KR101517864B1 - Nanohybrids of aromatic compound and carbon nanomaterials as electrodes for secondary batteries and secondary batteries containing the same - Google Patents

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여재성
유은지
조성백
박찬범
이민아
홍지현
강기석
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to a nanocomposite electrode active material for a secondary battery comprising an aromatic organic compound and a carbon nanotube, and to a secondary battery comprising the same. More specifically, provided are a nanocomposite electrode active material for a secondary battery and a secondary battery comprising the same, wherein the nanocomposite electrode active material uses a nanocomposite electrode as a positive or negative electrode active material, which spontaneously adsorbs the aromatic organic compound to be in contact with the surface of nanotube at a molecular level in order to resolve problems of low electrical conductivity and high electrolyte solubility of the organic compound, thereby providing stable oxidation-reduction properties.

Description

방향족 유기 화합물과 탄소나노튜브를 포함하는 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질 및 이를 포함하는 이차 전지 {Nanohybrids of aromatic compound and carbon nanomaterials as electrodes for secondary batteries and secondary batteries containing the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a nanocomposite electrode active material for a secondary battery comprising an aromatic organic compound and a carbon nanotube, and a secondary battery comprising the same. [0002]

본 발명은 방향족 유기 화합물과 탄소나노튜브로 이루어진 나노 복합체를 사용하는 이차 전지의 양극 또는 음극 활물질(active materials) 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용액 공정에서 방향족 유기 화합물이 자발적으로 탄소나노튜브 표면에 흡착된 나노 복합체를 이차 전지용 양극 또는 음극 활물질로 사용함으로써, 빠르고 안정전인 산화-환원 활성을 갖는 이차 전지용 양극 또는 음극 활물질 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a positive electrode or a negative active material of a secondary battery using a nanocomposite comprising an aromatic organic compound and a carbon nanotube, and a secondary battery comprising the same. More particularly, To a positive electrode or a negative electrode active material for a secondary battery having quick and stable oxidation-reduction activity by using a nanocomposite adsorbed on the surface of a carbon nanotube as a positive electrode or a negative electrode active material for a secondary battery, and a secondary battery comprising the same.

지속가능하고 환경 친화적인 에너지 저장 소재의 개발을 위해 자연계에서 얻을 수 있는 유기 화합물을 이차 전지용 전극 물질로 활용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 유기 화합물 기반의 양극 소재는 이론적으로 다양한 화학적 개질을 통해 높은 에너지 저장 밀도를 가질 수 있다고 알려져 있으나 낮은 전기 전도도와 전해질에 대한 높은 용해도로 인해 안정적인 고출력 양극 소재로의 적용에 한계가 있었다. 기존 무기물 양극 물질을 대체할 수 있는 유기 화합물 기반의 고성능의 에너지 저장 소재를 개발하는 연구가 필요하다. In order to develop a sustainable and environmentally friendly energy storage material, attempts have been actively made to utilize organic compounds obtained in the natural world as electrode materials for secondary batteries. It is known that anode materials based on organic compounds can have high energy storage density through various chemical modifications in theory. However, due to their low electrical conductivity and high solubility in electrolytes, they are limited to application as stable high-power anode materials. Research is needed to develop high performance energy storage materials based on organic compounds that can replace existing inorganic anode materials.

한편, 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 1 개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 법집 모양의 튜브형태로써 튜브 직경이 나노미터의 수준을 이루고 있는 물질을 말하며, 크기나 형태에 따라 단일벽 탄소나노튜브(single-welled carbon nanotube, SWNT), 다중벽 탄소나노튜브(multi-welled carbone nanotube, MWNT), 다발형 탄소나노튜브(rope carbone nanotube) 등의 다양한 구조를 가지고 있다. 탄소나노튜브는 가벼우면서도 높은 전기 전도도, 화학적 안정성 및 큰 비표면적 등의 전기화학적 에너지 저장장치의 전극 활물질로 매우 우수한 물성을 지니고 있기 때문에 이러한 탄소나노튜브의 우수한 특성들을 이용하여 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 고효율의 수소저장 매체 등 메모리 소자, 이차 전지, 나노집게 등과 같은 다양한 분야에 연구 및 활용되고 있다.Meanwhile, a carbon nanotube is a hexagonal tube-like tube in which one carbon atom is bonded to three different carbon atoms, and the tube has a diameter of nanometers. The carbon nanotube has a single wall carbon And has various structures such as single-welled carbon nanotubes (SWNTs), multi-welled carbone nanotubes (MWNTs), and rope carbone nanotubes. Carbon nanotubes have very good physical properties as an electrode active material for electrochemical energy storage devices such as light weight, high electric conductivity, chemical stability and large specific surface area. Therefore, by using the excellent characteristics of carbon nanotubes, , High-efficiency hydrogen storage media, memory devices, secondary batteries, nano clamps, and the like.

