉매 하이브리드 전구체를 제조한다. 상기 용매는 진공 건조 공정에 의하여 제거되는 것이 바람직하며, 상기 건 조 공정은 25 내지 90 ℃ 사이의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 건조온도가 25 ℃ 미만이면 용매의 건조가 불충분하며, 90℃를 초과하는 경우에는 촉매가 석출되는 문제가 있어 바람직하지 않다.The solvent is removed to prepare a carbon precursor / catalyst hybrid precursor. The solvent is preferably removed by a vacuum drying process, the drying process is preferably carried out at a temperature of 25 ℃ to 90 ℃. If the drying temperature is less than 25 ° C, drying of the solvent is insufficient, and if it exceeds 90 ° C, there is a problem of precipitation of the catalyst, which is not preferable.

두번째 공정에서는 상기 전구체를 열처리하여 탄소 전구물질을 탄화(carbonization process)시킴으로써 내부에 촉매 또는 촉매화합물을 함유하는 나노피브릴 형태의 탄소를 제조한다. 상기 열처리는 200 내지2800 ℃의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 200℃ 미만인 경우에는 탄소 전구물질의 탄화가 이루어지지 않으며 2800℃를 초과하는 경우에는 탄화 효과가 그 이전 온도에 비해 크지 않은 문제가 있어 바람직하지 않다. 또한 열처리시 승온 속도 2 내지20 ℃/분 인 것이 바람직하다.In the second process, the precursor is heat-treated to carbonize a carbon precursor to produce nanofibrils in the form of carbon containing a catalyst or a catalyst compound therein. The heat treatment is preferably carried out at a temperature of 200 to 2800 ℃. If the heat treatment temperature is less than 200 ℃ carbon precursor is not made, if the temperature exceeds 2800 ℃ carbonization effect is not large compared to the previous temperature is not preferable. In addition, the temperature increase rate during the heat treatment is preferably 2 to 20 ℃ / min.

열처리 공정은 공기와 같은 활성 분위기 또는 질소와 같은 비활성 분위기에서 가능하며, 열처리 분위기는 특별히 한정되는 것은 아니나, 비활성 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 비활성 분위기로는 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 분위기인 것이 바람직하다.The heat treatment step is possible in an active atmosphere such as air or in an inert atmosphere such as nitrogen, and the heat treatment atmosphere is not particularly limited, but is preferably performed in an inert atmosphere. The inert atmosphere is preferably nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) atmosphere.

상기 탄소 전구물질과 촉매와의 몰 비 및 열처리 온도를 조절함으로써 형성되는 탄소 나노피브릴의 구조 및 결정성, 크림프성, 엉킴성, 그리고 비표면적을 원하는 범위로 제어할 수 있다.The structure and crystallinity, crimpability, entanglement, and specific surface area of the carbon nanofibrils formed by controlling the molar ratio of the carbon precursor and the catalyst and the heat treatment temperature can be controlled to a desired range.

세번째 공정에서는, 상기 촉매 또는 촉매화합물을 제거하여 높은 결정성을 가지면서도 크림프성 및 엉킴성이 매우 높아 이온 및 분자 등의 확산 이동을 용이 하게 할 수 있는 탄소 나노피브릴 또는 그 집합체를 제조한다.In the third step, the carbon nanofibrils or aggregates thereof are prepared by removing the catalyst or catalyst compound and having high crystallinity, very high crimpability and entanglement, and facilitating diffusion and migration of ions and molecules.

상기 촉매 또는 촉매화합물은 25 내지 100 ℃의 온도 범위에서 산 또는 알칼리 처리하여 제거된다. 상기 촉매 또는 촉매 화합물의 제거에 사용되는 산 또는 알칼리는 0.01 M 내지 10 M 농도로 사용되는 것이 바람직하다. 상기 산 또는 알칼리의 농도가 0,01M 미만이면 촉매 또는 촉매화합물이 충분히 제거되지 않고 10M를 초과하는 경우에는 제조된 탄소 물질의 분해를 일으키는 문제가 있어 바람직하지 않다.The catalyst or catalyst compound is removed by acid or alkali treatment in a temperature range of 25 to 100 占 폚. The acid or alkali used for the removal of the catalyst or catalyst compound is preferably used at a concentration of 0.01 M to 10 M. If the concentration of the acid or alkali is less than 0,01M, the catalyst or catalyst compound may not be sufficiently removed, and if the concentration exceeds 10M, there is a problem causing decomposition of the produced carbon material.

