KR101661821B1 - 다공성 탄소 구조체의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법 - Google Patents

다공성 탄소 구조체의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

다공성 탄소 구조체의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은, 다공성의 베이스 탄소 구조체(base carbon structure)를 준비하는 단계, 상기 베이스 탄소 구조체에, 4족 이상의 원소인 반응 원소를 포함하는 반응 가스, 및 캐리어 가스(carrier gas)를 제공하는 방법으로, 상기 반응 원소와 상기 베이스 탄소 구조체를 반응시켜, 표면적이 증가된 개선된 탄소 구조체(improved carbon structure)를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

다공성 탄소 구조체의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법{Method of fabricating porous carbon structure, and method of fabricating lithium secondary battery comprising the same}
본 발명은 다공성 탄소 구조체의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법에 관련된 것으로, 다공성 베이스 탄소 구조체에 반응 가스를 제공하여, 개선된 다공성 베이스 탄소 구조체를 제조하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법에 관련된 것이다.
다공성 입자 또는 다공성 구조체는 그 내부에 빈 공간, 즉, 기공(pore)을 갖는 입자 또는 구조체를 의미한다. 기공의 크기에 따라서, 마이크로 포어, 메조 포어, 및 매크로 포어로 분류된다.
다공성 입자 또는 다공성 구조체는 기존 물질과 다른 새로운 물리적화학적 특성을 기대할 수 있어, 기존 물질의 한계를 극복할 수 있는 차세대 재료로 각광받고 있으며, 이차 전지, 태양 전지, 반도체 소자, 디스플레이 장치, 발광 소자, 및 광학 소자 등 다양한 소자에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 따라, 대한민국 특허공개공보 10-2014-0021275(출원번호 10-2012-0087430, 출원인 서강대학교 산학협력단)에는, 화학기상증착법을 사용하지 않고, 유기 용매 내에서 열처리하는 단계를 갖는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법이 개시되어 있다.
한편, 리튬 이차 전지의 경우, 음극 재료로 주로 리튬 금속이 사용되었으나, 낮은 용융 온도와 산화 환원 반응 시 생성되는 덴드라이트(dendrite)에 의해 전지 내부 단락이 발생되는 문제가 있다. 이에 따라, 상술된 문제를 해결하기 위해, 리튬 이차 전지의 음극 재료를 개발하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.
대한민국 특허공개공보 10-2014-0021275
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고신뢰성의 다공성 탄소 구조체의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 표면적이 증가된 다공성 탄소 구조체의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고용량 및 장수명의 리튬 이차 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다공성 탄소 구조체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다공성 탄소 구조체의 제조 방법은, 다공성의 베이스 탄소 구조체(base carbon structure)를 준비하는 단계, 및 상기 베이스 탄소 구조체에, 4족 이상의 원소인 반응 원소를 포함하는 반응 가스, 및 캐리어 가스(carrier gas)를 제공하는 방법으로, 상기 반응 원소와 상기 베이스 탄소 구조체를 반응시켜, 표면적이 증가된 개선된 탄소 구조체(improved carbon structure)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응 원소는, 탄소(C), 황(S), 또는 질소(N) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 베이스 탄소 구조체보다 적은 질량을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응 가스는 암모니아(NH3) 가스, 이산화탄소(CO2)가스, 또는 황화수소(H2S) 가스 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 탄소 구조체에 포함된 탄소들의 적어도 일부는, 상기 반응 가스에 포함된 상기 반응 원소로 치환되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 탄소 구조체는 제1 사이즈의 기공들을 포함하고, 상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 제1 사이즈보다 작은 제2 사이즈의 기공들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 베이스 탄소 구조체보다 낮은 저항을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 베이스 탄소 구조체보다 더 많은 기공을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 탄소 구조체를 준비하는 단계는, 베이스 입자들을 준비하는 단계, 상기 베이스 입자들에 탄소 전구체를 제공하여, 상기 탄소 전구체로 상기 베이스 입자들 사이를 채우는 단계, 열처리 공정을 수행하여, 상기 베이스 입자들 사이를 채우는 상기 베이스 탄소 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 베이스 탄소 구조체로부터, 상기 베이스 입자들을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 리튬 이차 전지의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 리튬 이차 전지의 제조 방법은, 상술된 실시 예들에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법에 따라 상기 개선된 탄소 구조체를 제조하는 단계, 상기 개선된 탄소 구조체를 집전체에 결합하여, 음극을 제조하는 단계, 상기 음극에 대향되도록 양극을 준비하는 단계, 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 전해질 및 분리막을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 다공성의 베이스 탄소 구조체가 준비된다. 