종래의 기술에서 탄소나노튜브를 이용하여 이차 전지의 전극 합제(활물질, 바인더, 도전제 등의 혼합물)에 포함시켜 사용되는 방법들이 있었으나, 단순히 탄소나노튜브가 다른 물질의 성질을 보완하기 위해서 상기 전극 합제들과 같은 부분적으로 도전성 향상을 위한 구성으로써 적용되는 기술의 한계를 가지고 있다.
There have been known methods in which carbon nanotubes are used in an electrode mixture of a secondary battery (a mixture of an active material, a binder and a conductive agent) in the prior art. However, in order to complement the properties of other materials, But have limitations in the technology applied as a constituent for partially improving the conductivity, such as a mixture.

대한민국 등록특허공보 제 10-1117627 호Korean Registered Patent No. 10-1117627 대한민국 등록특허공보 제 10-1372145 호Korean Patent Publication No. 10-1372145 대한민국 등록특허공보 제 10-0790833호Korean Registered Patent No. 10-0790833

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점 및 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로, 방향족 유기 화합물과 탄소나노튜브로 이루어진 나노 복합체를 포함하는 이차 전지용 전극 활물질을 제공함에 있다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide an electrode active material for a secondary battery comprising a nanocomposite comprising an aromatic organic compound and a carbon nanotube.

구체적으로 탄소나노튜브 표면에 유기 화합물을 자발적으로 나노 크기로 흡착시킨 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질 및 이를 포함하는 이차 전지를 개발함으로써 고출력, 장수명 특성을 갖는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
Specifically, it is an object of the present invention to provide a secondary battery having a high output and long life characteristics by developing a nanocomposite electrode active material for a secondary battery in which an organic compound is spontaneously adsorbed on the surface of a carbon nanotube at a nanoscale and a secondary battery comprising the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 탄소나노튜브 표면에 유기 화합물을 흡착시킨 나노 구조체를 포함하는 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질을 제공하며, 또한, 상기 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질을 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.In order to achieve the above object, the present invention provides a nanocomposite electrode active material for a secondary battery comprising a nanostructure on which an organic compound is adsorbed on the surface of a carbon nanotube, and further, a secondary battery including the nanocomposite electrode active material for the secondary battery, .

상기 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질은 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기화합물의 고체 분말을 용매에 녹여 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물 분자와 탄소나노튜브 소재의 파이-파이 상호작용(π-π interaction)을 통해 탄소나노튜브 소재의 표면에 자발적으로 흡착시킴으로써 양극 및 음극을 나타내는 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질을 형성하는 것이다.
The nanocomposite electrode active material for the secondary battery is prepared by dissolving a solid powder of an aromatic organic compound having N = CC = N bonds in a solvent to prepare an aromatic organic compound molecule having N = CC = N bond and a pi- And then spontaneously adsorbs the carbon nanotube material on the surface of the carbon nanotube material through a? -? Interaction to form a nanocomposite electrode active material for a secondary battery.

본 발명에 따른 음극 또는 양극 활물질은 나노 구조체 내에서는 전도체인 탄소나노튜브와 유기 화합물로 이루어진 나노막 사이에 분자 수준의 접촉이 가능하여 전기 전도도와 리튬 이온의 접근성을 크게 증가시켜 전지의 출력 특성 향상이 가능하다. The negative electrode or the positive electrode active material according to the present invention enables a molecular level contact between a nanofiber composed of a carbon nanotube as a conductor and an organic compound in a nanostructure, thereby greatly increasing the electric conductivity and accessibility of lithium ions, This is possible.

