KR101793307B1 - 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체, 그의 제조 방법, 그 복합체를 이용한 전극 및 전기 화학 소자 - Google Patents

티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체, 그의 제조 방법, 그 복합체를 이용한 전극 및 전기 화학 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전기적 특성이 우수한 전극이나 전기 화학 소자를 제조하는 데 적합한 티탄산 리튬 결정 구조체와, 그 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본 나노파이버의 복합체를 제공하는 것이다. 수 원자층 레벨의 두께를 가지며, 이차원 면이 평면 형상을 한 티탄산 리튬 결정 구조체를 카본 나노파이버(CNF)에 고분산 담지시킨다. 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체와 이것을 담지한 CNF는, 선회하는 반응기 내에서 반응물에 전단 응력과 원심력을 제공하는 메카노케미컬 반응에 의해 제작한다. 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본 나노파이버의 질량비는 75:25 내지 85:15가 바람직하다. 카본 나노파이버는, 그 외부 직경이 10 내지 30 nm이고, 외부 비표면적은 150 내지 350 cm2/g가 바람직하다. 이 복합체를 결합제와 혼합한 후, 성형하여 전극을 얻고, 이 전극을 전기 화학 소자에 이용한다.

Description

티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체, 그의 제조 방법, 그 복합체를 이용한 전극 및 전기 화학 소자{COMPLEX OF LITHIUM TITANATE CRYSTAL STRUCTURE AND CARBON, MANUFACTURING METHOD FOR SAME, ELECTRODE AND ELECTROCHEMICAL ELEMENT USING SAME}
본 발명은 티탄산 리튬 결정 구조체, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체, 그의 제조 방법, 그 복합체를 이용한 전극 및 전기 화학 소자에 관한 것이다.
현재, 리튬 전지의 전극으로서 리튬을 저장, 방출하는 카본 재료 등이 이용되고 있지만, 부극 전위가 전해액의 환원 분해 전위보다 낮기 때문에 전해액의 분해라는 위험성이 있다. 그래서, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 부극 전위가 전해액의 환원 분해 전위보다 낮은 티탄산 리튬의 사용이 검토되고 있는데, 티탄산 리튬은 출력 특성이 낮다는 문제점이 있다. 따라서, 티탄산 리튬을 나노 입자화하여, 탄소에 담지시킨 전극에 의해, 출력 특성을 향상시키는 시도가 있다.
일본 특허 공개 제2007-160151호 공보 일본 특허 공개 제2008-270795호 공보
이들 특허문헌에 기재된 발명은, 선회하는 반응기 내에서 반응물에 전단 응력과 원심력을 가하여, 화학 반응을 촉진시키는 방법(일반적으로, 메카노케미컬 반응이라고 한다)에 의해, 카본에 분산 담지된 티탄산 리튬을 얻는 것이다. 이 경우, 반응물로서는, 예를 들면, 티탄산 리튬의 출발 원료인 티탄알콕시드와 아세트산 리튬, 및 카본 나노 튜브나 카본 블랙 등의 카본, 아세트산 등을 사용한다.
이들 특허문헌에 기재된 티탄산 리튬 결정 구조체를 담지한 카본을 사용한 전극은, 우수한 출력 특성을 발휘하지만, 최근에는, 이 종류의 전극에서, 더욱 출력 특성을 향상시켜, 전기 전도도를 향상시키는 요구가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은, 출력 특성 및 전기 전도도의 향상을 가능하게 한 전극이나 전기 화학 소자를 얻을 수 있는 티탄산 리튬 결정 구조체, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체, 그의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 복합체를 이용한 전극 및 전기 화학 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 티탄산 리튬 결정 구조체는, 2 내지 5 원자층 레벨의 두께를 가지며, 이차원 면의 한 변이 5 내지 100 nm의 평판 형상으로 전개하고 있는 것을 특징으로 한다. 특히, 그 이차원 면이 (111)면인 것, 또한 본 발명의 티탄산 리튬 결정 구조체는 2 내지 5 원자층 레벨로 1 nm 이하의 두께를 갖는 초박막 구조체이므로, 두께와 이차원 면의 한 변의 비가 1:5 내지 1:350이 되어, 이차원 면이 평판 형상으로 전개하고 있는 것이 바람직하다. 이 티탄산 리튬 결정 구조체는, 티탄원과 리튬원을 포함하는 용액에 전단 응력과 원심력을 가하여 반응시켜, 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체를 제조하고, 이 전구체를 가열하여 수 원자층 레벨의 두께를 갖는 평판 형상의 결정 구조체를 생성할 수 있다.
