KR101892359B1 - 천공된 구형 금속산화물 입자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
전기전도성 및 신뢰성이 우수한 천공된 구형 금속산화물 입자 및 그의 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자는 내부에 적어도 하나의 공동을 포함하는 구형 금속산화물 입자로서, 공동은 선형으로서, 구형 금속산화물 입자의 일표면에서 타표면을 가로지르며 형성되고, 공동에 의해 구형 금속산화물 입자의 양표면에는 개구가 형성된 구형 금속산화물 입자이다.
Description
본 발명은 천공된 구형 금속산화물 입자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기전도성 및 신뢰성이 우수한 천공된 구형 금속산화물 입자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
에너지 저장소자의 전극소재는 높은 저장용량과 함께 기계적 응력 등에 대한 신뢰성이 우수한 소재가 사용되어왔다. 에너지 저장용 전극 소재, 특히, 음극 소재로써, 흑연 기반의 탄소계 소재들이 사용되었다. 탄소계 소재는 신뢰성은 높으나 저장용량이 원하는 수준으로 발현되지 않아 저장용량을 증가시키기 위한 다른 소재의 개발이 시도되었다.
이에, 실리콘계 화합물이나 금속산화물과 같은 비탄소계 소재들이 에너지 저장소자의 음극재로서 제안되었다. 탄소계 소재의 경우 LiC6의 저장용량이 약 372 mAh/g인데 반해 실리콘계 화합물인 Li22Si5의 경우 저장용량이 약 4200 mAh/g으로서 매우 높은 수준의 저장용량이 달성되어 에너지 저장소자의 성능을 극대화할 수 있었다.
그러나, 비탄소계 소재의 경우 그 특성상 전기전도성이 낮아 전극으로서 요구되는 특성을 충족하기 어려운 점이 있었고, 리튬이차전지 등에서 고도의 리튬 삽입방출과정 중 현저한 체적팽창현상이 발생하여 이로부터 발생된 기계적 응력이 사이클 과정에서 전극소재의 구조 파괴로 이어져 사이클의 성능저하를 초래하는 문제점이 지적되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전기전도성 및 신뢰성이 우수한 천공된 구형 금속산화물 입자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자는 내부에 적어도 하나의 공동을 포함하는 구형 금속산화물 입자로서, 공동은 선형으로서, 구형 금속산화물 입자의 일표면에서 타표면을 가로지르며 형성되고, 공동에 의해 구형 금속산화물 입자의 양표면에는 개구가 형성된 구형 금속산화물 입자이다.
본 발명에 따른 구형 금속산화물 입자의 표면에 탄소층을 더 포함할 수 있다.
공동이 복수 개이면, 복수 개의 공동은 서로 분리되어 형성될 수 있다.
금속산화물 입자는 Co3O4, CoO, SnO2, MnO, Mn2O3, Mn3O4, MnO2, Fe2O3, Fe3O4, SiO2, TiO2, MgO, RuO2, MoO3, CuO, Cr2O3, Nb2O5 및 NiO 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선형의 유기물 템플릿 표면에 구형의 금속산화물 입자를 형성하는 구형 금속산화물 입자 형성단계; 및 표면에 구형 금속산화물 입자가 형성된 유기물 템플릿으로부터 유기물 템플릿을 제거하여 내부에 공동이 형성된 구형 금속산화물 입자를 얻는 유기물 템플릿 제거단계;를 포함하는 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법이 제공된다.
공동의 개수는 구형 금속산화물 입자 내부를 관통하는 유기물 템플릿의 개수를 따를 수 있다.
구형 금속산화물 입자 형성단계는, 수열합성법에 따라 수행될 수 있다.
유기물 템플릿은, 단일벽 탄소나노튜브, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 기능화된 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 기능화된 다중벽 탄소나노튜브 중 적어도 하나의 카본소재 또는, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리비닐리덴플루오라이드 중 적어도 하나인 고분자 소재일 수 있다.
본 발명에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법에서는 구형 금속산화물 입자 형성단계 전에, 유기물 템플릿 표면을 음이온 처리하는 전처리단계가 더 수행될 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 내부에 적어도 하나의 공동을 포함하는 구형 금속산화물 입자로서, 공동은 선형으로서, 구형 금속산화물 입자의 일표면에서 타표면을 가로지르며 형성되고, 공동에 의해 구형 금속산화물 입자의 양표면에는 개구가 형성된 천공된 구형 금속산화물 입자;를 전극에 포함하는 에너지 저장소자가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 선형의 유기물 템플릿을 둘러싸도록 구형의 금속산화물 입자를 형성하는 구형 금속산화물 입자 형성단계; 및 선형의 유기물 템플릿을 제거하여 내부에 공동이 형성된 구형 금속산화물 입자를 얻는 유기물 템플릿 제거단계;를 포함하는 구형 금속산화물 입자 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 경제적이고 간단한 방법으로 구형의 금속산화물 입자를 형성하면서 동시에 내부에 원하는 형상의 공동을 형성할 수 있어서 비표면적을 증가시켜 에너지 저장소자 등에 적용되었을 때 저장용량을 극대화할 수 있는 금속산화물입자를 얻을 수 있다.