또한, 비공유 결합으로 탄소나노튜브 골격(carbon nanotube scaffold) 위에 유기 화합물 분자들이 고정되어 있기 때문에 유기 화합물들이 액상인 전해질로 용해되는 것을 감소시킬 수 있어 유기 화합물 기반 전지의 가장 큰 약점이던 수명 특성을 개선시킬 수 있다. In addition, since the organic compound molecules are immobilized on the carbon nanotube scaffold by non-covalent bonding, it is possible to reduce the dissolution of the organic compounds into the liquid electrolyte, thereby improving the life characteristic which is the biggest weak point of the organic compound-based cell .

이와 더불어 유기 화합물 소재의 나노 복합화를 통해 도전재나 바인더 등의 추가 없이 그 자체로(self-standing) 전극으로 사용 가능하며, 집전체 역시 필요하지 않아 전지의 실질적인 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다. 본 연구에서 제시하는 유기 화합물의 나노 복합화는 쉽고 간단하게 다양한 유기 화합물에 적용이 가능하므로, 지속 가능한 생체 유래 유기 화합물을 차세대 에너지 저장 소재로 활용할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다.In addition, it is possible to use the organic compound material as a self-standing electrode without adding a conductive material or a binder through nanocomposite of the organic compound material, and the current collector is also unnecessary, so that the substantial energy density of the battery can be greatly increased. The nanocomposites of the organic compounds proposed in this study can be easily and simply applied to various organic compounds, thus presenting new possibilities to utilize sustainable bio-derived organic compounds as next generation energy storage materials.

도 1a 및 도1b는 본 발명의 나노 복합체 전극 활물질을 만드는 방법에 대한 모식도와 실시예 1에 따른 루미플라빈의 산화환원 반응식이다.
도 2는 실시예인 루미플라빈 및 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 나노 복합체에 대한 물리적 특성 실험 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 루미플라빈 및 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 나노 복합체와 양극 활물질로 차용하여 제조된 리튬 전지에 대한 특성 실험 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 리튬 전지에 대한 전기화학적 특성 실험 결과이다.
도 5는 실시예인 리보플라빈과 안트라퀴논을 유기 화합물로 사용하여 만들어진 각각의 나노 복합체를 양극 활물질로 차용하여 제조된 리튬 전지에 대한 특성 실험 결과이다.FIGS. 1A and 1B are schematic diagrams of a method of producing the nanocomposite electrode active material of the present invention and a redox reaction formula of lumiflabene according to Example 1. FIG.
FIG. 2 is a physical property test result of a nanocomposite comprising a lumiflabin and a single-walled carbon nanotube.
FIG. 3 is a graph showing the results of characteristics tests of a nanocomposite comprising a lumiflaven and a single-walled carbon nanotube and a lithium battery manufactured using a cathode active material according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the electrochemical characteristics of a lithium battery manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of a characteristic test on a lithium battery manufactured by using each of the nanocomposites prepared by using the organic compound of riboflavin and anthraquinone as an anode active material.

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

본 발명은 방향족 유기 화합물을 탄소나노튜브 표면에 흡착시킨 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질을 제공하며, 상기 방향족 유기화합물은 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물이다.The present invention provides a nanocomposite electrode active material for a secondary battery in which an aromatic organic compound is adsorbed on a surface of a carbon nanotube, wherein the aromatic organic compound is an aromatic organic compound having N = C-C = N bonds.

상기 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물은 질소(N), 산소(O) 및 황(S)으로 이루어진 군에서 선택되어 하나 이상의 원소를 가지는 6원자 고리 또는 5원자 고리를 하나 이상 포함하거나, 6원자 고리를 2 개 이상 포함하는 다환 화합물(polycyclic compound)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물은 리보플라빈, 루미플라빈 등을 포함할 수 있다.The aromatic organic compound in which the N = CC = N bond is present includes at least one member selected from the group consisting of nitrogen (N), oxygen (O) and sulfur (S) Or a polycyclic compound containing two or more 6-membered rings.
In addition, the aromatic organic compound in which the N = CC = N bond is present may include riboflavin, rumiflavin, and the like.

