KR101641255B1 - Composition and Method for Preparing Lithium Doped Graphene via Chemical Reaction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학반응을 통해 리튬이 도핑된 그래핀을 제조하기 위한 조성물 및 이를 이용하여 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하는 방법에 관한 것이다. 이에, 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하는 시간을 크게 단축할 수 있으며, 화재와 폭발의 위험을 제거할 수 있다. 부수적으로 화학적으로 리튬이 도핑된 그래핀 용액을 제조함으로써 다양한 응용을 기대할 수 있다. The present invention relates to a composition for preparing lithium-doped graphene through a chemical reaction and a method for synthesizing lithium-doped graphene using the composition. Thus, the time for synthesizing lithium-doped graphene can be greatly shortened, and the risk of fire and explosion can be eliminated. Various applications can be expected by chemically preparing a lithium-doped graphene solution incidentally.

Description

화학반응을 통해 리튬이 도핑된 그래핀을 제조하기 위한 조성물 및 방법{Composition and Method for Preparing Lithium Doped Graphene via Chemical Reaction}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composition and a method for preparing lithium-doped graphene through a chemical reaction,

본 발명은 화학반응을 통해 리튬이 도핑된 그래핀을 제조하기 위한 조성물 및 이를 이용하여 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a composition for preparing lithium-doped graphene through a chemical reaction and a method for synthesizing lithium-doped graphene using the composition.

산화 그래핀은 흑연(graphite)을 산화시키는 공정을 통하여 합성할 수 있는데, 기존에 흑연을 산화시키는 것으로 알려져 있는 수 개의 방법들 중에서 개선된 허머스 법(modified hummers method)이 반응 시간 대비 가장 효과적으로 산화 그래핀을 합성할 수 있는 방법으로 알려져 있다.Oxidized graphene can be synthesized through the process of oxidizing graphite. Among the several methods known to oxidize graphite in the past, the modified hummers method is most effective in oxidizing graphite It is known as a way to synthesize graphene.

산화 그래핀 합성법은 총 두 단계의 산화를 통해 원 재료인 흑연으로부터 산화 그래핀을 합성한다. 1차 산화 반응의 산화제인 과황산칼륨(K2S2O8)과 오산화인(P2O5)을 이용하여 강산 분위기에서 흑연을 예비 산화시킨 후, 2차 산화 반응의 산화제인 과망간산칼륨(KMnO4)을 이용하여 산화도를 증가시킨다. 산화 후 정제 과정을 통해 고체 상태의 순수한 산화 그래핀을 획득한다. The oxidative graphene synthesis method synthesizes oxidized graphene from graphite, which is a raw material, through oxidation in two steps in total. Graphite was preliminarily oxidized in a strong acid atmosphere using potassium persulfate (K 2 S 2 O 8 ) and phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ), which are the oxidants of the first oxidation reaction, and potassium permanganate KMnO 4 ) is used to increase the degree of oxidation. After the oxidation, pure silver oxide grains are obtained through a purification process.

리튬 도핑 그래핀(Li-doped graphene)은 리튬이온 커패시터(lithium ion capacitor)의 전극소재로 사용되는 것으로서 전극 소재에 리튬을 사전에 도핑하면 전극 전위(electrode potential)가 낮아져 상대전극과 전위차가 커지게 된다. 이로 인해 작동전압이 커져 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 사전에 그래핀에 도핑된 리튬은 리튬이온 커패시터 초기 방전 시, 방전 용량(discharge capacity)과 가용전압범위 증가에 기여하여, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. Lithium-doped graphene (Li-doped graphene) is used as an electrode material of a lithium ion capacitor. When lithium is pre-doped into an electrode material, the electrode potential is lowered and a potential difference with the counter electrode is increased do. As a result, the operating voltage is increased and the energy density can be improved. Further, lithium doped in graphene in advance can contribute to an increase in discharge capacity and an available voltage range at the initial discharge of the lithium ion capacitor, thereby improving the energy density.

기존에 그래핀에 리튬을 도핑하는 방법으로는, 그래핀 전극 상에 리튬 금속을 위치시키고, 리튬 이온의 이동을 유도하는 추진력(driving force)으로 열을 가하여 리튬 이온의 도핑을 유도하는 방법이 있으나, 이는 도핑 속도의 제어가 불가능하다는 단점이 있다. Conventionally, as a method of doping lithium into graphene, there is a method of placing lithium metal on a graphene electrode and inducing doping of lithium ions by applying heat with a driving force for inducing movement of lithium ions , Which is disadvantageous in that it is impossible to control the doping rate.