본 발명의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체는, 상기 티탄산 리튬 결정 구조체를 카본 나노파이버(이하, CNF라고 한다)에 분산 담지시킨 것을 특징으로 한다. 이 경우, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 비율이 75:25 내지 85:15, 특히 80:20이 바람직하다. 또한, CNF로서는, 그 외부 직경이 10 내지 30 nm이고, 외부 비표면적은 150 내지 350 cm2/g이 바람직하다. 이 복합체는, 제조되는 복합체의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본 나노파이버와의 질량비가 75:25 내지 85:15가 되는 양의 티탄원, 리튬원 및 카본 나노파이버를 포함하는 용액에, 전단 응력과 원심력을 가하여 반응시켜 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체와 카본 나노파이버의 복합체를 제조하고, 이 복합체를 가열하여 생성할 수 있다.
또한, 상기와 같은 티탄산 리튬 결정 구조체나, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체의 제조 방법, 및 상기 복합체를 이용한 전극이나 전기 화학 소자도 본 발명에 포함된다.
본 발명에 따르면, 티탄산 리튬 결정 구조체는, 두께가 2 내지 5 원자층 레벨의 초박막 구조체이고, 그 두께가 극도로 얇아, 부피당의 표면적이 극도로 크기 때문에, 결정 구조체를 구성하는 리튬 원자의 노출도가 크다. 그 때문에, 전극 부피당의 리튬의 흡탈착하는 사이트(표면적)가 무한대에 가까워지므로, 용량이 높아 레이트 특성이 양호해진다. 이 결정 구조체를 전극이나 전기 화학 소자에 사용했을 경우에, 전자나 이온의 이동이 용이해져, 전기 전도도의 향상이 가능해진다.
도 1은, 실시예 1의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체의 TEM상을 도시한 도면 대용 사진.
도 2는, 실시예 1의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체를 확대한 TEM상과 FET 해석 결과를 도시한 도면 대용 사진.
도 3은, 실시예 1의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체의 다른 부분을 확대한 TEM상과 FET 해석 결과를 도시한 도면 대용 사진.
도 4는, 실시예 1의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체의 다른 부분을 확대한 TEM상과 FET 해석 결과를 도시한 도면 대용 사진.
도 5는, 본 발명의 제조 방법에 사용하는 반응기의 일례를 나타내는 사시도.
본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 이하에 설명한다.
(메카노케미컬 반응)
본 발명에서 사용하는 반응 방법은, 본 출원인 등이 앞서 특허 출원한 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 나타낸 방법과 동일한 메카노케미컬 반응으로서, 화학 반응의 과정에서, 선회하는 반응기 내에서 반응물에 전단 응력과 원심력을 가하여 화학 반응을 촉진시키는 것이다.
이 반응 방법은, 예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같은 반응기를 이용하여 행할 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 반응기는, 개구부에 피복판(1-2)을 갖는 외부 통(1)과, 관통 구멍(2-1)을 가지고 선회하는 내부 통(2)으로 이루어진다. 이 반응기의 내부 통 내부에 반응물을 투입하여, 내부 통을 선회함으로써 그 원심력으로 내부 통 내부의 반응물이 내부 통의 관통 구멍을 지나 외부 통의 내벽(1-3)으로 이동한다. 이 때 반응물은 내부 통의 원심력에 의해서 외부 통의 내벽에 충돌하고, 박막 형상이 되어 내벽의 상부로 기어 오른다. 이 상태에서는 반응물에는 내벽과의 사이의 전단 응력과 내부 통으로부터의 원심력의 쌍방이 동시에 가해져, 박막 형상의 반응물에 커다란 기계적 에너지가 가해지게 된다. 이 기계적인 에너지가 반응에 필요한 화학 에너지, 이른바 활성화 에너지로 전화하는 것이라고 생각되는데, 단시간에 반응이 진행된다.