산 또는 알칼리 처리시간은 5 내지 48시간인 것이 바람직하다. 상기 산은 황산(H2SO4), 염화수소(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH), 플루오르화 수소산(HF)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 염기로는 수산화나트륨(NaOH) 등이 사용될 수 있다. The acid or alkali treatment time is preferably 5 to 48 hours. The acid is one selected from the group consisting of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrogen chloride (HCl), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), acetic acid (CH 3 COOH), hydrofluoric acid (HF) Or mixtures thereof may be preferably used. As the base, sodium hydroxide (NaOH) or the like may be used.

그런 다음 얻어진 탄소 나노 피브릴을 2차 열처리하는 것이 바람직하다.  2차 열처리 온도는 500 내지 1200 ℃의 온도 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.  2차 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는 탄소 전구물질의 탄화가 이루어지지 않으며 1200℃를 초과하는 경우에는 2차 열처리 공정의 효과가 크지 않는 문제가 있어 바람직하지 않다. 2차 열처리 시간은 1 내지 5 시간인 것이 바람직하고 2 내지 20 ℃/분의 범위에서 등온 열처리하는 것이 바람직하다.It is then preferable to perform a second heat treatment of the obtained carbon nanofibrils. The secondary heat treatment temperature is preferably carried out in the temperature range of 500 to 1200 ℃. If the secondary heat treatment temperature is less than 500 ° C., the carbon precursor is not carbonized, and if the secondary heat treatment temperature is higher than 1200 ° C., the effect of the secondary heat treatment process is not great. It is preferable that secondary heat processing time is 1 to 5 hours, and isothermal heat processing in the range of 2-20 degreeC / min is preferable.

본 발명에서는 비교적 저온에서도 흑연과 같이 탄소층이 잘 배열된 구조의 고 결정성 탄소제조가 가능하다.In the present invention, it is possible to produce high crystalline carbon having a structure in which the carbon layers are arranged like graphite even at a relatively low temperature.

2차 열처리 공정은 여러 가지 분위기 기체에서 실시할 수 있으며, 질소(N2), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2), 스팀(steam), 수소(H2), 메탄(CH4), 에틸렌(CH2CH2), 아세틸렌(CHCH) 중에서 선택된 1종 이상의 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.The secondary heat treatment process can be carried out in a variety of atmospheric gases, nitrogen (N 2 ), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), steam, hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), ethylene It is preferable to carry out in one or more atmospheres selected from (CH 2 CH 2 ) and acetylene (CHCH).

이러한 2차 열처리를 실시하면 고 결정성, 고 크림프성, 고 엉킴성의 특성을 가지면서도 탄소층의 적층 완성도가 매우 우수한 탄소 나노피브릴을 얻을 수 있다. 이러한 탄소 나노피브릴은 리튬 전지에서 우수한 성능을 나타내는 음극 활물질로 사용될 수 있다.When the secondary heat treatment is performed, carbon nanofibrils having high crystalline, high crimping, high entanglement properties and excellent lamination completion of the carbon layer can be obtained. Such carbon nanofibrils can be used as a negative electrode active material exhibiting excellent performance in lithium batteries.

이들 탄소 나노피브릴은 나노구조적 특성으로 리튬 이온과 같은 이온, 원자, 또는 분자 들의 확산이 용이하여 특히 리튬 이온 전지의 음극재로의 성능이 매우 탁월하다.These carbon nanofibrils have a nanostructured property, which facilitates the diffusion of ions, atoms, or molecules such as lithium ions, and is particularly excellent as a negative electrode material of a lithium ion battery.

리튬 이온 전지에 적용시 상기에서와 같이 제조된 탄소 나노피브릴 또는 그 집합체를 바인더 및 유기용매와 함께 혼합하여 페이스트를 제조한 후 이를 집전체에 도포하고 압축 한 뒤 건조하여 음극을 제조할 수 있다.When applied to a lithium ion battery, carbon nanofibrils or aggregates prepared as described above may be mixed with a binder and an organic solvent to prepare a paste, and then coated on a current collector, compressed, and dried to prepare a negative electrode. .