다른 종래 기술로는, 리튬을 전기화학적으로 도핑하는 방법이 있는데, 이는 리튬의 제공 물질로 사용된 리튬 금속과 전극을 전기적으로 연결하고 단락(short) 시키거나 또는 인위적으로 전압 또는 전류를 인가하여, 리튬 이온의 이동을 유도하는 추진력으로서 전기에너지를 이용하는 방법이다. 이와 같이 리튬을 전기화학적으로 도핑하는 방법은 전기에너지의 조절을 통한 도핑 속도의 제어를 가능하게 하였지만, 상대적으로 많은 시간이 소모될 뿐만 아니라 리튬이온 커패시터 셀 제조 시에 리튬 금속이 셀 내부에 포함되므로 화재와 폭발의 위험을 항상 내재하고 있다.
Another conventional technique is a method of electrochemically doping lithium, which is a method of electrically connecting and short-circuiting a lithium metal used as a providing material of lithium with an electrode, or artificially applying a voltage or an electric current, It is a method of using electric energy as a driving force for inducing the movement of lithium ions. Although the method of doping lithium electrochemically enables the control of the doping rate by controlling the electric energy, the lithium metal is contained in the cell at the time of manufacturing the lithium ion capacitor cell as well as consuming a relatively long time. There is always a risk of fire and explosion.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous references are referenced throughout the specification and are cited therein. The disclosure of the cited document is incorporated herein by reference in its entirety to more clearly describe the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

대한민국 등록특허공보 제10-1128654호Korean Registered Patent No. 10-1128654

본 발명자들은 합성 시간을 크게 단축시키고 화재와 폭발의 위험을 제거함과 동시에 리튬을 효율적으로 도핑할 수 있는, 리튬의 화학적 도핑 방법을 개발하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 활물질로서 산화 그래핀을 이용하는 경우, 산화 그래핀이 환원 산화 그래핀으로 환원되는 힘이 추진력(driving force)으로 작용하여, 리튬이 산화 그래핀을 자발적으로 환원시킴과 동시에 그래핀 상에 화학적으로 도핑된다는 점을 밝혀냄으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
The present inventors have made efforts to develop a chemical doping method of lithium which can dramatically shorten the synthesis time, eliminate the risk of fire and explosion, and effectively dope lithium. As a result, when graphene oxide is used as the active material, the force of reduction of the graphene oxide to the reduced oxidized graphene acts as a driving force, so that lithium spontaneously reduces the oxidized graphene, And is chemically doped, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 리튬 도핑된 그래핀(Li-doped graphene)을 제조하기 위한 산화 그래핀 조성물을 제공하는데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide an oxidized graphene composition for the production of lithium-doped graphene.

본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하는 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for synthesizing lithium-doped graphene using the above composition.

본 발명의 또 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 관점은 산화 그래핀, 리튬 및 극성 유기용매를 포함하는, 리튬 도핑된 그래핀(Li-doped graphene) 제조에 사용하기 위한 산화 그래핀 조성물을 제공하는 것이다.
One aspect of the present invention is to provide an oxidized graphene composition for use in the production of lithium-doped graphene, including graphene oxide, lithium, and a polar organic solvent.

본 발명의 산화 그래핀 조성물은 리튬의 제공 물질로 사용된 리튬 금속과 전극을 전기적으로 연결하고 단락 (short) 시키거나 또는 인위적으로 전압 또는 전류를 인가해 리튬을 활물질에 도핑하는 방법이 아닌, 화학적인 방법으로 그래핀에 리튬을 도핑하는 방법에 사용하기 위한 조성물이다. The oxide graphene composition of the present invention is not a method of electrically connecting and short-circuiting lithium metal used as a material for providing lithium or short-circuiting it, or artificially applying a voltage or current to dope lithium into the active material, Lt; RTI ID = 0.0 > of < / RTI > lithium.

본 발명자들은 출발물질로서 산화 그래핀을 이용하는 경우, 산화 그래핀과 리튬이 갖는 환원 전위(reduction potential)의 차이를 이용하여 리튬이 자발적으로 산화 그래핀을 환원시키면서 동시에 그래핀 상에 도핑되는 것이 가능함을 밝혀내었다. 여기서, 리튬 금속의 환원 전위는 -3.04 V 이고 산화 그래핀의 환원 전위는 -1.0 V 정도이기 때문에, 인위적으로 전압 또는 전류를 인가하지 않고도 리튬의 도핑이 효과적으로 이루어지게 된다.When graphene oxide is used as the starting material, the present inventors can spontaneously reduce the graphene oxide and simultaneously be doped on the graphene by taking advantage of the difference in reduction potential between the graphene oxide and lithium. . Here, since the reduction potential of the lithium metal is -3.04 V and the reduction potential of the graphene oxide is approximately -1.0 V, the lithium doping can be effectively performed without artificially applying a voltage or current.