상기 베이스 탄소 구조체와 반응하는 반응 원소를 갖는 반응 가스가 상기 베이스 탄소 구조체에 제공되어, 개선된 탄소 구조체가 제조될 수 있다. 상기 개선된 탄소 구조체는 상기 베이스 탄소 구조체보다 많은 기공들을 포함하고, 넓은 표면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 제조 공정 및 제조 비용이 간소화되고, 넓은 표면적 및 다수의 기공들을 갖는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법에 따른, 베이스 탄소 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법에 따라 제조된 개선된 탄소 구조체의 SEM 사진들이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다공성 탄소 구조체를 갖는 리튬 이차 전지의 싸이클 수에 따른 specific capacity를 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 블록도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 다공성의 베이스 탄소 구조체(110, base carbon structure)가 준비된다. 상기 베이스 탄소 구조체(110)는 제1 사이즈(size)를 갖는 제1 기공들(112)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 기공들(112)은 규칙적으로 배열(regularly arrange)될 수 있다.
상기 베이스 탄소 구조체(110)는, 베이스 입자들에 탄소 전구체를 제공한 후, 상기 탄소 전구체를 열 분해하여 제조될 수 있다. 이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 상기 베이스 탄소 구조체(110)의 제조 방법의 일 실시 예가 설명된다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법에 따른, 베이스 탄소 구조체의 제조 방법의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 베이스 입자들(100, base particles)이 준비된다. 상기 베이스 입자들(100)은 서로 응집된(aggregated) 상태일 수 있다. 상기 베이스 입자들(100) 사이에 빈 공간들이 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 입자들(100)은 실리카 입자들일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 입자들(100)의 평균 직경은, 2nm~50nm 일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 응집된 상기 베이스 입자들(100)에 탄소 전구체(carbon precursor)가 제공되어, 상기 탄소 전구체로 상기 베이스 입자들(100) 사이가 채워질 수 있다. 다시 말하면, 상기 탄소 전구체(105)가 상기 베이스 입자들(100) 사이의 상기 빈 공간들을 채울 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 전구체(105)는, 폴리아크릴로니트릴, 페놀 수지, resorcinol-formaldehyde resin, sucrose, glucose, furfuryl alcohol resin, melanin resin, polypyrrole, 지방족 탄화수소계 또는 방향족 탄화수소계 알데히드류로서 탄소수 1 내지 20을 가지는 것, 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴, 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 우레아(urea), 멜라민 (melamin), CH2=CRR'(여기에서 R 및 R'은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20을 가지는 알킬기 또는 아릴기를 나타냄) 등을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2c를 참조하면, 상기 탄소 전구체(105)가 제공된 후, 열처리 공정을 수행하여, 상기 베이스 입자들(100) 사이를 채우는, 상기 베이스 탄소 구조체(110)가 제조될 수 있다. 상기 베이스 탄소 구조체(110)는 상기 열처리 공정에 의해, 상기 탄소 전구체(105)가 열분해(pyrolysis)되어 제조될 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 베이스 탄소 구조체(110)로부터 상기 베이스 입자들(100)이 제거될 수 있다. 상기 베이스 입자들(100)이 제거되어, 도 1a를 참조하여 설명된 상기 제1 기공(112)이 생성될 수 있다. 상기 제1 기공(112)들의 사이즈는 상기 베이스 입자들(100)의 사이즈와 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기공(112)의 평균 직경은, 2nm~50nm의 메조기공(mesopore) 일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 입자들(100)은 습식 식각 공정으로 제거될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 베이스 탄소 구조체(110)는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명된 방법에 한정되지 아니하고, 다양한 방법으로 제조될 수 있음은 자명하다.