또한, 상기 방향족 유기 화합물로 퓨란(furan), 피롤(pyrrole), 싸이오펜(thiophene), 이미다졸(imidazole), 피라졸(pyrazole), 옥사졸(oxazole), 싸이아졸(thiazozle), 벤젠(benzene), 피리딘(pyridine), 피라진(pyrazine), 피리미딘(pyrimidine), 피리다진(pyridazine), 트리아진(triazine)을 포함하며, 추가로 상기 제시한 방향족 유기화합물의 유도체로 이루어진 군에서 더 포함 할 수 있다.In addition, the aromatic organic compound may include furan, pyrrole, thiophene, imidazole, pyrazole, oxazole, thiazo ze, benzene ), Pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, triazine, and further includes derivatives of the above-mentioned aromatic organic compounds. .

또한, 상기 방향족 유기 화합물로 알킬기(alkyl), 알콕실기(alkoxyl), 히드록시기(hydroxyl), 카르보닐기(carbonyl), 시안기(cyan), 아민기(amine), 할로겐(halogen) 및 할로겐화 알킬기(halogenated alkyl)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환되어 이용할 수 있다.The aromatic organic compound may be an alkyl group, an alkoxyl group, a hydroxyl group, a carbonyl group, a cyan group, an amine group, a halogen group, a halogenated alkyl group, ), Which may be substituted with one or more substituents.

상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브 일 수 있다.The carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes.

또한 상기 나노 복합체 전극 활물질로 사용하는 용매는 물(water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 아세톤(acetone), 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide), 다이메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 에틸아세테이트(ethylacetate), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran), 피리딘(pyridine), 헥세인(hexane), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.The solvent used for the nanocomposite electrode active material is water, ethanol, methanol, acetone, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, benzene benzene, toluene, xylene, ethylacetate, tetrahydrofuran, pyridine, hexane, N-methyl-2-pyrrolidone N- methyl-2-pyrrolidone).

또한, 본 발명은 상기 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질을 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 상기 이차전지는 리튬, 소튬, 마그네슘, 칼슘 및 알루미늄 중 하나 이상의 금속을 포함하며, 특히 리튬 및 소튬 금속이 바람직하다.The present invention also relates to a secondary battery comprising the nanocomposite electrode active material for the secondary battery. The secondary battery includes at least one of lithium, lithium, magnesium, calcium and aluminum, and lithium and a lithium metal are particularly preferable.

상기 나노 복합체 전극활 물질을 포함하는 이차전지에서 리튬 이차전지 경우, 양극재의 바람직한 예로 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4 , LiFePO4으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 특히 LiCoO2 및 LiFePO4가 바람직하다.In the secondary battery comprising the nanocomposite electrode active material, preferred examples of the cathode material include at least one selected from the group consisting of LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiFePO 4. In particular, LiCoO 2 and / the LiFePO 4 is preferable.

이하 본 발명을 실시예 및 비교예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples. However, the embodiments of the present invention described below are illustrative only and the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

실시예Example 1.  One. 루미플라빈Lumiblain -- 단일벽Single wall 탄소나노튜브 나노 복합체 제조 Manufacture of Carbon Nanotube Nanocomposites

루미플라빈(lumiflavin)-단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체 제조 단계에는Lumifllavin - Single Walled Carbon Nanotubes Nanocomposite manufacturing steps

아세톤 20 ml에 루미플라빈 4.5 mg 및 단일벽 탄소나노튜브 5 mg을 넣고 초음파 균질기(Vibra Cell VCX 750)로 10분 동안 혼합하는 단계;4.5 ml of acetone, 4.5 mg of rumiflavin and 5 mg of single-walled carbon nanotubes, and mixing with an ultrasonic homogenizer (Vibra Cell VCX 750) for 10 minutes;

상기 혼합 용액을 초음파 균질기로 출력300 W으로 8시간 동안 더 혼합하는 단계;Further mixing the mixed solution with an ultrasonic homogenizer at an output of 300 W for 8 hours;

혼합된 용액을 기공의 크기가0.1 μm인 필터 멤브레인(Whatman Anodisc membrane)으로 진공여과하는 단계를 포함한다.And filtering the mixed solution through a filter membrane (Whatman Anodisc membrane) having a pore size of 0.1 mu m.