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

<< 실시예Example 1>  1>

온도55 ℃에서 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile)과 염화철(III) (FeCl3)를 각각 디메틸포름알데히드(Dimethylformaldehyde)에 녹인 후 둘을 혼합하여 노란색 투명한 용액을 얻었다. 특히 염화철은 흡습성이 강해 질소가 주입되는 반응기에서 용해시켰다. 이렇게 제조된 용액을 55 ℃, 진공오븐에서 96 시간 동안 충분히 건조시켜 폴리아크릴로니트릴/염화철 하이브리드 전구체를 제조하였다. 이를 질소분위기하에5 ℃/분의 승온속도로 1100 ℃ 에서 1차 열처리하였다. 열처리된 탄소/촉매 하이브리드 전구체를 5M HCl로 60 ℃에서 처리하여 촉매를 제거하였다. 그런 다음, 55 ℃, 진공오븐에서 24 시간 동안 충분히 건조시켰다. 이렇게 하여 얻어진 탄소물질을 10 ℃/분의 승온속도로 800 ℃에서 2시간 동안 수소분위기하에서 2차 열처리하여 결정성이 더욱 증진된 탄소 나노피브릴을 제조하였다.Polyacrylonitrile (Polyacrylonitrile) and iron (III) chloride (FeCl 3 ) were dissolved in dimethylformaldehyde (Dimethylformaldehyde) at 55 ° C., respectively, and the mixture was mixed to obtain a yellow transparent solution. In particular, iron chloride was hygroscopic and dissolved in a reactor where nitrogen was injected. The solution thus prepared was sufficiently dried in a vacuum oven at 55 ° C. for 96 hours to prepare a polyacrylonitrile / iron chloride hybrid precursor. This was subjected to a first heat treatment at 1100 ° C. under a nitrogen atmosphere at a rate of 5 ° C./min. The heat treated carbon / catalyst hybrid precursor was treated with 5M HCl at 60 ° C. to remove the catalyst. Then, sufficiently dried in a vacuum oven at 55 ℃ for 24 hours. The carbon material thus obtained was subjected to secondary heat treatment at 800 ° C. for 2 hours at a temperature increase rate of 10 ° C./min in a hydrogen atmosphere to prepare carbon nanofibrils with further improved crystallinity.

<< 실시예Example 2>  2>

상기 1차 열처리 온도를 1500 ℃로 한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 나노피브릴을 제조하였다.Carbon nanofibrils were prepared in the same manner as in Example 1, except that the first heat treatment temperature was set to 1500 ° C.

상기 실시예 2에서 제조된 탄소 나노피브릴의 결정성을 알아보기 위해 X-ray 회절 분석(XRD)을 실시하여 그 결과를 도 1에 도시하였다. 상기 X-선 회절 분석은 50 kV, 100mA의 니켈을 필터로 쓴 파장: 1.54 Å인 Cu Ka선을 이용 하여 분당 5°의 스캔속도로 측정한 것이다.In order to determine the crystallinity of the carbon nanofibrils prepared in Example 2, X-ray diffraction analysis (XRD) was performed and the results are shown in FIG. 1. The X-ray diffraction analysis was performed at a scan rate of 5 ° per minute using a Cu K a line having a wavelength of 1.54 kHz with a filter of nickel of 50 kV and 100 mA.

도 1에 도시된 바와 같이 (002) 층간 거리(d 002 )가 3.43Å이고, (100), (004) 피크 및 결정성이 높은 (101)피크가 존재함을 확인하였다. 따라서 실시예 1에 따라 제조된 탄소 나노피브릴은 결정성이 높은 탄소임을 확인할 수 있었다. 기저 면에 수직인 결정크기(Lc)는 약 18 nm로 측정되었다.As shown in FIG. 1, it was confirmed that the (002) interlayer distance ( d 002 ) was 3.43 μs, and there were (100), (004) peaks, and (101) peaks having high crystallinity. Therefore, it was confirmed that the carbon nanofibrils prepared according to Example 1 were carbons having high crystallinity. The crystal size (L c ) perpendicular to the base surface was measured to be about 18 nm.