계속해서, 도 1b를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법을 설명된다.
도 1b를 참조하면, 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 반응 가스(reaction gas) 및 캐리어 가스(carrier gas)가 제공될 수 있다. 상기 반응 가스는 반응 원소(reaction atom)를 포함할 수 있다. 상기 베이스 탄소 구조체(110)가 상기 반응 가스에 포함된 상기 반응 원소와 반응하여, 표면적이 증가된 개선된 탄소 구조체(110a, improved carbon structure)가 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응 원소는 4족 이상의 원소일 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 원소는, 탄소(C), 황(S), 또는 질소(N) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 반응 원소가 탄소(C)를 포함하는 경우, 상기 반응 가스는 이산화탄소(CO2) 가스일 수 있다. 또는, 상기 반응 원소가 황(S)을 포함하는 경우, 상기 반응 가스는 황화 수소(H2S) 가스일 수 있다. 또는, 상기 반응 원소가 질소(N)를 포함하는 경우, 상기 반응 가스는 암모니아(NH3) 가스일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 캐리어 가스는 비활성 가스(예를 들어, 질소(N2) 가스)일 수 있다.
예를 들어, 상기 반응 가스가 암모니아 가스인 경우, 아래의 <화학식 1>과 같이, 상기 반응 가스의 상기 반응 원소(질소)가 상기 베이스 탄소 구조체(110)의 탄소와 반응하여, 질소 가스 및 메탄 가스가 발생될 수 있다.
<화학식 1>
3C(s) + 4NH3(g) -> 2N2(g) + 3CH4(g)
일 실시 예에 따르면, 상기 반응 가스를 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 제공하는 단계는, 상기 베이스 탄소 구조체(110)를 퍼너스(furnace) 내에 배치시키는 단계, 상기 퍼너스의 내부 온도를 증가시켜 기준 온도로 설정하는 단계, 상기 기준 온도에서 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 상기 반응 가스를 제공하여 상기 개선된 탄소 구조체(110a)를 제조하는 단계, 및 상기 퍼너스의 내부 온도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 고온 조건에서, 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 상기 반응 가스가 제공되어, 상기 반응 가스 내의 상기 반응 원소가 상기 베이스 탄소 구조체(110)와 용이하게 반응될 수 있다.
상기 개선된 탄소 구조체(110a)는, 상기 제1 사이즈를 갖는 제1 기공들(112)외에, 상기 제1 사이즈보다 작은 제2 사이즈를 갖는 제2 기공들(114)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 기공들(114)은 상기 반응 가스에 포함된 상기 반응 원소가 상기 베이스 탄소 구조체(110)의 탄소와 반응하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기공들(114)의 평균 직경은, 2nm 미만의 마이크로 포어(micro pore)일 수 있다. 상기 제2 기공들(114)에 의해, 상술된 바와 같이, 상기 개선된 탄소 구조체(110a)는 상기 베이스 탄소 구조체(110)보다 넓은 표면적을 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반응 가스가 제공되는 시간이 길어질수록, 상기 제2 기공들(114)의 개수가 많아지고, 이에 따라, 상기 개선된 탄소 구조체(110a)의 표면적의 증가율이 증가될 수 있다.