이 반응에 있어서, 박막 형상이면 반응물에 가해지는 기계적 에너지는 커다란 것이 되기 때문에, 박막의 두께는 5 mm 이하, 바람직하게는 2.5 mm 이하, 더욱 바람직하게는 1.0 mm 이하이다. 또한, 박막의 두께는 피복판의 폭, 반응액의 양에 따라 설정할 수 있다.
이 반응 방법은, 반응물에 가해지는 전단 응력과 원심력의 기계적 에너지에 의해서 실현할 수 있는 것이라고 생각되는데, 이 전단 응력과 원심력은 내부 통 내의 반응물에 가해지는 원심력에 의해서 발생한다. 따라서, 본 발명에 필요한 내부 통 내의 반응물에 가해지는 원심력은 1500 N(kgms-2) 이상, 바람직하게는 60000 N(kgms-2) 이상, 더욱 바람직하게는 270000 N(kgms-2) 이상이다.
이 반응 방법에 있어서는, 반응물에 전단 응력과 원심력의 쌍방의 기계적 에너지가 동시에 가해짐에 따라, 이 에너지가 화학 에너지로 전화하는 것에 의한 것이라고 생각되는데, 종래에 없는 속도로 화학 반응을 촉진시킬 수 있다.
(티탄산 리튬 결정 구조체)
본 발명에 따른 티탄산 리튬 결정 구조체는, 예를 들면, 티탄알콕시드 등의 티탄원, 아세트산 리튬, 질산 리튬, 탄산 리튬, 수산화 리튬 등의 리튬원을 출발 원료로서 사용하고, 상기 메카노케미컬 반응에 의해, 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체를 생성한다. 본 실시예에서는, 이 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체를 질소 분위기 중에서 가열함으로써, 산소 결함의 사이트에 질소가 도핑된 티탄산 리튬 결정 구조체를 생성한다.
(카본)
반응 과정에서 CNF를 첨가함으로써, 5 내지 100 nm의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체를 얻을 수 있다. 즉, 반응기 내부 통의 내부에 상기 티탄원과 리튬원, 반응 억제제와 소정량의 CNF를 투입하고, 내부 통을 선회하여 금속 염과 반응 억제제와 CNF를 혼합, 분산한다. 또한 내부 통을 선회시키면서 수산화 나트륨 등의 촉매를 투입하여 가수 분해, 축합 반응을 진행시키고, 티탄산 리튬을 생성함과 함께, 이 티탄산 리튬과 카본을 분산 상태에서, 혼합한다. 반응 종료 후에 이것을 급속 가열함으로써 티탄산 리튬 결정 구조체를 고분산 담지시킨 카본을 형성할 수 있다.
여기에서 사용하는 카본으로서는, CNF를 사용하는 것이 바람직하다. CNF는 중공 형상의 구성을 갖지만, 내표면이 작고, 그 직경이 굵기 때문에, 티탄산 리튬 결정 구조체를 담지시킨 경우에, 티탄산 리튬 결정 구조체가 CNF에 내포되는 양이 적고, CNF의 외표면에 담지되는 양이 많다. 그리고, CNF는 그 직경이 굵으므로, 즉「비표면적(외부 비표면적)이 작으므로」, 상기와 같은 메카노케미컬 반응하에서는, 담지한 티탄산 리튬 입자가 CNF의 표면을 따라 밖을 향하여 성장하고 결정화하여 시트 형상이 된다.
카본 나노 튜브(이하, CNT라고 한다)는 중공 상태인데, 티탄산 리튬 결정 구조체가 통 형상을 한 CNT에 내포되므로, 본 발명에는 적합하지 않다. 즉, 본 실시예에 나타내는 CNF(다층의 CNT의 직경이 굵은 것)의 외부 비표면적은 150 내지 350 cm2/g, 일반적인 다층의 CNT의 비표면적은 200 내지 400 cm2/g, 단층의 CNT의 비표면적은 400 내지 500 cm2/g, SGCNT(수퍼 그로스 카본 나노 튜브)는 600 내지 1100 cm2/g, 케첸 블랙은 600 내지 800 cm2/g이다.