상기 실시예 2에서 탄소 나노피브릴의 비표면적 및 기공특성을 측정하기 위 해 Automatic adsorption instrument(model ASAP 2010, USA)를 사용하여 온도 77K에서 질소 흡착 실험을 하였으며, 얻어진 결과를 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.In Example 2, nitrogen adsorption experiments were carried out at a temperature of 77 K using an automatic adsorption instrument (model ASAP 2010, USA) to measure the specific surface area and pore characteristics of carbon nanofibrils. The results obtained are shown in FIGS. 2A and 2B. Shown in

도 2a는 실시예 2의 탄소 나노피브릴의 질소 흡탈착 그래프이다. 약간의 히스테리시스가 확인되었으며, 이는 메조기공이 형성되었음을 나타내는 것이다. 여기서 계산된 비표면적은 약 190 m2/g정도로 결정성이 높으면서도 비표면적이 비교적 높음을 확인하였다. 형성된 기공크기는 도 2b로부터 약 5 내지6 nm임을 확인하였다.Figure 2a is a graph of nitrogen adsorption and desorption of carbon nanofibrils of Example 2. Some hysteresis was identified, indicating that mesopores were formed. The specific surface area calculated here was about 190 m 2 / g and it was confirmed that the specific surface area was relatively high while the crystallinity was high. The pore size formed was found to be about 5-6 nm from Figure 2b.

실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 크림프성을 상기 수학식 1에 따라 계산한 결과 40% 이상으로 높게 나타났다.The crimpability of the carbon nanofibrils prepared according to Example 2 was calculated according to Equation 1 above, and was found to be higher than 40%.

상기 실시예 1에서 제조된 탄소 나노피브릴의 투과전자현미경 사진을 도 3a 및 3b에 나타내었다. 도 3a및 3b는 각각 저배율 및 고배율에서 찍은 사진으로 본 발명에서 제조된 물질의 전반적인 모습을 보여주고 있다. 이사진들로부터, 제조된 탄소물질이 크림프성 및 엉킴성이 매우 높은 나노피브릴이 잘 발달되어 있음을 확인하였다. 또한 도 3a및 3b로부터 실시예 1의 탄소 물질이 열린 구조로 형성되었음을 알 수 있다.Transmission electron micrographs of the carbon nanofibrils prepared in Example 1 are shown in FIGS. 3A and 3B. Figures 3a and 3b is a photograph taken at low and high magnification, respectively, showing the overall appearance of the material produced in the present invention. From the photographs, it was confirmed that the nanofibrils having a very high crimpability and entanglement of the carbon material produced were well developed. It can also be seen from FIGS. 3A and 3B that the carbon material of Example 1 is formed in an open structure.

비교를 위하여 자연계에 존재하는 면(cotton)의 투과전자현미경 사진을 도 3c에 도시하였다. 도 3a 내지 도 3c에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 탄소 나노피브릴의 구조가 상기 면의 3 차원적 집합구조와 매우 흡사함을 알 수 있다. 실제로 면은 망상형 고차구조를 가진 물질로 피브릴로 이루어져 있으며 이 피 브릴은 또한 약 10 nm이하의 크기를 가진 결정성 및 크림프성이 높은 마이크로 피브릴로 이루어져 있다. 따라서 상기 실시예 1에서 제조된 탄소 나노피브릴은 면에 존재하는 결정성 및 크림프성이 높은 마이크로 피브릴이 서로 엉켜 망상형 고차구조를 형성하므로 이를 탄소-면(carbon-cotton)이라고 명명하였다.A transmission electron micrograph of a cotton present in nature is shown in FIG. 3C for comparison. 3a to 3c it can be seen that the structure of the carbon nanofibrils prepared according to the present invention is very similar to the three-dimensional aggregate structure of the surface. In fact, cotton is a reticulated material with fibrillated fibrils, which are also composed of highly crystalline and crimped microfibrils with a size of less than about 10 nm. Therefore, the carbon nanofibrils prepared in Example 1 are named carbon-cotton because the microfibrils having high crystallinity and crimping properties on the cotton are entangled with each other to form a reticulated high order structure.

