KR101602168B1 - Manufacturing method of natrium ion battery anode material - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무질서하게 배향되고 높은 유연성을 갖는 그래핀 기반의 페이퍼로 이루어진 나트륨 이온 배터리용 음극물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 염화티오닐 처리로 영구적으로 접히고 구겨진 그래핀 기반의 나노시트를 진공여과하여 무질서하게 배향되고 높은 유연성을 갖는 나트륨 이온 배터리용 페이퍼 전극을 제조함으로써, 잘 쌓여진 단일 배향된 그래핀 기반의 페이퍼에 비하여 전기화학적 성능이 우수하며 전도성 충진재와 기판인 바인더가 없어도 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 효과가 있다.
The present invention relates to a method for preparing a negative electrode material for a sodium ion battery, and more particularly, to a method for manufacturing a negative electrode material for a sodium ion battery comprising a graphene-based paper having disordered orientation and high flexibility.
According to the present invention as described above, a paper electrode for a sodium ion battery which is disorderly oriented and highly flexible can be produced by vacuum filtration of graphene-based nanosheets permanently folded and crumpled by thionyl chloride treatment, The electrochemical performance is superior to that of the graphene-based paper, and an excellent electrochemical performance is obtained even without a conductive filler and a binder as a substrate.

Description

나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF NATRIUM ION BATTERY ANODE MATERIAL}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a negative electrode material for a sodium ion battery,

본 발명은 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무질서하게 배향되고 높은 유연성을 갖는 그래핀 기반의 페이퍼로 이루어진 나트륨 이온 배터리용 음극물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a negative electrode material for a sodium ion battery, and more particularly, to a method for manufacturing a negative electrode material for a sodium ion battery comprising a graphene-based paper having disordered orientation and high flexibility.

얇고 가벼우며 유연한 에너지 저장장치는 차세대 플렉서블 전자기기에 있어 매우 중요하다. 리튬 이온 배터리(LIBs)는 롤업 디스플레이, 착용형 기기 및 기타 휴대용 전자제품에 대해 구부릴 수 있는 파워소스로 연구되고 있다. Thin, light, and flexible energy storage is critical to the next generation of flexible electronics. Lithium-ion batteries (LIBs) are being studied as a bendable power source for roll-up displays, wearable appliances and other portable electronics.

그러나, 리튬의 매장량은 충분하지 않으며 따라서 LIBs의 수요 증가를 만족시키기 위한 가격 경쟁력이 낮고, 이식 가능한 생의학적 디바이스와 이와 비슷한 건강체크가 가능한 전자피부 기능 등의 어플리케이션에 적용하기에 생체 적합성이 좋지 않은 한계가 있다. 반면, 나트륨 이온 배터리(NIBs)는 LIBs보다 10배 가까이 저렴하고 풍부한 자원과 생체 적합성, 리튬에서와 유사한 전기화학적 성질을 가지고 있어 LIBs의 대안으로 주목을 받고 있다. 바인더와 함께 기판 위에 무질서하게 섞여 있는 그래핀 기반의 탄소 나노시트 파우더형 전극(일반적인 전극형태)은 NIBs의 전극재료로써 연구되어 왔으나, 유연한 탄소 기반의 전극을 이용한 NIBs용 전극재료는 보고된 바가 없다. 관련 선행기술로는 한국 공개특허 10-2013-0094366(음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 전지), 한국 등록특허 10-1192355(나트륨 전지 및 그 제조 방법) 등이 있다.However, lithium reserves are not sufficient and are therefore less cost-competitive to meet the increased demand of LIBs, and are not biocompatible for application in applications such as implantable biomedical devices and electronic skin care with similar health checks There is a limit. On the other hand, sodium ion batteries (NIBs) are about ten times cheaper than LIBs and have attracted attention as an alternative to LIBs because of their abundant resources, biocompatibility, and similar electrochemical properties in lithium. A graphene-based carbon nanosheets powdered electrode (generic electrode form) randomly mixed on a substrate with a binder has been studied as an electrode material for NIBs, but no electrode material for NIBs using a flexible carbon-based electrode has been reported . Examples of related prior arts include Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2013-0094366 (anode active material and lithium battery including the same) and Korean Patent No. 10-1192355 (sodium battery and its manufacturing method).

NIBs 제조를 위해서는 리튬과 나트륨 사이의 본질적인 차이를 고려하여야 한다. 나트륨 이온은 리튬 이온보다 이온 반경이 55 % 크며, 이것은 에너지 밀도를 저하시켜 나트륨 이온을 삽입 및 추출하는데 있어 불리한 동력학적 특성을 나타낸다. 크기가 큰 나트륨 이온은 탄소 재료의 흑연 층에 삽입하는 것이 곤란하고 그에 따라 흑연 재료는 일반적으로 NIBs에서 음극재료로 사용되지 못하였다.Essential differences between lithium and sodium should be considered for the preparation of NIBs. Sodium ions are 55% larger in ionic radius than lithium ions, which lower the energy density and exhibit adverse kinetic characteristics in the insertion and extraction of sodium ions. It is difficult to insert large-sized sodium ions into the graphite layer of the carbon material, so that the graphite material is not generally used as a negative electrode material in NIBs.