또한, 상기 개선된 탄소 구조체(110a)는, 상기 제2 기공들(114)에 의해, 상기 베이스 탄소 구조체(110)의 질량보다 적은 질량을 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반응 가스가 제공되는 시간이 길어질수록, 상기 제2 기공들(114)의 개수가 많아지고, 이에 따라, 상기 개선된 탄소 구조체(110a)의 질량의 감소율이 증가될 수 있다.
상기 베이스 탄소 구조체(110)에 포함된 탄소들의 적어도 일부는, 상기 반응 가스에 포함된 상기 반응 원소로 치환될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 가스가, 황(S) 또는 질소(N)를 포함하는 경우, 상기 베이스 탄소 구조체(110)가 상기 황(S) 또는 질소(N)로 도핑될 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 반응 가스가 탄소(C)를 포함하는 경우, 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 존재하는 결함(defect)이 상기 반응 가스에 포함된 탄소(C)에 의해 회복될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 포함된 탄소들의 적어도 일부가 상기 반응 원소로 치환되거나, 또는 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 존재하는 결함이 상기 반응 원소에 의해 회복되어, 상기 개선된 탄소 구조체(110a)의 전기 전도도가 향상되어, 저항이 감소될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 베이스 탄소 구조체(110)에 상기 반응 원소를 갖는 상기 반응 가스가 제공되어, 상기 개선된 탄소 구조체(110a)가 제조될 수 있다. 상기 개선된 탄소 구조체(110a)는 상기 베이스 탄소 구조체(110)보다 많은 기공들을 포함하고, 넓은 표면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 제조 공정 및 제조 비용이 간소화되고, 넓은 표면적 및 다수의 기공들을 갖는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법에 따라 제조된 개선된 탄소 구조체의 특성 평가 결과가 설명된다.
본 발명의 실시 예에 따라 평균 직경 16nm의 정렬된 기공을 갖는 베이스 탄소 구조체를 준비하였다. 상기 베이스 탄소 구조체를 질소 가스 분위기의 튜브퍼너스 내에 배치시켰다. 1시간 동안, 튜브퍼너스 내의 온도를 900℃ 온도를 상승시켰다. 이후, 질소 가스와 암모니아 가스의 부피 비율을 1:1로 하여, 튜브퍼너스 내에 제공하여 개선된 탄소 구조체를 제조하였다. 이후, 튜브퍼너스 내의 온도를 상온으로 하강시킨 후, 베이스 탄소 구조체 및 개선된 탄소 구조체의 표면적 및 기공의 부피 비율을 아래의 <표 1>과 같이 측정하였다.
구분 16nm 베이스 탄소 구조체 NH3 제공된 개선된 탄소 구조체
SBET(m2/g) 1131.9 1415.4
Vpore(cm3/g) 3.0428 3.9051
<표 1>에서 알 수 있듯이, 베이스 탄소 구조체에 암모니아 가스가 제공되어 제조된 개선된 탄소 구조체의 표면적 및 기공의 부피가, 베이스 탄소 구조체와 비교하여 향상된 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 평균 직경 32nm의 정렬된 기공을 갖는 베이스 탄소 구조체를 준비하였다. 상기 베이스 탄소 구조체를 상술된 방법과 동일하게 튜브퍼너스 내에 배치시키고, 이산화탄소 가스 또는 암모니아 가스를 제공하여, 개선된 탄소 구조체를 제조하였다. 이후, 베이스 탄소 구조체, 이산화탄소가 제공된 개선된 탄소 구조체, 및 암모니아 가스가 제공된 개선된 탄소 구조체의 표면적 및 기공의 부피 비율을 아래의 <표 2>와 같이 측정하였다.