상기 실시예 2에서 제조된 탄소 나노피브릴의 전반적인 모습을 보여주는 투과전자현미경 사진이 도 4a에 도시되어있고 또한 (002)격자 이미지를 보여주는 고해상 투과전자현미경 사진이 도 4b에 도시되어 있다. 실시예 1에서 제조된 물질보다 실시예 2에서 제조된 물질이 탄소 층 내에 존재하는 결점이 많이 제거되고 결정성이 훨씬 잘 발달 되었음을 확인하였고 또한 두께가 약 12 nm에서 18 nm정도로 더 두꺼워 졌음을 확인 할 수 있었다.A transmission electron micrograph showing the overall appearance of the carbon nanofibrils prepared in Example 2 is shown in Figure 4a and a high resolution transmission electron microscope photograph showing a (002) lattice image is shown in Figure 4b. It was confirmed that the material prepared in Example 2 eliminated many defects present in the carbon layer and developed crystallinity much better than the material prepared in Example 1, and the thickness became thicker from about 12 nm to about 18 nm. Could.

상기 실시예 1 및 2에서 제조된 탄소 나노피브릴의 전기화학적 성능을 측정하기 위해 다음과 같이 리튬 이온 전지를 제작하였다. 상기 실시예 1 또는 실시예 2에 따라 제조된 탄소 나노피브릴, 아세틸렌 블랙 (도전재) 및 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)을 중량비 75:10:15으로 혼합하여 페이스트를 제조하고 이 페이스트를 구리 집전체에 도포하고 압축 한 뒤 120 ℃ 진공오븐에서 3시간 건조시켜 라미네이트 형상의 전극을 제조하였다. 반대전극 및 기준전극으로는 리튬을 사용하였다. 전극제조 시 전해액으로는 에틸렌카보네이트 (ethylene carbonate): 디에틸카보네이트 (diethyl carbonate) (부피비1:1)속에 1 mole LiPF6 전해질이 녹아있는 용액을 분리막으로 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene)을 사용하였다.In order to measure the electrochemical performance of the carbon nanofibrils prepared in Examples 1 and 2, a lithium ion battery was manufactured as follows. The paste was prepared by mixing the carbon nanofibrils, acetylene black (conductive material) and the binder polytetrafluoroethylene (PTFE) prepared in Example 1 or Example 2 in a weight ratio of 75:10:15. Was coated on a copper current collector, compressed and dried in a vacuum oven at 120 ° C. for 3 hours to prepare a laminate electrode. Lithium was used as the counter electrode and the reference electrode. Electrolytes used in the production of ethylene carbonate: diethyl carbonate (volume ratio 1: 1) in 1 mole LiPF 6 Polytetrafluoroethylene was used as a separator for the solution in which the electrolyte was dissolved.

상기 실시예 2에서 제조된 탄소 나노피브릴을 음극재로 사용한 리튬 이온 전지의 충 방전 특성은 도 5a에 도시하였고 싸이클 특성은 도 5b에 도시하였다. 도 5a에 의하면 흑연의 충 방전 전위 (~0.2 V)보다 약간 높고 무정형의 탄소물질 (~0.8 V) 보다는 낮은 0.4 내지0.5 V 정도의 전압특성을 보이고 동시에 무정형의 탄소물질에서 보여질 수 있는 고 용량(최고 650 mAh/g) 및 약 70% 정도의 우수한 초기효율을 보여주고 있다. 또한 35회 이상까지 약 95%이상의 안정적인 싸이클 특성을 보여주었다.The charge and discharge characteristics of the lithium ion battery using the carbon nanofibrils prepared in Example 2 as the negative electrode material are shown in FIG. 5A and the cycle characteristics are shown in FIG. 5B. 5a shows a voltage characteristic of about 0.4 to 0.5 V which is slightly higher than the charge and discharge potential of graphite (~ 0.2 V) and lower than that of amorphous carbon material (~ 0.8 V), and at the same time high capacity that can be seen in amorphous carbon material. (Up to 650 mAh / g) and excellent initial efficiency of about 70%. It also showed stable cycle characteristics of over 95% up to 35 times.