비교예Comparative Example 1.  One. 루미플라빈Lumiblain 전극 및 전지 제조 Electrode and Battery Manufacturing

루미플라빈 전극은 활물질40중량%, 전도성 개량제 카본 블랙(Super P) 40중량% 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더 20중량%를 혼합하여 제조한다. The Lumiflain electrode is prepared by mixing 40 wt% of the active material, 40 wt% of the conductive improver carbon black (Super P), and 20 wt% of the polytetrafluoroethylene (PTFE) binder.

또한, 루미플라빈 전지는 상기 제조된 루미플라빈 전극, 전극 분리막(separator)으로 Celgard 사의 다공성 폴리프로필렌 막 Celgard 2400 및 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르(TEGDME)에 1M의 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)을 포함하는 전해액을 사용하여, 아르곤 가스로 채워진 글러브 박스의 불활성 환경 내에서 제조한다.
In addition, a lithium-hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added to the prepared Lumiflague electrode, an electrode separator, a porous polypropylene membrane Celgard 2400 manufactured by Celgard, and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) In an inert environment of a glove box filled with argon gas.

상기 실시예 및 비교예 방법으로 제조된 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질은 하기와 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하였다.
The properties of the nanocomposite electrode active material for secondary battery prepared by the above Examples and Comparative Examples were measured by the following methods.

실험예Experimental Example 1. 전기화학적 측정 1. Electrochemical measurement

전기화학적 특성은 코인 셀(CR2016 타입)에서 리튬 금속 호일 대 본 발명의 따른 루미플라빈-단일벽 탄소나노튜브 복합체 및 루미플라빈의 전기화학적 성능을 비교한다. 방전 및 충전 측정은 Won-A Tech 사의 배터리 테스트 시스템으로 1.8 내지 3.6V의 전압 범위에서 10 mA g-1 내지 10,000 mA g-1의 정전류 밀도로 수행하였다.
The electrochemical properties compare the electrochemical performance of a lithium metal foil to coin cell (CR2016 type) versus a rumiflavin-single-walled carbon nanotube complex and lumiblain according to the present invention. Discharge and charge measurements were performed with a battery test system from Won-A Tech at a constant current density of 10 mA g -1 to 10,000 mA g -1 in a voltage range of 1.8 to 3.6V.

실험예Experimental Example 2. 물질 안정성의 확인 2. Confirmation of material stability

루미플라빈-단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체의 구조적 일관성을 Hitachi High-techmologies사의 주사전자현미경(SEM)과 FEI 사의 투과전자현미경 (TEM)을 통해 확인하였다.Structural consistency of lumiflabin-single wall carbon nanotube nanocomposites was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) of Hitachi High-techmologies and transmission electron microscopy (TEM) of FEI.

단일벽 탄소 나노 튜브 위에 루미플라빈의 고정 상태를 X-선 광전자 분광법(XPS) 및 푸리에 변환 적외선분광법(FTIR)을 사용하여 확인하였다. 루미플라빈과 단일벽 탄소 나노 튜브의 파이-파이 결합(π-π stacking) 상태를 라만(Raman) 분광법을 사용하여 확인하였다.The fixed state of lumiflubin on single walled carbon nanotubes was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The pi-pi stacking state of lumiflabin and single-walled carbon nanotubes was confirmed using Raman spectroscopy.

나노 복합체에 포함되어 있는 루미플라빈의 함량은 원소분석 방법 및 열중량 분석법(TG)을 사용하여 확인하였다.The content of lumiflabin contained in the nanocomposite was confirmed by elemental analysis and thermogravimetric analysis (TG).