한편, 최근 그래핀 기반의 페이퍼를 LIBs용 음극재로 적용하는데 성공했다. 전극 제조에 있어 기판이나 바인더를 필요로 하지 않기 때문에 독립형 페이퍼 전극은 기존의 전극에 비해 에너지 밀도에서 유리하며, 매우 플렉서블한 페이퍼 전극은 플렉서블 기기들과 착용형 기기에 적용할 수 있다. 열처리하지 않은 그래핀 페이퍼는 LIBs용 음극으로 사용될 때, 10, 20 및 50 mAg-1의 전류밀도에서 각각 214, 151 및 84 mAhg-1의 가역용량을 나타내는 것으로 보고된 바 있다. 그래핀 페이퍼 음극의 가역용량은 더 불규칙한 방식으로 쌓여진 기존의 파우더 형태의 그래핀 음극(50 mAg-1에서 288 mAhg-1)의 가역용량보다 훨씬 낮아 이러한 문제점을 반영하여 접힌 구조의 그래핀 페이퍼 전극이 개발되었으며 상당히 큰 가역용량을 보여주었다(100 mAg-1에서 864 mAhg-1). 그러나 rate 특성에 있어서는 200, 500, 1000, 1500 mAg-1의 전류밀도에서 각각 557, 268, 169, 141 mAhg-1에 해당하는 용량을 나타내었으며, 이와 같이 출력특성이 크게 개선되지 못한 것으로 보고되었다. 그 이유는 그래핀 층의 안쪽과 바깥쪽으로의 리튬 이온의 이동이 가장자리에만 한정되어 있어 리튬 이온의 탈리 및 삽입 속도에 큰 제약이 따랐기 때문이다. 유연하면서 기공이 많은 그래핀 페이퍼 전극은 겹쳐진 층으로 리튬 이온의 확산을 강화시켜 주기 때문에 rate 특성을 높여주며, 이는 그래핀 시트의 구조적 디자인이 전극의 전기화학적 성능에 있어서 중요하다는 것을 나타낸다.On the other hand, recently, we succeeded in applying graphene-based paper as an anode material for LIBs. Since a substrate or a binder is not required in the production of electrodes, independent paper electrodes are advantageous in energy density compared to conventional electrodes, and highly flexible paper electrodes can be applied to flexible devices and wearable devices. Non-heat-treated graphene paper is reported to exhibit a reversible capacity of each of 214, 151 and 84 mAhg -1 at a current density when used as anode for LIBs, 10, 20 and 50 mAg -1 bar. Graphene is much lower than the reversible capacity to reflect this problem folded structure of the reversible capacity of the negative electrode of the paper is more irregular way as traditional powders in the form of stacked graphene cathode (50 in -1 288 mAg mAhg -1) graphene paper electrode this development was showed a significantly larger reversible capacity (100 864 mAhg -1 in mAg -1). However, in the In 200, 500, 1000, 1500 mAg -1 in rate characteristic current density showed a capacity that corresponds to each of 557, 268, 169, 141 mAhg -1, were reported to have this way the output characteristics were not significantly improved . This is because the movement of lithium ions toward the inside and outside of the graphene layer is limited to the edge only, so that there is a great restriction on the removal and insertion speed of lithium ions. The flexible, pore-rich graphene paper electrode enhances the rate characteristics because it enhances diffusion of lithium ions into the overlapped layer, indicating that the structural design of the graphene sheet is important for the electrochemical performance of the electrode.

본 발명의 목적은 유연한 탄소 기반의 전극을 이용한 나트름 이온 배터리용 음극물질을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a negative electrode material for a sodium ion battery using a flexible carbon-based electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 그래핀 옥사이드 분말과 염화티오닐을 혼합하는 단계; (2) 상기 혼합물을 진공여과하여 그래핀 기반의 페이퍼를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 그래핀 기반의 페이퍼를 열처리하는 단계;를 포함하는 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a silver halide photographic light-sensitive material, comprising the steps of: (1) mixing graphene oxide powder and thionyl chloride; (2) vacuum-filtering the mixture to produce a graphene-based paper; And (3) heat treating the graphene-based paper. The present invention also provides a method of manufacturing a negative electrode material for a sodium ion battery.

상기 (1)단계에서 그래핀 옥사이드 분말과 염화티오닐은 20 내지 70 ℃에서 1 내지 48 시간 동안 초음파 분산시켜 혼합하는 것을 특징으로 한다.In the step (1), the graphene oxide powder and the thionyl chloride are dispersed by ultrasonic dispersion at 20 to 70 ° C for 1 to 48 hours.

상기 (2)단계에서 혼합물은 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디에틸포름아미드(diethylformamide), 및 메틸피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)을 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 용액에 희석하여 진공여과하는 것을 특징으로 한다.In the step (2), the mixture may contain one or more selected from the group consisting of chloroform, dimethylformamide, diethylformamide, and N-methyl-2-pyrrolidone. Or more, and vacuum filtration is performed.

상기 (3)단계에서 열처리는 100 내지 2500 ℃에서 실시하는 것을 특징으로 한다.In the step (3), the heat treatment is performed at 100 to 2500 ° C.

또한, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조된 나트륨 이온 배터리용 음극물질을 제공한다.The present invention also provides a negative electrode material for a sodium ion battery produced by the above-described method.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 염화티오닐 처리로 영구적으로 접히고 구겨진 그래핀 기반의 나노시트를 진공여과하여 무질서하게 배향되고 높은 유연성을 갖는 나트륨 이온 배터리용 페이퍼 전극을 제조함으로써, 잘 쌓여진 단일 배향된 그래핀 기반의 페이퍼에 비하여 전기화학적 성능이 우수하며 전도성 충진재와 기판인 바인더가 없어도 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 효과가 있다.According to the present invention as described above, a paper electrode for a sodium ion battery which is disorderly oriented and highly flexible can be produced by vacuum filtration of graphene-based nanosheets permanently folded and crumpled by thionyl chloride treatment, The electrochemical performance is superior to that of the graphene-based paper, and an excellent electrochemical performance is obtained even without a conductive filler and a binder as a substrate.