본 발명의 조성물에 포함되는 산화 그래핀은 허머스 법 등으로 직접 제조하거나 또는 구매하여 사용할 수도 있다. The oxidized graphene contained in the composition of the present invention may be directly manufactured by the Hummers method or purchased or used.

바람직한 일 구현예에서, 본 발명의 산화 그래핀 조성물은 비페닐(biphenyl)계 화합물 또는 나프탈렌으로부터 선택되는 전자 공여체를 더 포함할 수 있는데, 여기서 전자 공여체는 산화 그래핀과 리튬 간의 화학반응에 있어 촉매제로서 작용하게 된다. In a preferred embodiment, the oxidized graphene composition of the present invention may further comprise an electron donor selected from a biphenyl-based compound or naphthalene, wherein the electron donor is selected from the group consisting of a catalyst .

이와 같이 본 발명의 조성물이 전자 공여체를 더 포함하는 경우, 교반, 열처리, 중탕 초음파 처리 또는 둘 이상의 조합과 같은 간단한 공정만으로도 더욱 효과적으로 리튬 도핑된 그래핀을 다량 합성할 수 있는 장점이 있다.When the composition of the present invention further comprises an electron donor, it is advantageous to synthesize lithium-doped graphene in a larger amount even by a simple process such as stirring, heat treatment, ultrasonic wave treatment, or a combination of two or more.

전자 공여체는 음이온 라디칼 프로모터(anion radical promote)로서 효과적인 전자 전달체의 역할을 수행하게 되는데, 리튬으로부터 전자를 받은 전자 공여체는 반응성이 대단히 높은 음이온 라디칼이 되고, 연속적으로 산화 그래핀에 전자를 전달하여 카바니온 그래핀 종(carbanionic graphene species)을 형성하게 되고, 그 결과 Li-RGO가 형성되게 된다.The electron donor acts as an effective electron transporting agent as an anion radical promoter. An electron donor which receives electrons from lithium becomes an anion radical having a very high reactivity and continuously transfers electrons to the graphene oxide, Resulting in the formation of carbanionic graphene species, resulting in the formation of Li-RGO.

상기 전자 공여체로는 비페닐(biphenyl)계 화합물 또는 나프탈렌과 같은 페닐 계열의 음이온 라디칼 프로모터를 제한 없이 사용할 수 있으며, 여기서 비페닐계 화합물이란 DTBP(4,4’-Di-tert-butylbiphenyl), 3,3',5,5'-테트라브로모-1,1'-비페닐, 염화 비페닐(chlorinated biphenyl), 4-(브로모메틸)비페닐, 메틸 비페닐(methyl biphenyl), 4,4'-디메틸-1,1'-비페닐, 비페닐-4-카르복시산, 비페닐-4,4'-디티올, 브롬화 비페닐, 2-시아노-4-브로모 메틸 비페닐, 디메틸 비페닐-4,4'-디카르복실레이트, 5-(4'-메틸-2-비페닐)테트라졸 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.As the electron donor, biphenyl-based compounds or phenyl-based anion radical promoters such as naphthalene may be used without limitation. The biphenyl-based compounds include DTBP (4,4'-Di-tert-butylbiphenyl), 3 , 3 ', 5,5'-tetrabromo-1,1'-biphenyl, chlorinated biphenyl, 4- (bromomethyl) biphenyl, methyl biphenyl, '-Dimethyl-1,1'-biphenyl, biphenyl-4-carboxylic acid, biphenyl-4,4'-dithiol, biphenyl bromide, 2-cyano- 4,4'-dicarboxylate, 5- (4'-methyl-2-biphenyl) tetrazole, and combinations thereof, but are not limited thereto.

상기 용매로는 그래핀의 효과적인 분산을 위하여 극성을 띤 유기용매라면 제한 없이 사용할 수 있고, 예컨대 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), THF(Tetrahydrofuran), DMF(Dimethylformamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), DCB(dichlorobenzene), 톨루엔, 클로로포름, 메틸 클로라이드 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 좋기로는 NMP를 사용할 수 있다.The solvent may be any organic solvent having polarity for effective dispersion of graphene. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF) , Dichlorobenzene (DCB), toluene, chloroform, methyl chloride, and combinations thereof. However, it is not necessarily limited thereto, and NMP may be preferably used.