티탄산 리튬 결정 구조체를 다량으로 카본에 담지시키기 위해서는, 카본의 외부 비표면적을 150 내지 350 cm2/g의 범위로 하는 것이, 바람직하다. 이러한 외부 비표면적을 취하는 CNF로서는, 그 외부 직경이 10 내지 30 nm의 굵기인 것이 바람직하다. 외경이 이 범위보다 가늘면 외부 비표면적이 커져 티탄산 리튬 결정 구조체가 밖을 향하여 성장하기 어려워진다. 외경이 이 범위보다 굵으면, 외부 비표면적이 작아져 75/25(w/w) 이상의 티탄산 리튬 결정 구조체를 담지시키기가 곤란하다.
(티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 양)
복합체에 있어서, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 비율은, 75:25 내지 85:15, 특히, 이 비율은, 종래 제안되었던 70:30에 비교하여, 티탄산 리튬 결정 구조체의 비율이 많고, 그 때문에, 메카노케미컬 반응하에, 티탄산 리튬이 반응기의 둘레 방향을 향하여 시트 형상으로 성장하는 것을 돕고 있다. 또한, 이 범위의 임계적 의의는, 전극당 용량에 의해서 정해지는 것으로, 이 범위에서는 커다란 전극 용량을 얻을 수 있다.
(용매)
용매로서는, 알코올류, 물, 이들의 혼합 용매를 사용할 수 있다. 예를 들면, 아세트산과 아세트산 리튬을 이소프로판올과 물의 혼합물에 용해한 혼합 용매를 사용할 수 있다.
(반응 억제제)
출발 원료로서 티탄알콕시드를 사용한 경우에는, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 상기 메카노케미컬 반응을 적용하는 소정의 티탄알콕시드에, 반응 억제제로서 상기 티탄알콕시드와 착체를 형성하는 소정의 화합물을 첨가할 수 있다. 이에 따라, 화학 반응이 지나치게 촉진되는 것을 억제할 수 있다.
즉, 티탄알콕시드에, 이것과 착체를 형성하는 아세트산 등의 소정의 화합물을 상기 티탄알콕시드 1몰에 대하여, 1 내지 3몰 첨가하여 착체를 형성함으로써, 반응을 억제, 제어할 수 있다. 또한, 이 반응에 의해 생성되는 것은, 티탄산 리튬의 결정 구조체의 전구체인, 리튬과 산화티탄의 복합체의 나노 입자이고, 이것을 소성함으로써, 티탄산 리튬 결정 구조체가 얻어진다.
이와 같이, 반응 억제제로서 아세트산 등의 소정의 화합물을 첨가함으로써, 화학 반응이 지나치게 촉진되는 것을 억제할 수 있다는 것은, 아세트산 등의 소정의 화합물이 티탄알콕시드와 안정된 착체를 형성하기 때문이라고 생각된다.
티탄알콕시드와 착체를 형성할 수 있는 물질로서는, 아세트산 외에, 시트르산, 옥살산, 포름산, 락트산, 타르타르산, 푸마르산, 숙신산, 프로피온산, 레푸린산 등의 카르복실산, EDTA 등의 아미노폴리카르복실산, 트리에탄올아민 등의 아미노알코올로 대표되는 착화제를 들 수 있다.
(가열)
본 발명에서는, 메카노케미컬 반응에 의해 카본 나노 입자의 구조체의 내부에 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체를 담지시킨 복합체를 얻음와 함께, 이 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체를 가열함으로써, 티탄산 리튬의 결정화를 촉진시켜, 이 복합체를 사용한 전극이나 전기 화학 소자의 용량, 출력 특성을 향상시킨다.
즉, 얻어진 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체와 CNF는「비표면적이 작으므로」, 담지한 티탄산 리튬 결정 구조체가 밖을 향하여 성장하여 시트 형상이 된다. 상기 가열 온도는, 700℃ 내지 900℃이고, 이 온도 미만이면 양호한 결정화의 진행이 얻어지지 않고, 이 온도를 초과하면 상전이에 의해, 에너지 저장 특성이 양호한 티탄산 리튬이 얻어지지 않는다. 본 실시예에서는, 700℃에서 가열함으로써 우수한 전기적 특성이 얻어졌다.