도 1은 (a) UOGPs 횡단면의 SEM 이미지, (b) 100 mAg-1 전류밀도에서 UOGPs의 충방전곡선, (c) 및 (d) 다양한 배율에서 ROGPs 횡단면의 SEM 이미지.
도 2는 T-GNS의 AFM(왼쪽) 및 TEM(오른쪽) 이미지.
도 3은 (a) G-O, (b) H2N2-GNS, (c) T-GNS의 XPS O 1s 스펙트럼, (d) T-GNS의 XPS Cl 2p 스펙트럼.
도 4는 (a) G-O, (b) H2N2-GNS, (c) T-GNS의 FT-IR 스펙트럼.
도 5는 (a) 및 (b) ROGPs-600의 XPS 스펙트럼, (c) ROGPs-600의 라만 스펙트럼, (d) ROGPs-600 및 UOGPs의 온도에 따른 비저항 측정 결과.
도 6은 G-O의 XPS C 1s 스펙트럼.
도 7은 각 샘플의 라만 측정값.
도 8은 (a) 100 mAg-1 전류밀도에서 ROGPs-600의 충방전곡선, (b) 다양한 전류밀도에서 ROGPs-600의 용량, (c) ROGPs-600 및 다양한 레퍼런스의 전류밀도와 용량에 따른 그래프, (d) 1000 mAg-1 전류밀도에서 ROGPs-600의 사이클 안정성.
도 9는 (a) 및 (b) 주문제작한 장비를 이용한 ROGPs-600의 굽힘 전과 후의 사진, (c) 1000번의 굽힘 반복 후 100 mAg-1 전류밀도에서 ROGPs-600의 충방전곡선, (d) 1000번의 굽힘 반복 후 1000 mAg-1 전류밀도에서 ROGPs-600의 사이클 안정성.
Figure 1 shows (a) SEM image of a UOGPs cross section, (b) UOGPs charge and discharge curves at 100 mAg -1 current density, (c) and (d) SEM images of ROGPs cross sections at various magnifications.
Figure 2 shows AFM (left) and TEM (right) images of the T-GNS.
FIG. 3 shows the XPS O 1 s spectrum of T-GNS, (d) the XPS Cl 2 p spectrum of T-GNS, (b) H 2 N 2 -GNS,
Figure 4 (a) GO, (b) H 2 N 2 -GNS, (c) FT-IR spectrum of the T-GNS.
FIG. 5 shows the results of the resistivity measurement according to the temperature of (a) and (b) the XPS spectrum of ROGPs-600, (c) Raman spectrum of ROGPs-600, and (d) ROGPs-600 and UOGPs.
6 shows XPS C 1 s spectrum of GO.
7 is a Raman measurement of each sample.
Figure 8 shows the charge / discharge curves of ROGPs-600 at 100 mAg -1 current density, (b) the capacitance of ROGPs-600 at various current densities, (c) the current density and capacity of ROGPs- (D) Cycle stability of ROGPs-600 at 1000 mAg -1 current density.
FIG. 9 is a photograph of ROGPs-600 before and after bending using custom-made equipment; (c) ROGPs-600 charge / discharge curve at 100 mAg -1 current density after 1000 bending cycles; ) Cycle stability of ROGPs-600 at 1000 mAg -1 current density after 1000 bending cycles.

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

본 발명에서 UOGPs(uni-oriented graphene-based papers)는 히드라진으로 환원된 그래핀 나노시트를 진공여과하여 제조된 단일 배향된 그래핀 기반의 페이퍼를 의미한다.In the present invention, uni-oriented graphene-based papers (UOGPs) refer to unidirectionally graphene-based papers produced by vacuum filtration of graphene nanosheets reduced to hydrazine.

본 발명에서 ROGPs(randomly oriented graphene-based papers)는 염화티오닐이 처리된 그래핀 나노시트를 진공여과하여 제조된 무질서하게 배향되고 높은 유연성을 갖는 그래핀 기반의 페이퍼를 의미한다.Randomly oriented graphene-based papers (ROGPs) in the present invention refer to graphene-based paper that is disorderly oriented and highly flexible produced by vacuum filtration of thionyl chloride treated graphene nanosheets.

본 발명에서 H2N2-GNSs는 히드라진으로 환원된 그래핀 나노시트를 의미한다.In the present invention, H 2 N 2 -GNSs refers to graphene nanosheets reduced to hydrazine.

본 발명에서 T-GNSs는 염화티오닐이 처리된 그래핀 나노시트를 의미한다.In the present invention, T-GNSs means graphene nanosheet treated with thionyl chloride.

본 발명은 (1) 그래핀 옥사이드 분말과 염화티오닐을 혼합하는 단계; (2) 상기 혼합물을 진공여과하여 그래핀 기반의 페이퍼를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 그래핀 기반의 페이퍼를 열처리하는 단계;를 포함하는 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법을 제공한다.(1) mixing graphene oxide powder with thionyl chloride; (2) vacuum-filtering the mixture to produce a graphene-based paper; And (3) heat treating the graphene-based paper. The present invention also provides a method of manufacturing a negative electrode material for a sodium ion battery.