상기 리튬 소스로는 알갱이, 판상 등 형태에 관계없이 금속 리튬을 사용할 수 있다. 리튬 이온을 생성할 수 있는 리튬 화합물을 사용할 수도 있다.
As the lithium source, metal lithium may be used regardless of the form such as granules or plate form. A lithium compound capable of generating lithium ions may also be used.

본 발명의 다른 관점은 (i) 전술한 바와 같은 산화 그래핀 조성물을 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 조성물 중에서 산화 그래핀과 리튬의 화학반응을 일으키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하는 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (i) preparing a graphene oxide composition as described above; And (ii) causing a chemical reaction between the graphene oxide and the lithium in the composition. The present invention also provides a method for synthesizing lithium-doped graphene.

(i) 산화 (i) oxidation 그래핀Grapina 조성물을 준비하는 단계 Preparing the composition

본 발명의 일 구현예에서, 산화 그래핀 조성물은 산화 그래핀과 리튬, 전자 공여체, 용매를 아르곤 분위기의 글러브 박스(Glove box) 내의 용기에 모두 넣어 혼합하는 방식으로 준비될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxidized graphene composition can be prepared by mixing both the graphene oxide and the lithium, the electron donor, and the solvent in a container in a glove box in an argon atmosphere.

본 발명의 다른 구현예에서는, 용매와 산화 그래핀, 리튬, 전자 공여체를 동시에 혼합하고 에너지를 가하면 리튬과 산화 그래핀이 쉽게 반응하지 않을 수도 있으므로, 먼저 리튬이 용해된 용액을 만들고 그 용액에 산화 그래핀을 투입하는 방법으로 산화 그래핀 조성물을 준비할 수도 있다.In another embodiment of the present invention, since lithium and oxidized graphene may not easily react with each other when the solvent and oxidized graphene, lithium, and electron donor are mixed at the same time and energy is applied, a solution in which lithium is dissolved first is prepared, The graphene oxide graphene composition may be prepared by injecting graphene.

이 경우, 먼저 리튬이 용해된 용액을 제조하기 위하여, 아르곤 분위기의 글러브 박스 내에서 용기에 용매와 리튬을 투입하고 수분과 공기를 차단하기 위해 용기를 밀봉 할 수 있다. 산화 그래핀 조성물이 전자 공여체를 더 포함하는 경우에는, 용매와 리튬을 투입할 때 전자 공여체도 함께 투입하여 혼합할 수 있다. In this case, in order to prepare a solution in which lithium is dissolved first, the solvent and lithium may be put into a container in a glove box in an argon atmosphere, and the container may be sealed to block moisture and air. When the oxidized graphene composition further contains an electron donor, the solvent and the electron donor may be added together when lithium is added.

그 다음, 용액을 글러브 박스 내에서 가열하거나 또는 외부로 꺼내어 상압에서 가열할 수도 있는데, 조건에 따라서는 글로브 박스 내에서 가열할 경우 압력이 낮아 리튬의 녹는점이 상승해 용해가 지연될 수 있으며, 이 경우에는 외부로 꺼내어 상압에서 교반하며 가열하는 것이 바람직하다.Then, the solution may be heated in the glove box or taken out to the outside and heated at normal pressure. Depending on the conditions, the pressure may be lowered in the case of heating in the glove box, so that the melting point of lithium may increase and the dissolution may be delayed. It is preferable to take it out to the outside and heat it with stirring at normal pressure.

그 다음 글러브 박스 내에서 상기 준비된 용액에 산화 그래핀을 넣고 혼합하는 방법으로 산화 그래핀 조성물을 준비할 수 있다.Next, the graphene oxide composition can be prepared by adding graphene oxide to the prepared solution in the glove box and mixing.