상기 결과는 본 발명에서 제조된 고 결정성, 고 크림프성 및 고 엉킴성의 이온 및 분자 등의 확산 이동을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 새로운 나노구조의 탄소 나노피브릴 및 그 집합체가 리튬 저장체로서 매우 우수한 물질임을 확인할 수 있었다. 이러한 우수한 리튬 저장 특성은 본 발명에서 제조된 물질의 새로운 구조에 기인한다고 할 수 있다. 즉 크림프성 및 엉킴성은 리튬 이온이 삽입 및 탈리될 때의 부피팽창을 효과적으로 수용할 수 있어 더 많은 리튬을 받아 들일 수 있으며 고결정성으로 인한 안정적인 전압특성, 그리고 높은 엉킴에 의한 개방된 탄소나노피브릴의 집합구조는 리튬의 확산과 탈, 삽입을 용이하게 해 줌과 동시에 리튬의 확산이동 거리가 짧아진 결과로써 높은 초기효율과 안정적인 싸이클 특성을 나타내는데 결정적인 역할을 하고 있다고 할 수 있다.The results indicate that carbon nanofibrils and aggregates of the new nanostructures, which facilitate the diffusion and migration of highly crystalline, highly crimped and highly entangled ions and molecules prepared in the present invention as lithium storage bodies. It was confirmed that the material is very good. Such excellent lithium storage properties can be attributed to the new structure of the material produced in the present invention. In other words, the crimp property and entanglement can effectively accommodate the volume expansion when lithium ions are inserted and detached, thereby accepting more lithium, stable voltage characteristics due to high crystallinity, and open carbon nanofibrils due to high entanglement. The aggregate structure of, which facilitates the diffusion, desorption and insertion of lithium, and the shortened diffusion movement distance of lithium, plays a decisive role in showing high initial efficiency and stable cycle characteristics.

본 발명에 따른 탄소 나노피브릴 및 그 집합체는 고수율의 높은 결정성을 가 지면서도 크림프성 및 엉킴성이 매우 높아 이온 또는 분자 등을 용이하게 확산 이동시킬 수 있다. 상기 탄소 나노피브릴 및 그 집합체는 리튬 이온 배터리용 음극재로서 리튬 저장 특성이 매우 우수하며 또한 제조된 물질의 고유한 구조적 특성으로 인해 다양한 에너지 저장분야 및 촉매담체 등에 적용될 수 있다.Carbon nanofibrils and aggregates according to the present invention have a high yield of high crystallinity, very high crimpability and entanglement, and can easily diffuse and move ions or molecules. The carbon nanofibrils and aggregates thereof are excellent in lithium storage characteristics as a negative electrode material for lithium ion batteries, and may be applied to various energy storage fields and catalyst carriers due to the inherent structural properties of the manufactured materials.

Claims (16)