상기 (1)단계에서 그래핀 옥사이드 분말은 기 공지된 방법에 따라 흑연으로부터 얻은 그래핀 옥사이드를 증류수(distilled water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디에틸포름아미드(diethylformamide), 터셔리부탄올(tert-butanol) 및 메틸피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)을 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 용액에 분산시켜 얻은 그래핀 옥사이드 용액을 동결건조하여 제조된 것이 바람직하다.In the step (1), the graphene oxide powder may be prepared by mixing graphene oxide obtained from graphite with distilled water, ethanol, methanol, chloroform, dimethylformamide A graphene oxide solution obtained by dispersing in at least one solution selected from the group consisting of diethylformamide, tert-butanol and N-methyl-2-pyrrolidone Is preferably prepared by lyophilization.

상기 (3)단계에서 열처리는 10 내지 1,000 mL/min의 비활성 기체 분위기 하에서 온도를 1 내지 20 ℃/min의 속도로 승온시켜 100 내지 2,500 ℃, 바람직하게는 200 내지 1,500 ℃에서 실시하는 것이 최적의 효과를 나타낸다.In the step (3), the heat treatment is preferably carried out at a temperature of 1 to 20 ° C / min under an inert gas atmosphere of 10 to 1,000 ml / min and at 100 to 2,500 ° C, preferably 200 to 1,500 ° C, Effect.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예.Examples.

그래핀 옥사이드(G-O)는 Sigma-Aldrich에서 구입한 흑연으로부터 기 공지된 Hummers method를 이용하여 제조하였다. 이후, G-O 수용액을 액체질소에 넣어 얼리고, 동결건조기(LP3, Jouan, France)를 이용하여 50 ℃, 0.045 mbar에서 72 시간 동안 동결건조시켰다. 동결건조 후, 낮은 밀도로 루즈하게 쌓여진 1.58의 밀도를 갖는 G-O 분말을 얻었으며, 낮은 밀도를 갖는 G-O 분말을 이용함으로써 고온 열처리 과정에서 G-O의 응집을 최소화하여 매우 얇은 두께를 갖는 페이퍼를 제조할 수 있다. Grafton oxide (G-O) was prepared from graphite purchased from Sigma-Aldrich using the Hummers method known per se. The aqueous solution of G-O was then frozen in liquid nitrogen and lyophilized for 72 hours at 50 DEG C and 0.045 mbar using a freeze dryer (LP3, Jouan, France). After lyophilization, a GO powder with a density of 1.58 loosely piled up at low density was obtained. By using a GO powder having a low density, it is possible to manufacture a paper having a very thin thickness by minimizing GO aggregation in a high temperature heat treatment process have.

상기 제조된 100 mg의 G-0 분말을 50 ml의 염화티오닐(≥99%, Sigma-aldrich)에 넣어 초음파 처리를 하면서 분산시켰다. G-O 분산은 60 ℃에서 12시간 동안 처리하였다. 그 결과물을 디메틸포름아미드에 희석시키고, Anodisc membrane filter로 진공여과하여(47 mm diameter, 0.2 μm pore size; Whatman) 그래핀 기반의 페이퍼 ROGPs를 제조하였다. 또한, ROGPs는 관으로 된 퍼니스로 상온에서 600 ℃까지 가열하여 2 시간 동안 유지하였다(가열 속도 10 ℃/min, 아르곤 가스 주입 속도 200 ml/min). 이렇게 제조된 ROGPs-600은 30 ℃의 진공오븐에서 보관하였다.100 mg of G-0 powder prepared above was dispersed in 50 ml of thionyl chloride (≥99%, Sigma-aldrich) while ultrasonication. The G-O dispersion was treated at 60 DEG C for 12 hours. The resultant was diluted with dimethylformamide and vacuum filtered with anodisc membrane filter (47 mm diameter, 0.2 μm pore size; Whatman) to produce graphene-based paper ROGPs. In addition, ROGPs were heated in a tube furnace at room temperature to 600 ° C and maintained for 2 hours (heating rate 10 ° C / min, argon gas injection rate 200 ml / min). The thus prepared ROGPs-600 was stored in a vacuum oven at 30 ° C.

비교예.Comparative Example.

기 공지된 Hummers method에 따라 제조된 그래핀 옥사이드 분말을 증류수에 분산시키고, 히드라진을 상기 분산된 그래핀 옥사이드 용액에 1:2의 비율로 첨가하였다. 90 ℃에서 1 시간 동안 교반하여 환원된 그래핀 나노시트(H2N2-GNSs)를 제조하고, 상기 H2N2-GNSs를 Anodisc membrane filter(직경 47 mm, 기공크기 0.2 μm; Whatman)로 진공여과하여 UOGPs를 제조하였다. The graphene oxide powder prepared according to the known Hummers method was dispersed in distilled water, and hydrazine was added to the dispersed graphene oxide solution at a ratio of 1: 2. (H 2 N 2 -GNSs) was prepared by stirring the mixture at 90 ° C. for 1 hour to prepare reduced graphene nanosheets (H 2 N 2 -GNSs), and the H 2 N 2 -GNSs was subjected to anodisc membrane filter (47 mm in diameter, UOGPs were prepared by vacuum filtration.

실험예.Experimental example.