(( iiii ) 산화 ) Oxidation 그래핀과Graffin and 리튬의 화학반응을 일으키는 단계 Steps leading to the chemical reaction of lithium

본 발명의 일 구현예에서 산화 그래핀과 리튬의 화학반응은 중탕 초음파(Bath sonication), 팁 초음파(Tip sonication), 가열(Heating), 교반(Stirring) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 방법에 의하여 에너지를 가하여 유도되는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the chemical reaction between the oxidized graphene and lithium is performed by a method selected from a bath sonication, a tip sonication, a heating, a stirrer, Lt; / RTI >

어떤 형태로든 산화 그래핀 조성물에 적절한 에너지가 가해지면 리튬과 산화 그래핀의 반응을 유도할 수 있으며, 예컨대 외부로의 노출을 최소화하면서 최대한 많은 유효 에너지를 가하기 위하여 가열하면서 초음파를 가해주는 주는 방법으로 에너지를 가할 수도 있다. When appropriate energy is applied to the oxidized graphene composition in any form, it is possible to induce a reaction between lithium and oxidized graphene. For example, in order to minimize the exposure to the outside, It can also apply energy.

가열 방식으로 에너지를 가하는 경우, 약 50 내지 100℃ 전후의 온도를 채택할 수 있는데, 온도가 지나치게 높은 경우 과다한 에너지가 가해져 반응이 매우 불안정해 질 수 있고, 온도가 지나치게 낮은 경우에는 리튬과 산화 그래핀이 자발적으로 반응하기는 하지만 반응이 완료되기까지의 필요한 시간이 좀 더 증가할 수가 있다. When the energy is applied by the heating method, a temperature of about 50 to 100 ° C can be adopted. If the temperature is excessively high, excessive energy may be applied to make the reaction extremely unstable. If the temperature is excessively low, Although the pin reacts spontaneously, the time required to complete the reaction can be further increased.

본 발명의 방법에 있어서, 리튬의 투입량을 조절함에 따라 그래핀에의 리튬 도핑 양이 조절될 수 있으며, 또한 상기 산화 그래핀 조성물이 전자 공여체를 더 포함하는 경우에는 상기 전자 공여체의 투입량에 따라서도 리튬이 도핑되는 양이 조절될 수 있다.In the method of the present invention, the amount of lithium doping on the graphene can be controlled by adjusting the amount of lithium supplied, and in the case where the oxidized graphene composition further includes an electron donor, depending on the amount of the electron donor The amount by which lithium is doped can be controlled.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 재료들을 이용하여 리튬이 도핑된 그래핀을 합성 시, 산화 그래핀 12 ~ 100 mg, 리튬 0.1 ~ 60 mg, 전자 공여체 10 ~ 1200 mg, 유기 용매 10 ~ 30 ml 정도의 범위에서 투입량을 조절할 수 있으며, 이에 따라 그래핀에 도핑되는 리튬의 양을 조절할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, when synthesizing lithium-doped graphene using the above materials, the graphene oxide may be prepared by mixing 12 to 100 mg of graphene oxide, 0.1 to 60 mg of lithium, 10 to 1200 mg of electron donor, 10 to 30 ml of organic solvent The amount of lithium doped in the graphene can be controlled.

본 발명에서는 긴 도핑 시간이 필요하고 화재와 폭발의 위험성을 내재하고 있는 전기화학적 도핑법을 화학적 도핑법으로 대체함으로써 리튬 도핑 시간을 1시간 정도로 획기적으로 단축하고 화재와 폭발의 위험으로부터 자유로워질 수 있다. In the present invention, by replacing the electrochemical doping method requiring long doping time and the risk of fire and explosion by the chemical doping method, the lithium doping time can be remarkably shortened to about 1 hour and free from the risk of fire and explosion have.

또한 전자 공여체의 투입량 및 산화 그래핀과 반응할 리튬의 투입량을 조절함으로써 최종적으로 그래핀에 도핑되는 리튬의 양을 제어할 수 있으므로, 리튬 도핑 농도를 최적화함으로써, 사용된 원소재의 정전용량 및 에너지 밀도, 출력 밀도 등의 특성을 최적화시킬 수 있다.
In addition, since the amount of lithium doped in graphene can be controlled finally by controlling the amount of electron donor and the amount of lithium to be reacted with the graphene oxide, it is possible to optimize the lithium doping concentration, Density, and power density.