구분 32nm 베이스 탄소 구조체 CO2 제공된 개선된 탄소 구조체 NH3 제공된 개선된 탄소 구조체
SBET(m2/g) 809.29 892.91 1046.5
Vpore(cm3/g) 2.8232 2.9104 3.4057
<표 2>에서 알 수 있듯이, 베이스 탄소 구조체에 이산화탄소 가스, 또는 암모니아 가스가 제공되어 제조된 개선된 탄소 구조체들의 표면적 및 기공의 부피가, 베이스 탄소 구조체와 비교하여 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한, 암모니아 가스를 제공하여 제조된 개선된 탄소 구조체의 표면적 및 기공의 부피가, 이산화탄소 가스를 제공하여 제조된 개선된 탄소 구조체의 표면적 및 기공의 부피보다 더 높은 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법에 따라 제조된 개선된 탄소 구조체의 SEM 사진들이다.
도 3을 참조하면, 정렬된 메조 기공(mesopore)을 갖는 베이스 탄소 구조체를 준비하였다. 상기 베이스 탄소 구조체를 질소 가스 분위기의 튜브퍼너스 내에 배치시켰다. 1시간 동안, 튜브퍼너스 내의 온도를 900℃ 온도를 상승시켰다. 이후, 질소 가스와 암모니아 가스의 부피 비율을 1:1로 하여, 튜브퍼너스 내에 제공하여 개선된 탄소 구조체를 제조하였다. 이후, 튜브퍼너스 내의 온도를 상온으로 하강시킨 후, 상기 개선된 탄소 구조체의 SEM 사진을 촬영하였다.
도 3의 (a) 내지 (c)는, 각각, 암모니아 가스의 제공 시간이 5분, 10분, 및 15분인 조건에 따른 경우, 상기 개선된 탄소 구조체의 SEM 사진들이다. 도 3의 (a) 내지 (c)에서 알 수 있듯이, 암모니아 가스의 제공 시간이 증가되는 경우, 기공들이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 아래의 <표 3>과 같이, 반응 가스인 암모니아 가스의 제공 시간이 5분, 10분, 15분인 경우, 각각 무게 감소율이 34.8%, 53.1%, 및 78.59%인 것으로 측정되었다. 다시 말하면, 반응 가스의 제공 시간에 따라서, 탄소 구조체의 표면적 및 기공의 개수가 조절될 수 있음을 확인할 수 있다.
반응 가스 제공 시간 무게 감소율
5분 34.8%
10분 53.1%
15분 78.59%
상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다공성의 상기 개선된 탄소 구조체는, 리튬 이차 전지, 태양 전지, 슈퍼 커패시터, 메모리 소자, 또는 이미지 센서 등 다양한 전자 소자에 활용될 수 있다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 개선된 탄소 구조체를 리튬 이차 전지에 적용한 경우 특성 평가 결과가 설명된다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다공성 탄소 구조체를 갖는 리튬 이차 전지의 싸이클 수에 따른 specific capacity를 측정한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라, 32nm 기공을 갖는 베이스 탄소 구조체에 암모니아 가스를 제공하여, 질소와 베이스 탄소 구조체를 반응시켜, 개선된 탄소 구조체를 제조하였다. 상기 개선된 탄소 구조체를 음극으로 사용하여, 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체를 갖는 리튬 이차 전지를 제조하였다. 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체를 갖는 리튬 이차 전지의 비교 예로, 암모니아 가스가 제공되지 않은 베이스 탄소 구조체를 음극으로 사용하여 비교 예에 따른 리튬 이차 전지를 제조하였다.
도 6을 참조하면, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 방법으로, 16nm 기공을 갖는 베이스 탄소 구조체를 이용하여 개선된 탄소 구조체를 제조하고, 이를 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지, 및 비교 예에 따라 암모니아 가스가 제공되지 않은 베이스 탄소 구조체를 갖는 리튬 이차 전지를 제조하였다.