(1) 물리적 특성(1) Physical properties

준비된 샘플의 모폴로지는 필드 방사 주사 전자 현미경(FE-SEM, S-4300, Hitachi, Japan)과 필드 방사 주사 전자 현미경(FE-TEM, JEM2100F, JEOL, Japan)으로 분석하였다. T-GNS의 지형적 이미지는 원자현미경(AFM, NT-MDT, Russia)으로 측정하였다. 캔틸레버(cantilever)는 NSG-10(NT-MDT, Russia)을 사용하였으며 semi-contact operation 모드로 측정하였다. 라만 스펙트럼 분석은 NTEGRA 분광기를 사용하였으며 473 nm(2.62 eV)의 후방산란(backscattering)으로 측정하였다. 스펙트럼의 해상도는 600-groove/mm grating을 사용하여 ~2 cm-1로 맞추고 100 배율의 대물렌즈는 330 nm까지의 레이저 스팟 크기를 가졌다. 비파괴 측정을 위해 레이저 세기는 0.3 mW 이하로 유지하고, X선 광전자 분광법(XPS, PHI 5700 ESCA) 분석에는 monochromated Al Kα radiation(hv = 1486.6 eV)을 사용하였다. FT-IR(Fourier Transform-Infrared spectroscopy)은 VERTEX 80v(Bruker Optics, Germany)로 측정하였다. 온도에 의존하는 I-V 특징은 Janis 극저온계에서 반도체 특성분석 시스템(4200-SCS, Keithley)으로 전통적으로 사용되는 4개의 프로브 방법으로 알아내었다. 이러한 전기적 측정은 진공에서 12 시간 동안 가스 제거(<2 × 10-6 Torr)를 한 후에 행해졌다.The morphology of the prepared samples was analyzed by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, S-4300, Hitachi, Japan) and field emission scanning electron microscopy (FE-TEM, JEM2100F, JEOL, Japan). Topographical images of T-GNS were measured by atomic force microscope (AFM, NT-MDT, Russia). The cantilever was measured using NSG-10 (NT-MDT, Russia) and semi-contact operation mode. Raman spectrum analysis was performed using a NTEGRA spectrometer and backscattering at 473 nm (2.62 eV). The spectral resolution was set to ~ 2 cm -1 using a 600-groove / mm grating and the objective lens of 100 magnification had a laser spot size of up to 330 nm. For non-destructive measurement, the laser intensity was kept below 0.3 mW, and monochromated Al K radiation (hv = 1486.6 eV) was used for X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, PHI 5700 ESCA) analysis. Fourier Transform-Infrared spectroscopy (FT-IR) was measured with a VERTEX 80v (Bruker Optics, Germany). Temperature-dependent IV characteristics were determined using the four probe methods traditionally used in the Janis cryo-system as a semiconductor characterization system (4200-SCS, Keithley). This electrical measurement was done after degassing (< 2 x 10 &lt; -6 &gt; Torr) for 12 hours in vacuum.

(2) 전기화학적 특성(2) Electrochemical properties

전기화학적 성능은 Wonatec automatic battery cycler 과 CR2032-type coin cells을 이용하여 측정하였다. coin cells은 아르곤이 충진된 글러브 박스 안에서 모았고, 금속성의 sodium 과 1 M NaClO4(Aldrich99.99%)를 전해질로써 propylene carbonate수용액 안에서 혼합 전극으로 사용하였다.Electrochemical performance was measured using Wonatec automatic battery cycler and CR2032-type coin cells. The coin cells were collected in a glove box filled with argon and metallic sodium and 1 M NaClO 4 (Aldrich 99.99%) were used as electrolyte in the aqueous solution of propylene carbonate.

실험결과.Experiment result.

(1) UOGPs의 층간 모폴로지는 H2N2-GNSs의 촘촘한 층간 쌓임(~3 μm)을 나타내며(도 1a), UOGPs는 100 mAg-1의 전류밀도에서 170 mAhg-1의 가역적인 Li capacity를 나타냈다(도 1b). 이 값은 LIBs에 대한 이전의 보고와 비슷하다. 그러나, 가역적인 Na capacity는 같은 전류밀도에서 10 mAhg-1으로 매우 낮았다. 이는 실용 가능한 NIBs의 전류범위에서 Na 이온의 UOGPs으로의 삽입과 방출이 어렵다는 것을 나타낸다. 그러므로, Na 이온의 쉬운 삽입과 방출을 위한 적절한 구조를 제공하기 위해서는, 그래핀 기반의 구조적 설계가 필요하다. (1) inter-layer morphology of UOGPs represents a dense interlayer accumulation (~ 3 μm) of H 2 N 2 -GNSs (Fig. 1a), is reversible Li UOGPs capacity of 170 mAhg -1 at a current density of 100 mAg -1 (Fig. 1B). This value is similar to the previous report on LIBs. However, the reversible Na capacity was very low at 10 mAhg -1 at the same current density. This indicates that insertion and release of Na ions into UOGPs is difficult in the current range of practical NIBs. Therefore, a graphene-based structural design is needed to provide a suitable structure for easy insertion and release of Na ions.