도 1은 흑연으로부터 개선된 허머스 법으로 산화 그래핀을 합성하고, 환원제로서 리튬을 사용해 산화 그래핀을 환원시키면서 동시에 리튬을 그래핀에 화학적으로 도핑하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 기존의 전기화학적 리튬 도핑법을 나타낸 것이다. 기존의 전기화학적 방법은 리튬의 공급원으로 100% 리튬 금속을 사용해 cell을 구성하여 리튬을 음극에 도핑한 후 리튬 금속을 제거한다.
도 3은 유리병 내에 산화 그래핀, 리튬, 전자 공여체, 유기 용매를 넣고 혼합한 후, 에너지를 가해 화학적으로 리튬을 그래핀에 도핑하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 4의 좌측은 산화 그래핀이 분산된 유기 용매에서 리튬이 기포를 발생시키며 반응하는 모습을 나타낸 것이다. 우측은 리튬이 모두 반응하고 용액이 진갈색에서 검정색으로 변한 모습을 나타낸 것이다. 산화 그래핀은 탄소 구조 내의 π결합이 파괴되어 가시광선 영역의 흡수가 감소되어 검정색이 사라지고 진갈색이 된다. 산화 그래핀이 환원되면서 탄소의 π결합이 회복되면 가시광선 영역의 흡수가 증가되어 다시 검정색이 나타난다.
도 5는 산화 그래핀의 XPS C 1s 스펙트럼을 나타낸 것이다. C-OH, C-O, C=O, COOH 등의 산소 작용기들이 존재한다.
도 6은 NMP를 용매로 하여 제조한 리튬이 도핑된 그래핀의 XPS C 1s, Li 1s 스펙트럼을 나타낸 것이다. 리튬이 LiCx 및 LiC6 형태로 도핑되어 있다.
도 7은 THF를 용매로 하여 제조한 리튬이 도핑된 그래핀의 XPS C 1s, Li 1s 스펙트럼을 나타낸 것이다. 리튬이 LiCx 형태로 도핑되어 있다.
도 8은 산화 그래핀과 화학 반응을 통해 리튬이 도핑된 그래핀의 ICP-AES 및 성분 분석을 나타낸 것이다.
도 9는 Li2CO3 및 LiCx의 비율에 대한 용매의 영향을 나타낸 것이다.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a process of synthesizing graphene oxide by an improved Hummus method from graphite, chemically doping lithium into graphene while simultaneously reducing the graphene oxide using lithium as a reducing agent.
2 shows a conventional electrochemical lithium doping method. The conventional electrochemical method uses 100% lithium metal as a lithium source to form a cell, and lithium metal is removed after doping lithium into the negative electrode.
FIG. 3 is a schematic view showing a process in which graphene oxide, lithium, an electron donor and an organic solvent are mixed and mixed in a glass bottle, and then lithium is graphened chemically by applying energy.
The left side of FIG. 4 shows a state in which lithium reacts in the organic solvent in which the graphene oxide is dispersed, generating bubbles. The right side shows how all the lithium reacted and the solution changed from dark brown to black. Oxidized graphene breaks the π bonds in the carbon structure, reducing absorption in the visible light region, resulting in black color and dark brown color. When the graphene oxide is reduced and the π-bond of carbon is restored, absorption in the visible light region is increased and again black appears.
Figure 5 shows the XPS C 1s spectrum of the graphene oxide. There are oxygen functional groups such as C-OH, CO, C = O, and COOH.
FIG. 6 shows XPS C 1s and Li 1s spectra of lithium-doped graphene prepared using NMP as a solvent. Lithium is doped in LiC x and LiC 6 forms.
FIG. 7 shows XPS C 1s and Li 1s spectra of lithium-doped graphene prepared using THF as a solvent. When lithium is LiC x Lt; / RTI >
Figure 8 shows ICP-AES and component analysis of lithium-doped graphene through chemical reaction with oxidized graphene.
Figure 9 shows the effect of solvents on the ratio of Li 2 CO 3 and LiC x .

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 only for describing the present invention more specifically and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments.

실시예Example

<실시예 1> &Lt; Example 1 >

출발 물질인 산화 그래핀 12 내지 30 mg을 아르곤(Ar) 분위기인 글러브 박스(Glove box)에 넣고 리튬(Lithium), 전자 공여체(DTBP), NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone)도 함께 유리병(vial)에 투입했다. 상기 과정에서 리튬 0.1 ~ 7 mg, 전자 공여체 10 ~ 150 mg 및 NMP 10 ml를 투입하였다. 상기 준비된 시료에 수분이나 공기가 침투해 리튬이 산화 되는 것을 방지하기 위하여 유리병 입구부를 밀봉하였다. 상기 준비된 시료에서 산화 그래핀과 리튬이 반응할 수 있는 에너지를 가하기 위하여 70℃로 가열하면서 중탕 초음파를 실시하였고, 최종적으로 화학 반응을 통해 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하였다. 리튬의 투입 양을 조절하면 그래핀에의 리튬 도핑 양을 조절할 수 있으며, 또한 투입하는 각각의 물질 양을 증가시키면 최종적으로 얻어지는 리튬이 도핑된 그래핀의 양을 증가(scale-up)시킬 수 있다. Lithium, an electron donor (DTBP) and NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) were added to a glove box in an atmosphere of argon (Ar) (vial). In the above procedure, 0.1 to 7 mg of lithium, 10 to 150 mg of electron donor and 10 ml of NMP were added. The inlet of the glass bottle was sealed to prevent the penetration of water or air into the prepared sample to oxidize the lithium. In order to add energy to the reaction between the graphene oxide and lithium in the prepared sample, ultraprecise ultrasound was performed while heating at 70 ° C, and finally, lithium-doped graphene was synthesized through chemical reaction. Adjusting the amount of lithium introduced can control the amount of lithium doping on the graphene, and increasing the amount of each of the added materials can scale up the amount of finally obtained lithium-doped graphene .