크림프성이 40~100%인 3차원적 망상형 고차 구조를 가지며,It has a three-dimensional reticular high order structure with crimp property of 40 to 100%. 기저면에 수직인 결정자의 크기(Lc)가 5 내지 15 nm인 것인 탄소 나노피브릴.Carbon nanofibrils in which the crystallite size (L c ) perpendicular to the base surface is 5 to 15 nm. 제1항에서, 상기 탄소 나노피브릴은 (002) 층간 거리(d002 )가 3.34 내지 3.50 의 범위에 있고, X-선 회절 분석에서 (100), (004) 및 (101)의 피크를 보이는 탄소 나노피브릴.The carbon nanofibrils have a (002) interlayer distance ( d 002 ) in the range of 3.34 to 3.50, and show peaks of (100), (004) and (101) in X-ray diffraction analysis. Carbon nanofibrils. 삭제delete a) 탄소 전구물질과 금속 및 반금속으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매 또는 촉매화합물을 혼합하여 균일한 탄소 전구물질/촉매 하이브리드 전구체를 제조하고,a) preparing a uniform carbon precursor / catalyst hybrid precursor by mixing a carbon precursor with a catalyst or catalyst compound selected from the group consisting of metals and semimetals, b) 상기 전구체를 열처리하여 내부에 촉매 또는 촉매화합물을 함유하는 나노피브릴 형태의 탄소를 제조하고,b) heat treating the precursor to prepare nanofibrils in the form of carbon containing a catalyst or a catalyst compound therein; c) 상기 제조된 탄소에서 촉매 또는 촉매화합물을 제거하는 공정을 포함하는 탄소 나노피브릴의 제조방법.c) A method for producing carbon nanofibrils comprising the step of removing a catalyst or a catalyst compound from the prepared carbon. 제4항에서, 상기 탄소 전구물질과 촉매 또는 촉매화합물의 혼합은 용액 블렌딩에 의하여 이루어지는 것인, 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the mixing of the carbon precursor and the catalyst or the catalyst compound is performed by solution blending. 제4항에서, 상기 탄소 전구물질 및 촉매 또는 촉매화합물은 10:1 내지 2:1의 몰비로 사용되는 것인, 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the carbon precursor and the catalyst or catalyst compound are used in a molar ratio of 10: 1 to 2: 1. 제4항에서, 상기 탄소 전구물질/촉매 하이브리드 전구체는 25-90 ℃ 사이의 온도에서 진공 건조하여 제조되는 것인, 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the carbon precursor / catalyst hybrid precursor is prepared by vacuum drying at a temperature between 25-90 ° C. 6. 제4항에서, 상기 탄소 전구물질은 피치류, 당류 및 셀룰로오스와 그 유도체; 폴리아크릴로니트릴(Poly(acrylonitrile)); 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)); 폴리퍼퓨릴알코올(Poly(furfuryl alcohol)); 폴리비닐디벤젠(Poly(vinyl dibenzene)); 폴리아크릴아미드(polyacrylamide); 폴리아크릴산(polyacrylic acid); 비닐계 고분자; 전방향족 폴리에스터(wholly aromatic polyester); 및 전방향족 폴리아미드 (wholly aromatic polyamide)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 고분자인 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the carbon precursor is a pitch, sugars and cellulose and its derivatives; Polyacrylonitrile (Poly (acrylonitrile)); Poly (vinyl alcohol); Poly (furfuryl alcohol); Poly (vinyl dibenzene); Polyacrylamide; Polyacrylic acid; Vinyl polymers; Wholly aromatic polyesters; And at least one polymer selected from the group consisting of wholly aromatic polyamides. 제4항에서, 상기 촉매 또는 촉매화합물은 주기율표의 4-7주기의 3-11족에 해당하는 전이금속 또는 내부전이금속, 13족 원소, 14족 원소, 및 1족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 원소 및 이들 원소를 포함하는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the catalyst or catalyst compound is selected from the group consisting of transition metals or internal transition metals, Group 13 elements, Group 14 elements, and Group 1 elements corresponding to Groups 3-11 of the 4-7 cycle of the periodic table. A method for producing carbon nanofibrils which are at least one selected from the group consisting of elements and compounds containing these elements. 제4항에서, 상기 열처리는 비활성 분위기 하에서 실시되는 것인 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the heat treatment is performed under an inert atmosphere. 제4항에서, 상기 열처리는 200 내지 2800 ℃ 의 온도에서 실시되는 것인 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 200 to 2800 ° C. 6. 제4항에서, 상기 촉매 또는 촉매화합물의 제거는 산 또는 알칼리 처리에 의하여 실시되는 것인 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 4, wherein the catalyst or catalyst compound is removed by acid or alkali treatment. 제12항에서, 상기 산 또는 알칼리는 0.01 M 내지 10 M의 농도로 사용되는 것인 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of claim 12, wherein the acid or alkali is used in a concentration of 0.01 M to 10 M carbon nanofibrils. 제12항에서, 상기 산은 황산(H2SO4), 염화수소(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH), 및 플루오르화 수소산(HF)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 탄소 나노피브릴의 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the acid comprises sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrogen chloride (HCl), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), acetic acid (CH 3 COOH), and hydrofluoric acid (HF). Method for producing carbon nanofibrils which is at least one selected from the group. 제4항에서, 상기 탄소 나노피브릴을 2차 열처리하는 단계를 더 포함하는 탄소 나노피브릴의 제조방법.The method of manufacturing carbon nanofibrils according to claim 4, further comprising the step of heat-treating the carbon nanofibrils. 리튬의 가역적인 흡장, 방출이 가능한 양극, A cathode capable of reversible occlusion and release of lithium, 제1항 또는 제2항에 따른 탄소 나노 피브릴을 음극 활물질로 포함하는 음극, 및 A negative electrode comprising the carbon nanofibrils according to claim 1 or 2 as a negative electrode active material, and 상기 양극 및 음극에 함침된 전해질을 포함하는 리튬 전지.A lithium battery comprising an electrolyte impregnated in the positive electrode and the negative electrode.
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