ROGPs의 층간 모폴로지는 그래핀 기반의 구성요소가 랜덤하게 배향된 구조를 나타낸다(도 1c-d). ROGPs는 유연하고 30 μm 정도의 두께를 가지며, 이는 T-GNSs로 만들어진 구조이다. ROGPs와 UOGPs 사이의 형태학적인 차이는 나트륨 저장 성능에 있어 큰 차이를 가져온다. 동결건조된 G-O 분말을 염화티오닐(≥99%, Sigma-Aldrich) 용액에 바로 넣었다. 염화티오닐의 내부 친핵성 작용기는 carboxylic acid와 상호작용하고, acyl chloride는 G-O의 기본 면과 가장자리에 형성된다. G-O 위에 있는 일부분의 acyl chloride는 또한 carboxylic acid와 다른 G-O의 hydroxyl기에 의해 친핵성 공격에 반응성을 갖고, 이것은 G-O의 intersheet와 intrasheet 사이에 일어난다. 그 결과, G-O 시트는 영구적으로 접히거나 주름이 형성되었다.The inter-layer morphology of ROGPs shows a structure in which graphene-based components are randomly oriented (Fig. 1c-d). ROGPs are flexible and have a thickness of about 30 μm, which is a structure made of T-GNSs. The morphological differences between ROGPs and UOGPs lead to large differences in sodium storage performance. The lyophilized G-O powder was immediately added to thionyl chloride (≥99%, Sigma-Aldrich) solution. The internucleophilic functional group of thionyl chloride interacts with carboxylic acid, and acyl chloride is formed on the basal plane and edge of G-O. Some of the acyl chloride above G-O is also reactive to nucleophilic attack by carboxylic acid and other G-O hydroxyl groups, which occurs between the intersheet and the intrasheet of G-O. As a result, the G-O sheet was permanently folded or creased.

도 2는 T-GNS의 몇 마이크로미터의 측면 사이즈와 10 nm의 높이를 가진 주름진 표면 모폴로지를 보여준다. T-GNS는 염화티오닐에 의해 환원되었고, 도 3은 G-O, H2N2-GNS, T-GNS의 O 1s XPS를 나타낸다. O 1s의 구별되는 피크는 carbonyl기와 여러 가지의 다른 산소 관능기의 존재를 보여준다. G-O의 산소는 히드라진이나 염화티오닐의 처리를 통해 더 낮아졌고, T-GNS는 몇몇 Cl 원소가 도핑되었다. T-GNS의 Cl 2p XPS에서 두 개의 구별되는 199.0 eV와 200.9 eV에서의 결합에너지가 측정되었는데, 이는 C-Cl과 O=C-Cl을 각각 가리킨다. T-GNS의 FT-IR 자료는 그래핀과 Cl과의 화학적 결합을 보여준다(도 4).Figure 2 shows a corrugated surface morphology with a side dimension of several micrometers in the T-GNS and a height of 10 nm. T-GNS was reduced by thionyl chloride, and FIG. 3 shows O 1s XPS of GO, H 2 N 2 -GNS, and T-GNS. The distinctive peaks of O 1s show the presence of carbonyl groups and various other oxygen functionalities. The oxygen of the GO was lowered through the treatment of hydrazine or thionyl chloride, and T-GNS was doped with several Cl elements. In Cl 2p XPS of T-GNS, two distinct binding energies at 199.0 eV and 200.9 eV were measured, which indicate C-Cl and O = C-Cl, respectively. The FT-IR data of T-GNS show the chemical bonding between graphene and Cl (Fig. 4).

(2) 도 5a는 600 ℃에서 열처리 후의 ROGPs-600의 XPS C 1s 스펙트럼을 보여준다. ROGPs-600의 C 1s 스펙트럼에서 284.2 eV에서의 주요 sp2 C=C 피크와 285.1 eV에서의 sp3 C-C 피크가 관찰되었다. 또한, 남아있는 C(O)O 산소 피크가 290.1 eV에서 찾아졌다. 이러한 285.1 eV에서의 sp3 C-C 피크는 287.5 eV에서의 C-O 피크를 가지는 G-O의 XPS C 1s와 구별된다(도 6). ROGPs-600 내부에 있는 산소 그룹의 화학적 배열은 T-GNS와 비슷하지만, 카보닐기의 함량은 ROGPs-600이 더 높았다(도 5b). ROGPs의 C/O 비율은 11.5로, 다른 결과값인 G-O(2.3), T-GNS(6.9), 그리고 H2N2-GNS(7.9)보다 훨씬 큰 값인데, 이것은 ROGPs-600이 많이 환원되었다는 것을 의미한다. (2) Figure 5a shows the XPS C 1s spectrum of ROGPs-600 after heat treatment at 600 ° C. A major sp 2 C = C peak at 284.2 eV and an sp 3 CC peak at 285.1 eV were observed in the C 1s spectrum of ROGPs-600. In addition, the remaining C (O) O oxygen peak was found at 290.1 eV. This sp 3 CC peak at 285.1 eV is distinct from the XPS C 1s of GO with a CO peak at 287.5 eV (FIG. 6). The chemical arrangement of oxygen groups inside ROGPs-600 was similar to that of T-GNS, but the content of carbonyl groups was higher for ROGPs-600 (FIG. 5b). The C / O ratio of ROGPs is 11.5, which is much higher than the other values of GO (2.3), T-GNS (6.9), and H 2 N 2 -GNS (7.9), suggesting that ROGPs- .

ROGPS-600의 원자 구조를 확인하기 위해 라만분광법이 사용되었다. 도 5c에 라만 스펙트럼을 나타내었는데, D와 G 피크가 ~1367 cm-1과 ~1599 cm-1에서 각각 나타났다. D 피크는 이상적인 그래핀 구조에서 무한대의 벌집형태의 격자에서의 대칭을 깨는 결함과 관련이 있고, G 피크는 Brillouin zone center에 E2g의 이중퇴화로부터 발생된다. D 피크의 세기와 G 피크의 세기 ratio는 ~1.07로, 이 값은 UOGPs(~1.23)와 ROGPs(~1.11) 값보다 낮은 수치인데, 이것은 ROGPs-600 안의 결함이 상대적으로 적다는 것을 나타낸다. 또한, 도 7에서 보는 바와 같이 H2N2-GNS, T-GNS, T-GNS-600 나노시트의 라만 측정값에 주목했다. Raman spectroscopy was used to identify the atomic structure of ROGPS-600. Figure 5c shows Raman spectra, with D and G peaks at ~ 1367 cm -1 and ~ 1599 cm -1 , respectively. The D-peak is related to the defect breaking symmetry in the infinite honeycomb-shaped lattice in the ideal graphene structure, and the G-peak originates from the double degeneration of E2g in the Brillouin zone center. The intensity of the D peak and the intensity of the G peak are ~ 1.07, which is lower than the values of UOGPs (~ 1.23) and ROGPs (~ 1.11), indicating that the defects in ROGPs-600 are relatively small. Also, as shown in FIG. 7, attention was paid to Raman measurement values of H 2 N 2 -GNS, T-GNS and T-GNS-600 nanosheets.