본 발명에서, 상기 가열은, 질소 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다. 즉, 티탄산 리튬을 질소 분위기 중에서 가열함으로써, 그 결정 구조체에 산소 결함이 발생하고, 이 사이트에 리튬이 흡장, 탈리되므로, 이 복합체를 이용한 전극이나 전기 화학 소자에 있어서 용량, 출력 특성이 향상된다고 생각된다. 또한, 이 산소 결함의 사이트에 질소가 도핑하여, 티탄산 리튬의 전기 전도성이 향상되고, 출력 특성이 향상된다고 생각된다.
(전극)
본 발명에 의해 얻어진 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체는, 결합제와 혼련, 성형하여, 전기 화학 소자의 전극, 즉 전기 에너지 저장용 전극으로 만들 수 있고, 그 전극은 고출력 특성, 고용량 특성을 나타낸다.
(전기 화학 소자)
이 전극을 사용할 수 있는 전기 화학 소자는, 리튬이나 마그네슘 등의 금속 이온을 함유하는 전해액을 이용하는 전기 화학 캐패시터, 전지이다. 즉, 본 발명의 전극은, 금속 이온의 흡장, 탈착을 행할 수 있고, 부극이나 정극으로서 작동한다. 따라서, 리튬 이온을 함유하는 전해액을 이용하여, 상대극으로서 활성탄, 리튬 이온을 흡장, 탈착하는 카본이나 금속 산화물 등을 이용함으로써, 전기 화학 캐패시터, 전지를 구성할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
티탄알콕시드 1몰에 대하여, 아세트산 1.8몰, 아세트산 리튬 1몰이 되는 양의 아세트산과 아세트산 리튬을 이소프로판올과 물의 혼합물에 용해하여 혼합 용매를 제작하였다. 이 혼합 용매와 티탄알콕시드, CNF를 선회 반응기 내에 투입하고, 66000 N(kgms-2)의 원심력으로 5분간, 내부 통을 선회하여 외부 통의 내벽에 반응물의 박막을 형성함과 함께, 반응물에 전단 응력과 원심력을 가하고 화학 반응을 촉진시켜, 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체를 고분산 담지한 CNF를 얻었다. 이 경우, 혼합 용매에 용해하는 티탄알콕시드와 CNF의 양은, 얻어지는 복합체의 조성이, 티탄산 리튬/CNF가, 80/20의 질량비(w/w)가 되도록 설정하였다.
얻어진 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체를 고분산 담지시킨 CNF를, 진공 중에서 80℃에서 17시간 건조함으로써, 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체가 CNF에 고분산 담지된 복합체 분말을 얻었다.
얻어진 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체가 CNF에 고분산 담지된 복합체 분말을, 질소 분위기 중에서 700℃에서 가열함으로써 리튬을 함유하는 티탄 산화물의 결정화를 진행시키고, 티탄산 리튬의 나노 입자가 평면 형상으로 형성된 결정 구조체가 CNF에 고분산 담지된 복합체 분말을 얻었다.
이와 같이 하여 얻어진 실시예 1의 티탄산 리튬 결정 구조체를 담지한 CNF의 각 TEM상을 도 1에 나타냈다. 도 1에 있어서는 5 nm 내지 20 nm의 티탄산 리튬 결정 구조체가 CNF에 고분산 담지하고 있다는 것을 알 수 있다.
특히, 도 1의 TEM상에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 「티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체」는, CNF가 연결된 「흑연 프래그먼트의 빌딩 구조」를 취하고 있고, 이 구조체에 티탄산 리튬 결정 구조체가 고분산 담지되어 있다.
도 2 내지 도 4에, 실시예 1의 티탄산 리튬의 전구체를 고분산 담지한 CNF를 고해상도 TEM으로 관찰한 도면을 나타낸다. 즉, 티탄산 리튬이 카본 나노파이버에 담지(부착)되어 있는 부분을, 확대하여 촬영한 것이다. 도면 중, 평행한 선이 다수 나타나 있는데, 이 선이 결정 격자를 나타내고 있다. 또한, 면 간격: 4.91Å(111), 면 간격: 5.10Å(111)이란, TEM 사진을 찍고 있는 티탄산 리튬의 시트면이 결정인 (111)면을 의미하고, 면 간격은 2개의 결정이 존재하는 것을 나타낸다.