도 4 내지 도 6에서 알 수 있듯이, 충방전 사이클이 진행됨에 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 탄소 구조체를 음극으로 사용하는 리튬 이차 전지가, 비교 예에 따른 리튬 이차 전지와 비교하여, 현저하게 높은 specific capacity를 갖는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 기공을 갖는 베이스 탄소 구조체에, 4족 이상의 원소인 반응 원소를 갖는 반응 가스를 제공하여, 베이스 탄소 구조체보다 높은 표면적 및 많은 기공을 갖는 개선된 탄소 구조체를 제조하고, 이를 리튬 이차 전지의 음극으로 활용하는 것이, 리튬 이차 전지의 수명 및 충방전 효율을 향상시키는 효율적인 방법임을 확인할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지는 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지는 후술할 전기자동차에 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 블록도를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차(1000)는 모터(1010), 변속기(1020), 액슬(1030), 배터리팩(1040) 및 파워제어부(1050) 및 충전부(1060) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 모터(1010)는 상기 배터리팩(1040)의 전기 에너지를 운동 에너지로 변환할 수 있다. 상기 모터(1010)는 변환된 운동에너지를 상기 변속기(1020)를 통하여 상기 액슬(1030)에 제공할 수 있다. 상기 모터(1010)는 단일 모터 또는 복수의 모터로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 모터(1010)가 복수의 모터로 이루어지는 경우 상기 모터(1010)는 전륜 액슬에 운동 에너지를 공급하는 전륜 모터와 후륜 액슬에 운동 에너지를 공급하는 후륜 모터를 포함할 수 있다.
상기 변속기(1020)는 상기 모터(1010)와 상기 액슬(1030) 사이에 위치하여 상기 모터(1010)로부터의 운동 에너지를 운전자가 원하는 운전 환경에 부합하도록 변속하여 상기 액슬(1030)에 제공할 수 있다.
상기 배터리팩(1040)은 상기 충전부(1060)로부터의 전기 에너지를 저장할 수 있고, 저장된 전기 에너지를 상기 모터(1010)에 제공할 수 있다. 상기 배터리팩(1040)은 상기 모터(1010)로 직접 전기 에너지를 공급할 수도 있고, 상기 파워제어부(1050)을 통하여 전기 에너지를 공급할 수 있다.
이 때 상기 배터리팩(1040)은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 배터리 셀은 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 공기 이차 전지를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 리튬계 이차전지 등 다양한 방식의 이차전지를 포함할 수 있다. 한편, 배터리 셀은 개개의 배터리를 말하는 용어일 수 있고, 배터리 팩은 원하는 전압 및/또는 용량을 가지도록 개개의 배터리 셀이 상호 연결된 배터리 셀 집합체를 말할 수 있다.
상기 파워 제어부(1050)는 상기 배터리 팩(1040)을 제어할 수 있다. 다시 말해, 상기 파워 제어부(1050)는 상기 배터리 팩(1040)으로부터 상기 모터(1010)로의 파워가 요구되는 전압, 전류, 파형 등을 가지도록 제어할 수 있다. 이를 위하여, 상기 파워 제어부(1050)는 패시브 전력소자 및 액티브전력소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 충전부(1060)는 도 10에 도시된 외부 전력원(1070)으로부터 전력을 제공받아 상기 배터리 팩(1040)에 제공할 수 있다. 상기 충전부(1060)는 충전 상태를 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어 상기 충전부(1060)는 충전의 on/off 및 충전 속도 등을 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 사시도이다.
도 8을 참조하면, 기 배터리 팩(1040)은 전기자동차(1000)의 하면에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 팩(1040)는 상기 전기자동차(1000)이 폭 방향의 너비를 가지는 동시에 상기 자동차(1000)의 길이방향으로 연장하는 형상을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 배터리 팩(1040)은 전방 서스펜션에서부터 후방 서스펜션까지 연장할 수 있다. 따라서, 상기 배터리 팩(1040)은 보다 많은 수의 배터리 셀을 패키징할 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(1040)이 차체의 하단에 결합 위치하므로 차체의 무게 중심을 낮추게 되어 전기자동차(1000)의 주행 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 배터리 팩(1040)은 복수의 배터리 셀(1043)을 보관할 수 있다.