전기 전도도와 전기적 특성에 의한 구조 효과를 확인하기 위해, ROGPs-600의 온도에 의존하는 c축(비평면)과 a축(평면)의 비저항을 측정했다(도 5d). UOPGs 또한 비슷하게 얻어졌다. 두 샘플들은 전체적인 온도 범위에서 음수의 dρ(T)/dT를 보이며 비금속적 거동을 보였다. 예상한 것과 같이, UOPGs의 비저항은 ROGPs-600의 저항보다 높았다. Δρ = (ρ a - ρ c )/ρ a 는 ROGPs-600에서 낮게 측정(0.769)되었으나 이 값은 UOPG(2.928)의 측정값보다 훨씬 낮은 수치이다. 이는 UOPGs와 비교해서 ROPGs-600 안의 c축 방향에 존재하는 전도채널이 많다는 것을 의미하며 이는 ROGPs-600의 무작위로 배향된 구조 때문이다. 따라서, ROGPs-600의 구조는 NIBs의 음극의 rate 특성을 좋게 만들어 전기적 특성을 강화시키는 것을 알 수 있었다.The resistivity of the c-axis (nonplanar) and a-axis (plane), which depends on the temperature of the ROGPs-600, was measured to confirm the structural effect of electrical and electrical properties (FIG. UOPGs were similarly obtained. Both samples showed non-metallic behavior with negative d ρ (T) / d T over the entire temperature range. As expected, the resistivity of UOPGs was higher than that of ROGPs-600. Δ ρ = ( ρ a - ρ c ) / ρ a was measured to be low (0.769) at ROGPs-600, but this value is much lower than that of UOPG (2.928). This means that there are more conduction channels in the c-axis direction in ROPGs-600 compared to UOPGs, which is due to the randomly oriented structure of ROGPs-600. Therefore, it was found that the structure of ROGPs-600 improves the electrical characteristics by improving the rate characteristic of the NIBs cathode.

(3) ROGPs-600의 전기화학적 성질은 0.005~2.5 V의 포텐셜 범위에서 전류밀도를 변화시키면서 전류 충전/방전 cycling함으로써 측정하였다. 그 결과, ROGPs-600의 충전/방전 곡선(Na의 삽입/추출)은 구별되는 potential plateaus를 보여주지 못했다(도 8a). 이것은 표면에서의 반응이 전기화학적, 기하학적으로 동등하지 않은 Na 이온이 있는 곳에서 일어난다는 것을 의미한다. 0.5~0.7 V사이의 voltage plateau는 전해질의 분해와 전극 표면의 고체 전해질 필름의 형성에 기여할 수 있다. 첫 번째 cycle의 가역적 용량은 일반적으로 쓰이는 구리 기판 위에 무질서하게 쌓여진 환원된 GO 분말과 비슷한 전류밀도 100 mAg-1에서 180 mAg-1였다. (3) The electrochemical properties of ROGPs-600 were measured by current charging / discharging cycling while varying the current density in the potential range of 0.005 to 2.5 V. As a result, the charge / discharge curves (insertion / extraction of Na) of ROGPs-600 did not show a distinct potential plateaus (FIG. 8A). This means that the reaction at the surface takes place in the presence of electrochemically, geometrically unequal Na ions. A voltage plateau between 0.5 and 0.7 V can contribute to the decomposition of the electrolyte and the formation of a solid electrolyte film on the electrode surface. The reversible capacity of the first cycle was 180 mAg -1 at a current density of 100 mAg -1 similar to the reduced GO powder deposited randomly on a commonly used copper substrate.

도 8b는 ROGPs-600의 rate 특성을 보여주고, 도 8c는 ROGPs-600(빨간 선)과 레퍼런스의 전류밀도 vs 용량의 plot을 나타낸다. ROGPs-600은 rate 특성과 가역특성이 매우 좋았다. 그럼에도 불구하고 8 Ag-1 전류밀도에서 60 mAhg-1의 매우 안정된 음극 용량을 얻을 수 있었다. ROGPs-600의 사이클 안정성은 1 Ag-1의 전류밀도에서 500회 측정하였다. 반복적인 500회의 안정적인 충전/방전 사이클이 유지되었고, 초기 사이클을 제외한 모든 구간에서 쿨롱 효율이 거의 100 %에 육박했다(도 8d). 굽힘 시험 1000회 이후에도 전기화학적 성능은 변화하지 않았다.FIG. 8B shows the rate characteristic of ROGPs-600, and FIG. 8C shows plot of ROGPs-600 (red line) and reference density vs. capacity. ROGPs-600 has very good rate and reversibility characteristics. Nevertheless, a very stable cathode capacity of 60 mAhg -1 at 8 Ag -1 current density was obtained. The cycle stability of ROGPs-600 was measured 500 times at a current density of 1 Ag &lt; -1 & gt ;. A repetitive 500 stable charge / discharge cycles were maintained, with Coulomb efficiency nearing 100% in all but the initial cycle (FIG. 8d). The electrochemical performance did not change after 1000 bend tests.