도 2 내지 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 티탄산 리튬 결정 구조체는, 초박막 구조로 되어 있다. 이 초박막 구조체는 2 내지 5 원자층 레벨로 1 nm 이하의 두께를 가지며, 이차원 면의 한 변이 5 내지 100 nm의 평판 형상을 하고 있다. 또한, 이차원 면이 (111)면으로 되어 있다. 또한, 티탄산 리튬 결정 구조체의 대부분은, 그 두께와 이차원 면의 한 변의 비가 1:5 내지 1:350의 범위에 있다.
이러한 초박막 구조체는 두께가 극도로 얇아, 부피 당의 표면적이 극도로 크다. 따라서, 높은 출력 특성을 나타낼 수 있다. 부피당의 표면적에 대해서, 두께가 무한 제로에 가까운 초박막 구조체의 표면적이 가장 크지만, 본 실시예의 티탄산 리튬 결정 구조체는, 이러한 초박막 구조체에 가까운 수 원자층 레벨의 두께를 갖는 구조를 가지고 있다.
이상의 초박막 구조체는 선회하는 반응기 내에서 티탄산 리튬의 출발 원료와 CNF 분말을 포함하는 용액에 전단 응력과 원심력을 가하여 반응시킴과 함께, 그 후의 가열 처리에 의해서 형성되는 것이라고 생각된다.
(실시예 2)
얻어지는 티탄산 리튬 결정 구조체와 CNF의 배합비가 75/25가 되도록 혼합 용액에 용해하는 티탄알콕시드와 CNF의 양을 변경하는 것 이외에는, 상기 실시예와 동일하게 하여, 티탄산 리튬 결정 구조체와 CNF의 복합체 분말을 제작하였다.
(실시예 3)
얻어지는 티탄산 리튬 결정 구조체와 CNF의 배합비가 85/15가 되도록 혼합 용액에 용해하는 티탄알콕시드와 CNF의 양을 변경하는 것 이외에는, 상기 실시예와 동일하게 하여, 티탄산 리튬 결정 구조체와 CNF의 복합체 분말을 제작하였다.
(비교예 1)
얻어지는 티탄산 리튬 결정 구조체와 CNF의 배합비가 70/30이 되도록 혼합 용액에 용해하는 티탄알콕시드와 CNF의 양을 변경하는 것 이외에는, 상기 실시예와 동일하게 하여, 티탄산 리튬 결정 구조체와 CNF의 복합체 분말을 제작하였다.
상기한 바와 같이 구성한 실시예 1과 비교예 1에서 얻어진 복합체 분말을 결합제로서의 폴리불화비닐리덴 PVDF와 함께(Li4Ti5O12/CNF/PVDF 56:24:20), SUS판 상에 용접된 SUS 메쉬 중에 투입하여, 작용 전극 W.E.로 하였다. 상기 전극 상에 세퍼레이터와 상대극 C.E. 및 참조극으로서 Li 호일을 얹고, 전해액으로서, 1.0 M 4불화 붕산 리튬(LiBF4)/탄산 에틸렌 EC: 탄산 디메틸 DEC(1:1 w/w)을 침투시켜, 셀로 하였다.
또한, 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 복합체 분말을 이용한 전극을 갖는 셀에 대해서, 그 충방전 거동으로부터 산출한 용량을 비교한 결과는, 이하와 같다.
(1)실시예 1 Li4Ti5O12:CNF=80:20 용량: 131 mAh/g
(2)실시예 2 Li4Ti5O12:CNF=75:25 용량: 125 mAh/g
(3)실시예 3 Li4Ti5O12:CNF=85:15 용량: 137 mAh/g
(4)비교예 1 Li4Ti5O12:CNF=70:30 용량: 118 mAh/g
이 결과로부터 분명한 바와 같이, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본 나노파이버의 질량비가 75:25 내지 85:15인 본 실시예의 복합체를 사용한 경우, 비교예에 비교하여 용량이 증가하고 있는 것이 확인되었다. 또한 출력 특성도 양호하였다.