도 6에서 리튬이 그래핀에 도핑 되어 LiCx 및 LiC6형태를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
In FIG. 6, it was confirmed that lithium was doped into graphene to form LiC x and LiC 6 forms.

<실시예 2> &Lt; Example 2 >

출발 물질인 산화 그래핀을 투입하기 전에 THF(Tetrahydrofuran)에 전자 공여체(DTBP)를 녹이고 리튬을 투입해 80℃로 12시간 가열해 리튬이 용해된 THF 용액을 준비하였다. 유리병(vial)에 상기 용액과 산화 그래핀 12 ~ 30 mg을 투입하고 유리병 입구부를 밀봉하였다. 상기 준비된 시료에서 산화 그래핀과 리튬이 반응할 수 있는 에너지를 가하기 위하여 70℃로 가열하면서 중탕 초음파를 실시하였고, 최종적으로 화학 반응을 통해 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하였다. 리튬의 투입 양을 조절하면 그래핀에의 리튬 도핑 양을 조절할 수 있으며, 또한 투입하는 각각의 물질 양을 증가시키면 최종적으로 얻어지는 리튬이 도핑된 그래핀의 양을 증가(scale-up)시킬 수 있다. Before introducing graphene oxide as a starting material, an electron donor (DTBP) was dissolved in THF (Tetrahydrofuran), lithium was added thereto, and the mixture was heated at 80 ° C for 12 hours to prepare a THF solution in which lithium was dissolved. The above solution and 12 to 30 mg of graphene oxide were put into a vial and the opening of the glass bottle was sealed. In order to add energy to the reaction between the graphene oxide and lithium in the prepared sample, ultraprecise ultrasound was performed while heating at 70 ° C, and finally, lithium-doped graphene was synthesized through chemical reaction. Adjusting the amount of lithium introduced can control the amount of lithium doping on the graphene, and increasing the amount of each of the added materials can scale up the amount of finally obtained lithium-doped graphene .

도 7에서 리튬이 그래핀에 도핑되어 LiCx 형태를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
In FIG. 7, it was confirmed that lithium was doped into the graphene to form LiC x .

실시예 1 및 2의 결과, 도핑 전 산화 그래핀은 탄소와 산소가 중량비로 거의 1:1에 가깝게 존재하다가 리튬을 도핑하면 산소의 중량비가 감소하는 것으로 확인되었다. 전자 공여체를 제거하지 않았을 때는 전자 공여체에 탄소가 포함되어 있어 산소 중량비가 상대적으로 더 낮게 측정되었고, 전자 공여체를 열처리를 통해 제거한 후에도 산화 그래핀 대비 산소의 중량비가 ~10 wt% 정도 감소했으며 리튬의 도핑농도는 ~9 wt%였다(도 8). As a result of Examples 1 and 2, it was confirmed that the graphene oxide graphene had carbon and oxygen in a ratio of nearly 1: 1 by weight, and the weight ratio of oxygen was decreased when doped with lithium. When the electron donor was not removed, the electron donor contained carbon, and the weight ratio of oxygen was relatively low. After the electron donor was removed through the heat treatment, the weight ratio of oxygen to graphene was reduced by ~ 10 wt% The doping concentration was ~9 wt% (Figure 8).