(4) 주문 제작된 장비를 이용한 ROGPs-600의 굽힘 시험 결과를 도 9에 나타냈다. 1000번을 넘는 반복적인 굽힘 시험 뒤에, ROGPs-600의 중심부분을 이용하여 NIB half cell 실험을 진행하였다. 충전/방전 곡선은 굽힘 시험 이전의 ROGPs-600과 거의 일치하였고, 사이클 안정성 역시 500회 넘게 유지되었다.(4) The bending test results of ROGPs-600 using the customized equipment are shown in FIG. After more than 1000 repetitive bending tests, the NIB half cell experiment was performed using the central part of ROGPs-600. The charge / discharge curve closely matched the ROGPs-600 prior to the bend test, and the cycle stability was also maintained over 500 times.

(5) 결론적으로, T-GNS의 영구적으로 접혀지거나 주름진 구조는 유연한 ROGPs-600에서 전기화학적으로 중요한 역할을 수행하는 것을 알 수 있다. ROGPs-600은 11.5의 C/O 비율과 1.07의 I D /I G 을 가지는데, 이것은 sp2 탄소 구조가 잘 발달되어 있음을 나타내며, ROGPs-600은 평면과 비평면 양쪽에서 좋은 전기전도성을 보여주었다(각각 19, 12 S cm-1). 또한, ROGPs-600의 독특한 구조와 잘 발달된 탄소 구조는 충전재나 기판과 같은 바인더의 부재에도 불구하고 좋은 전기화학적 성질을 나타냈다. ROGPs-600은 500번의 충전/방전 사이클에도 불구하고 높은 쿨롱 효율과 함께 좋은 사이클 안정성을 가지고, 이러한 전기화학적 특성은 1000번의 굽힘 시험하는 동안 유지되었는데 이는 ROGPs-600의 높은 유연성을 보여준다.(5) In conclusion, it can be seen that the permanently folded or corrugated structure of T-GNS plays an important role electrochemically in flexible ROGPs-600. ROGPs-600 has a C / O ratio of 11.5 and an I D / I G of 1.07, indicating that the sp 2 carbon structure is well developed and that ROGPs-600 exhibits good electrical conductivity in both planar and non- (19 and 12 S cm -1 , respectively). In addition, the unique structure and well-developed carbon structure of ROGPs-600 showed good electrochemical properties in spite of the absence of a binder such as filler or substrate. ROGPs-600 has good cycle stability with high coulomb efficiency, despite 500 charge / discharge cycles, and this electrochemical property was maintained during 1000 bend tests, demonstrating the high flexibility of ROGPs-600.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
Having described specific portions of the present invention in detail, it will be apparent to those skilled in the art that this specific description is only a preferred embodiment and that the scope of the present invention is not limited thereby. It will be obvious. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (5)

(1) 그래핀 옥사이드 분말과 염화티오닐을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(2) 상기 혼합물을 진공여과하여 그래핀 기반의 페이퍼를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 그래핀 기반의 페이퍼를 열처리하는 단계;를 포함하며
상기 그래핀 옥사이드 분말은 그래핀 옥사이드를 증류수(distilled water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디에틸포름아미드(diethylformamide), 터셔리부탄올(tert-butanol) 및 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)을 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 용액에서 분산시켜 얻은 그래핀 옥사이드 용액을 동결건조하여 제조된 것을 특징으로 하는 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법.
(1) mixing a graphene oxide powder and thionyl chloride to prepare a mixture;
(2) vacuum-filtering the mixture to produce a graphene-based paper; And
(3) heat treating the graphene-based paper
The graphene oxide powder is prepared by dissolving graphene oxide in distilled water, ethanol, methanol, chloroform, dimethylformamide, diethylformamide, tertiary butanol wherein the solution is prepared by lyophilizing a graphene oxide solution obtained by dispersing in at least one solution selected from the group consisting of tert-butanol and methyl-2-pyrrolidone. A method of manufacturing a negative electrode material.
제 1항에 있어서,
상기 (1)단계에서 그래핀 옥사이드 분말과 염화티오닐은 20 내지 70 ℃에서 1 내지 48 시간 동안 초음파 분산시켜 혼합하는 것을 특징으로 하는 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the graphene oxide powder and the thionyl chloride are dispersed by ultrasonic dispersion at 20 to 70 ° C for 1 to 48 hours in the step (1).
제 1항에 있어서,
상기 (2)단계에서 혼합물은 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디에틸포름아미드(diethylformamide), 및 메틸피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)을 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 용액에 희석하여 진공여과하는 것을 특징으로 하는 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (2), the mixture may contain one or more selected from the group consisting of chloroform, dimethylformamide, diethylformamide, and N-methyl-2-pyrrolidone. By weight, and then vacuum filtration is performed.
제 1항에 있어서,
상기 (3)단계에서 열처리는 100 내지 2500 ℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 나트륨 이온 배터리용 음극물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in the step (3) is performed at a temperature of 100 to 2500 占 폚.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 나트륨 이온 배터리용 음극물질.











A negative electrode material for a sodium ion battery produced by the method of any one of claims 1 to 4.











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Supplementary Material for Chemical Communications 2009, pp.2174-2176

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