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 리튬 전지에 대해 나노 복합체 전극의 피로 특성은 변위 9 mm부터 4 mm 사이에서 1초 당 1000회의 속도로 측정한 결과로서, 1000회 이상의 굽힘(bending)과 완화(relaxation)에도 상기 나노 복합체 전극의 유연함(flexibility)이 유지될 수 있다.
FIG. 4 is a graph illustrating the fatigue characteristics of a nanocomposite electrode fabricated according to an embodiment of the present invention. The fatigue characteristics of the lithium battery cell were measured at a rate of 1,000 times per second at a displacement of 9 mm to 4 mm, And the flexibility of the nanocomposite electrode can be maintained even with relaxation.

도 3을 참조하면, 루미플라빈-단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체와 루미플라빈을 양극으로 차용하여 제조된 리튬 이차 전지에 대한 특성 결과를 나타낸 그래프로, 도 3a는 전류밀도에 따른 리튬/루미플라빈 전지의 충/방전 전압 프로파일이며, 도 3b는 전류밀도에 따른 리튬/루미플라빈-단일벽 탄소 나노 튜브 나노 복합체 전지의 충/방전 전압 프로파일이다. 200 mA g-1의 정전류 밀도 측정에서 리튬/루미플라빈-단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체 전지는 약 204 mA g-1의 가역 용량(reversible capacity)이 나타나고, 10,000 mA g-1의 전류밀도에서도 약 125 mA g-1의 가역 용량이 나타남을 확인할 수 있다. FIG. 3 is a graph showing the results of characteristics of a lithium secondary battery prepared by boronizing a lumiflague-single walled carbon nanotube nanocomposite and a lumiflague with an anode. FIG. FIG. 3B is a charge / discharge voltage profile of a lithium / lumiflive-single walled carbon nanotube nanocomposite cell according to current density. FIG. In a constant current density measurement of 200 mA g -1 , the lithium / rumifline-single walled carbon nanotube nanocomposite cell exhibited a reversible capacity of about 204 mA g -1 and a current density of 10,000 mA g -1 It can be confirmed that a reversible capacity of about 125 mA g -1 appears.

반면에 200 mA g-1의 정전류 밀도 측정에서 리튬/루미플라빈 전지는 약 72 mA g-1의 가역 용량이 나타남을 확인할 수 있다. 도 3e는 충/방전 횟수에 따른 루미플라빈-단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체와 루미플라빈의 용량 변화를 나타낸 그림으로서, 루미플라빈은 100회 충/방전 후에 약 37 mA g-1의 가역 용량이 나타남을 확인할 수 있으나, 이와 달리 루미플라빈-단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체는 약 203 mA g-1의 가역 용량이 나타남을 확인할 수 있다. 이는 루미플라빈-단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체가 루미플라빈에 비해 출력 및 수명 특성이 우수함을 알 수 있다.On the contrary, in the constant current density measurement of 200 mA g -1 , the reversible capacity of lithium / rumiflane battery is about 72 mA g -1 . Figure 3e is a Rumi flavin according to the charge / discharge number-reversible approximately 37 mA g -1 after a figure showing a capacitance change of the SWNT nanocomposite with Lumi flavin, flavin Lumi is 100 times charging / discharging In contrast, the reversible capacity of Lumiflabine-single walled carbon nanotube nanocomposite is about 203 mA g -1 . It can be seen that the lumiflubin-single walled carbon nanotube nanocomposite has superior power and lifetime characteristics compared to lumiflabin.

Claims (9)