상기 배터리 팩(1040)은 하부 하우징(1041)과 상부 하우징(1042)을 포함할 수 있다. 상기 하부 하우징(1041)은 플랜지(1044)를 포함할 수 있고, 상기 상부 하우징(1045)에 마련된 홀을 통하여 볼트(1045)를 상기 플랜지(1044)와 체결함으로써, 상기 하부 하우징(1041)과 상기 상부 하우징(1042)을 결합시킬 수 있다.
이 때, 상기 배터리 팩(1040)의 안정성을 향상시키기 위하여 상기 하부 및 상부 하우징은 수분 및 산소 침투를 최소화할 수 있는 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 및 상부 하우징은 알루미늄, 알루미늄 합금, 플라스틱, 탄소 화합물 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 하부 하우징(1041)과 상기 상부 하우징(1042) 사이에는 불침투성의 밀봉제(1049)가 위치할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(1040)은 상기 배터리 셀(1043)을 제어하거나 안정성을 향상시키기 위한 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 팩(1040)은 상기 배터리 팩(1040) 내부의 배터리 셀(1043)을 제어하기 위한 제어단자(1047)를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어 상기 배터리 팩(1040)은 상기 배터리 셀(1043)의 열폭주(thermal runaway)를 방지하거나 상기 배터리 셀(1043)의 온도를 제어하기 위하여 냉각라인(1046)을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 배터리 팩(1040)은 상기 배터리 팩(1040) 내부의 가스를 분출하기 위한 가스분출구(1048)을 포함할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 베이스 입자
105: 탄소 전구체
110: 베이스 탄소 구조체
110a: 개선된 탄소 구조체
112: 제1 기공
114: 제2 기공

Claims (10)

  1. 다공성의 베이스 탄소 구조체(base carbon structure)를 준비하는 단계; 및
    상기 베이스 탄소 구조체에, 암모니아 가스 또는 황화수소 가스 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 반응 가스, 및 캐리어 가스(carrier gas)를 제공하는 방법으로, 상기 반응 원소와 상기 베이스 탄소 구조체를 반응시켜, 표면적이 증가된 개선된 탄소 구조체(improved carbon structure)를 제조하는 단계를 포함하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 베이스 탄소 구조체보다 적은 질량을 갖는 것을 포함하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 탄소 구조체에 포함된 탄소들의 적어도 일부는, 상기 반응 가스에 포함된 상기 반응 원소로 치환되는 것을 포함하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 탄소 구조체는 제1 사이즈의 기공들을 포함하고,
    상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 제1 사이즈보다 작은 제2 사이즈의 기공들을 포함하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 베이스 탄소 구조체보다 낮은 저항을 갖는 것을 포함하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 개선된 탄소 구조체는, 상기 베이스 탄소 구조체보다 더 많은 기공을 갖는 것을 포함하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 탄소 구조체를 준비하는 단계는,
    베이스 입자들을 준비하는 단계;
    상기 베이스 입자들에 탄소 전구체를 제공하여, 상기 탄소 전구체로 상기 베이스 입자들 사이를 채우는 단계;
    열처리 공정을 수행하여, 상기 베이스 입자들 사이를 채우는 상기 베이스 탄소 구조체를 제조하는 단계; 및
    상기 베이스 탄소 구조체로부터, 상기 베이스 입자들을 제거하는 단계를 포함하는 다공성 탄소 구조체의 제조 방법.
  10. 제1 항, 제3 항, 또는 제5 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 다공성 탄소 구조체의 제조 방법에 따라 상기 개선된 탄소 구조체를 제조하는 단계;
    상기 개선된 탄소 구조체를 집전체에 결합하여, 음극을 제조하는 단계;
    상기 음극에 대향되도록 양극을 준비하는 단계; 및
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 전해질 및 분리막을 제공하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
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