(실시예 4)
실시예 1의 복합체 분말 9중량부와, 1중량부의 PVDF(폴리불화비닐리덴) 결합제를 혼련하고, 압연하여 시트를 형성하였다. 이 시트를 진공 건조 후, 동박에 접합하여, 부극으로 하였다.
또한, 활성탄(구라레 케미칼사 제조, RD-20) 8중량부와, 1중량부의 PTFE 결합제(폴리테트라플루오로에틸렌), 도전성 재료로서 아세틸렌 블랙 1중량부를 혼련하고, 압연하여 시트를 형성하였다. 이 시트를 진공 건조 후, 알루미늄박에 접합하여, 정극으로 하였다.
이들 전극을, LiBF4, 프로필렌카보네이트 용액을 주입한 비이커에, 셀룰로오스계의 세퍼레이터를 개재하고, 대향시켜 혼성 캐패시터 셀을 제작하였다.
(실시예 5)
실시예 2의 복합체 분말을 이용하고, 동일하게 하여, 혼성 캐패시터 셀을 제작하였다.
(실시예 6)
실시예 3의 복합체 분말을 이용하고, 동일하게 하여, 혼성 캐패시터 셀을 제작하였다.
(비교예 2)
비교예 1의 복합체 분말을 이용하고, 동일하게 하여, 혼성 캐패시터 셀을 제작하였다.
이들 혼성 캐패시터 셀의 용량을 측정하였다. 결과는 실시예 4 내지 6의 용량은 각각 29.4 mAh/g, 29.0 mAh/g, 29.8 mAh/g, 28.4 mAh/g이고, 비교예 2의 28.4 mAh/g에 비교하여 커다란 용량을 나타내어, 본원의 혼성 캐패시터 셀의 특성이 양호하다는 것을 알 수 있었다.

Claims (13)

  1. 2 내지 5 원자층 레벨로 1 nm 이하의 두께를 가지며, 이차원 면의 한 변이 5 내지 100 nm의 평판 형상으로 전개되어 있는 티탄산 리튬 결정 구조체를 카본 나노파이버에 분산 담지시킨 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체이며,
    티탄산 리튬 결정 구조체와 카본 나노파이버의 질량비가 75:25 내지 85:15인, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 티탄산 리튬 결정 구조체의 이차원 면이 (111)면인, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체.
  3. 제1항에 있어서, 티탄산 리튬 결정 구조체의 두께와 이차원 면의 한 변의 비가 1:5 내지 1:350인, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 티탄산 리튬 결정 구조체가, 티탄원과 리튬원을 포함하는 용액에 전단 응력과 원심력을 가하여 반응시켜 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체를 제조하고, 이 전구체를 가열하여 얻어지는 수 원자층 레벨의 두께를 갖는 평판 형상의 결정 구조체로 이루어지는, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 카본 나노파이버가, 그 외부 직경이 10 내지 30 nm이고, 외부 비표면적은 150 내지 350 cm2/g 인, 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체.
  6. 제1항에 있어서, 선회하는 반응기 내에서, 제조되는 복합체의 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본 나노파이버와의 질량비가 75:25 내지 85:15가 되는 양의 티탄원, 리튬원 및 카본 나노파이버를 포함하는 용액에, 전단 응력과 원심력을 가하여 반응시켜 티탄산 리튬 결정 구조체의 전구체와 카본 나노파이버의 복합체를 제조하고, 이 복합체를 가열하여 얻어지는 수 원자층 레벨의 두께를 갖는 평판 형상의 티탄산 리튬 결정 구조체가 카본 나노파이버에 담지되어 있는 티탄산 리튬 결정 구조체와 카본의 복합체.
  7. 제1항에 기재된 복합체를 결합제와 혼합한 후, 성형하여 얻어지는 전극.
  8. 제7항에 기재된 전극을 이용한 전기 화학 소자.
  9. 제7항에 기재된 전극을 부극에 이용하고, 분극성 전극을 정극에 이용한 전기 화학 캐패시터.
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