N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물 및 탄소나노튜브로 이루어진 나노복합체를 포함하고,
상기 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물은 질소(N) 및 산소(O)으로 이루어진 군에서 하나 이상의 원소가 포함되어 6원자 고리 및 2개 이상의 6원자 고리를 갖는 다환 화합물인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질.
A nanocomposite comprising an aromatic organic compound and a carbon nanotube in which N = CC = N bond exists,
The aromatic organic compound in which the N = CC = N bond is present is a polycyclic compound having at least one element selected from the group consisting of nitrogen (N) and oxygen (O) and having a 6-membered ring and 2 or more 6-membered rings By weight based on the total weight of the nano composite electrode active material.
제 1항에 있어서, 상기 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물 및 탄소나노튜브는 용매상에서 파이-파이 상호작용(π-π interaction)으로 방향족 유기 화합물 분자가 탄소나노튜브 소재의 표면에 자발적으로 흡착되어 나노 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질.
2. The method of claim 1, wherein the aromatic organic compound and the carbon nanotube in which the N = CC = N bond is present have an aromatic organic compound molecule on the surface of the carbon nanotube material in a pi- Wherein the nanocomposite is spontaneously adsorbed to form a nanocomposite.
제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질.
The nano composite electrode active material according to claim 1, wherein the carbon nanotubes are at least one selected from the group consisting of single wall carbon nanotubes and multi wall carbon nanotubes.
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물은 리보플라빈, 루미플라빈, 피라진 및 피리미딘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질.
2. The nano composite electrode active material for a secondary battery according to claim 1, wherein the aromatic organic compound in which the N = CC = N bond is present comprises at least one selected from the group consisting of riboflavin, rumiflavin, pyrazine and pyrimidine. .
제 1항에 있어서, 상기 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물은 카르보닐기, 아민기 및 할로겐으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질.
2. The nanocomposite electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the aromatic organic compound in which the N = CC = N bond exists is substituted with at least one substituent selected from the group consisting of a carbonyl group, an amine group and a halogen. Active material.
제 1항에 있어서, 상기 N=C-C=N 결합이 존재하는 방향족 유기 화합물은 1 개 이상의 리튬 이온 및 소듐 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 및 소듐을 포함하는 화합물을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질.
The aromatic organic compound according to claim 1, wherein the aromatic organic compound having N = CC = N bonds reacts with at least one lithium ion and sodium ion to reversibly form a compound containing lithium and sodium. Composite electrode active material.
제 2항에 있어서, 상기 용매은 물, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 다이메틸폼아마이드, 다이메틸설폭사이드(DMSO), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸아세테이트, 테트라히드로퓨란, 피리딘, 헥세인, N-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극 활물질.
3. The process of claim 2, wherein the solvent is selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, acetone, dimethylformamide, dimethylsulfoxide (DMSO), benzene, toluene, xylene, ethyl acetate, tetrahydrofuran, pyridine, Methyl-2-pyrrolidone, and the like.
제 1항 내지 제3항 및 제 5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 이차 전지용 나노 복합체 전극 활물질을 포함하는 이차 전지.A secondary battery comprising the nanocomposite electrode active material for a secondary battery according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 8.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101932428B1 (en) * 2017-10-16 2018-12-26 한국과학기술연구원 Material for reduction electrode and Method for fabricating the same and Electro-Fenton system using the same
KR101997404B1 (en) * 2018-10-04 2019-07-09 재단법인 하이브리드 인터페이스기반 미래소재 연구단 Carbon Complexed materials physisorbed by orgarnic-inorganic compounds with specific elements
US11936064B2 (en) 2019-05-09 2024-03-19 Lg Energy Solution, Ltd. Functional separator, method for manufacturing the same, and lithium secondary battery comprising the same

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140086768A (en) * 2012-12-28 2014-07-08 제일모직주식회사 Carbon nanotube dispersed solution comprising polyarylene ether and method for preparing the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140086768A (en) * 2012-12-28 2014-07-08 제일모직주식회사 Carbon nanotube dispersed solution comprising polyarylene ether and method for preparing the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Lee.M.etc. Redox cofactor from biological energy transduction as molecularly tunable energy-storage compound. angew chem Int Ed Engl., 2013. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101932428B1 (en) * 2017-10-16 2018-12-26 한국과학기술연구원 Material for reduction electrode and Method for fabricating the same and Electro-Fenton system using the same
KR101997404B1 (en) * 2018-10-04 2019-07-09 재단법인 하이브리드 인터페이스기반 미래소재 연구단 Carbon Complexed materials physisorbed by orgarnic-inorganic compounds with specific elements
US11936064B2 (en) 2019-05-09 2024-03-19 Lg Energy Solution, Ltd. Functional separator, method for manufacturing the same, and lithium secondary battery comprising the same

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