또한, Li2CO3 및 LiCx의 비율에 대한 용매의 영향을 조사하여 그 결과를 도 9에 나타내었는데, 실험 결과 용매로서 THF를 사용한 경우에는 산소 비율에 큰 변화 없이 리튬이 도핑된 반면에, 용매로서 NMP를 사용한 경우에는 촉매의 양 조절을 통한 환원 정도 및 리튬 도핑 농도의 제어가 가능하였으며, 또한 산화 그래핀을 환원하면서 도핑이 이루어지므로 최종 생성물 중 LiCx의 비율이 높아짐을 확인할 수 있었다. Further, Li 2 CO 3, and to investigate the effect of solvent on the rate of LiC x, whereas the its eotneunde The results are shown in Figure 9, in the case of using the experimental results THF as the solvent, the lithium without a significant change in the oxygen percentage doping, In the case of using NMP as a solvent, it is possible to control the degree of reduction and the lithium doping concentration by controlling the amount of the catalyst, and it is confirmed that the proportion of LiC x in the final product is increased because the doping is performed while reducing the graphene graphene.

Claims (10)

(i) 산화 그래핀, 리튬 및 극성 유기용매를 포함하는 산화 그래핀 조성물을 준비하는 단계; 및
(ii) 상기 조성물 중에서 산화 그래핀과 리튬의 화학반응을 일으키는 단계
를 포함하고, 상기 단계 (ii)의 화학반응은 중탕 초음파(Bath sonication), 팁 초음파(Tip sonication), 가열(Heating), 교반(Stirring) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 방법에 의하여 상기 조성물에 에너지를 가하여 유도되는 것을 특징으로 하는 리튬이 도핑된 그래핀을 합성하는 방법.
(i) preparing a graphene oxide composition comprising graphene oxide, lithium and a polar organic solvent; And
(ii) a step of causing a chemical reaction between the graphene oxide and lithium in the composition
Wherein the chemical reaction of step (ii) is carried out by a method selected from a bath sonication, a tip sonication, a heating, a stirrer and a combination thereof, Wherein the lithium-doped graphene is doped with lithium.
제1항에 있어서, 상기 조성물은 비페닐(biphenyl)계 화합물 또는 나프탈렌으로부터 선택되는 전자 공여체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the composition further comprises an electron donor selected from biphenyl-based compounds or naphthalene.
제1항에 있어서, 상기 조성물 중 리튬의 투입량을 조절함에 따라 그래핀에의 리튬 도핑 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the amount of lithium doping in graphene is controlled by controlling the amount of lithium introduced into the composition.
제1항에 있어서, 상기 조성물은 비페닐(biphenyl)계 화합물 또는 나프탈렌으로부터 선택되는 전자 공여체를 더 포함하는 것이고, 상기 전자 공여체의 투입량에 따라 리튬이 도핑되는 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the composition further comprises an electron donor selected from a biphenyl-based compound or naphthalene, and the amount of lithium doping is controlled according to an amount of the electron donor.
제1항에 있어서, 상기 단계 (ii)는 밀봉된 아르곤 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein step (ii) is performed under a sealed argon atmosphere.
제2항에 있어서, 상기 비페닐계 화합물은 DTBP(4,4’-Di-tert-butylbiphenyl), 3,3',5,5'테트라브로모-1,1'-비페닐, 염화 비페닐(chlorinatedbiphenyl), 4-(브로모메틸)비페닐, 메틸 비페닐(methyl biphenyl), 4,4'-디메틸-1,1'-비페닐, 비페닐-4-카르복시산, 비페닐-4,4'-디티올, 브롬화 비페닐, 2-시아노-4-브로모 메틸 비페닐, 디메틸 비페닐-4,4'-디카르복실레이트, 5-(4'-메틸-2-비페닐)테트라졸 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method of claim 2, wherein the biphenyl-based compound is selected from the group consisting of 4,4'-Di-tert-butylbiphenyl (DTBP), 3,3 ', 5,5'tetrabromo-1,1'- chlorinated biphenyl, 4- (bromomethyl) biphenyl, methyl biphenyl, 4,4'-dimethyl-1,1'-biphenyl, biphenyl-4-carboxylic acid, Dithiol, biphenyl bromide, 2-cyano-4-bromomethyl biphenyl, dimethyl biphenyl-4,4'-dicarboxylate, 5- (4'- Sol, and combinations thereof.
제1항에 있어서, 상기 극성 유기용매는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), THF(Tetrahydrofuran), DMF(Dimethylformamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), DCB(dichlorobenzene), 톨루엔, 클로로포름, 메틸 클로라이드 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone, THF, DMF, DMSO, DCB, toluene, chloroform, &Lt; / RTI &gt; and combinations thereof.
제1항에 있어서, 상기 극성 유기용매는 NMP인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the polar organic solvent is NMP.
제1항에 있어서, 상기 가열은 50 내지 100℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the heating is performed at 50 to 100 占 폚. 삭제delete
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