또한, 구형의 금속산화물 입자 내부에 공동이 형성되어 금속산화물 입자로만 전극을 형성한 경우보다 구조적으로 리튬이온의 삽입방출과정에 따른 체적변화에 대한 저항성이 높아져 신뢰성 높은 음극재로 사용가능한 효과가 있다.
아울러, 금속산화물 입자 내부에 공동을 형성할 때 표면에 탄소층을 형성할 수 있어 전기전도성이 우수한 금속산화물 입자를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 사시도이고, 도 2는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 유기물 템플릿 상에 형성된 금속산화물 입자의 SEM 이미지들이다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 유기물 템플릿 제거되어 금속산화물 입자에 공동이 형성된 천공된 구형 금속산화물 입자의 SEM 이미지들이다.
도 10a 내지 10c는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 TEM 이미지들이다.
도 11a 및 11b는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 XRD 및 XPS 분석 결과이다.
도 12는 유기물 템플릿 상에 형성된 금속산화물 입자 및 유기물 템플릿 제거후 천공된 구형 금속산화물 입자의 TGA를 도시한 그래프이다.
도 13은 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 비표면적 측정을 위한 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석 데이터를 도시한 그래프이고, 도 14는 일반적인 금속산화물 입자의 BET 분석 데이터를 도시한 그래프이다.
도 15는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자를 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용하여 충방전 테스트를 수행한 결과 충전용량을 도시한 그래프이고, 도 16은 쿨롱효율을 도시한 그래프이다.
도 17은 일반적인 금속산화물 입자를 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용하여 충방전 테스트를 수행한 결과 충전용량을 도시한 그래프이고, 도 18은 쿨롱효율을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 유기물 템플릿 상에 형성된 금속산화물 입자의 SEM 이미지들이다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 유기물 템플릿 제거되어 금속산화물 입자에 공동이 형성된 천공된 구형 금속산화물 입자의 SEM 이미지들이다.
도 10a 내지 10c는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 TEM 이미지들이다.
도 11a 및 11b는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 XRD 및 XPS 분석 결과이다.
도 12는 유기물 템플릿 상에 형성된 금속산화물 입자 및 유기물 템플릿 제거후 천공된 구형 금속산화물 입자의 TGA를 도시한 그래프이다.
도 13은 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 비표면적 측정을 위한 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석 데이터를 도시한 그래프이고, 도 14는 일반적인 금속산화물 입자의 BET 분석 데이터를 도시한 그래프이다.
도 15는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자를 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용하여 충방전 테스트를 수행한 결과 충전용량을 도시한 그래프이고, 도 16은 쿨롱효율을 도시한 그래프이다.
도 17은 일반적인 금속산화물 입자를 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용하여 충방전 테스트를 수행한 결과 충전용량을 도시한 그래프이고, 도 18은 쿨롱효율을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 사시도이고, 도 2는 단면도이다. 본 발명에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자(100)는 내부에 적어도 하나의 공동(120)을 포함하는 구형 금속산화물 입자(110)로서, 공동(120)은 선형으로서, 구형 금속산화물 입자(110)의 일표면에서 타표면을 가로지르며 형성되고, 공동에 의해 구형 금속산화물 입자의 양표면에는 개구가 형성되어 있다.
본 발명에서 사용되는 금속산화물은 금속산화물로서, 유기물 템플릿을 사용하여 내부에 공동을 형성할 수 있는 금속산화물이라면 어떤 것이든 사용될 수 있는데, 특히 에너지 저장소자의 전극재료로 사용될 수 있는 금속산화물이 바람직하다. 예를 들면, 본 발명에 사용될 수 있는 금속산화물은 Co3O4, CoO, SnO2, MnO, Mn2O3, Mn3O4, MnO2, Fe2O3, Fe3O4, SiO2, TiO2, MgO, RuO2, MoO3, CuO, Cr2O3, Nb2O5 및 NiO 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 천공된 구형 금속산화물 입자(100)는 내부에 적어도 하나의 공동(120)을 포함하는 구형 금속산화물 입자(110)이다. 도 1을 참조하면, 구형의 금속산화물 입자 내부에 빈 공간이 형성되어 있다. 빈 공간은 공동(120)으로서, 공동(120)은 구형 금속산화물 입자(110)를 관통하여 형성되어 있고, 이에 따라 구형 금속산화물 입자(110)의 일표면에는 제1개구(131)가 형성되고, 타표면에는 제1개구(131)와 공동(120)으로 이어진 제2개구(132)가 형성되어 있다(도 2참조).
도 1에서는 공동(120)의 형상이 원기둥 형상으로 도시되어 있으나, 공동(120)은 선형으로서, 구형 금속산화물 입자(110)를 관통하여 구형 금속산화물 입자(110) 표면에 개구를 형성하면 되고, 반드시 원기둥형상에 한정되는 것은 아니다. 공동(120)의 형상은 이하 설명할 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법에서와 같이 유기물 템플릿의 형상에 따라 형성된다.
에너지 저장소자용 비탄소계 음극재의 경우, 성능 향상을 위해 입자 크기를 나노스케일(nanosphere, nanocube, nanowire, 또는 nanoflake 등의 형태)로 감소시키거나 표면에 다공성 구조를 부여하여 미세구조를 설계하여, 체적팽창현상을 억제할 수 있다. 체적팽창현상을 억제하여 신뢰성을 향상하기 위한 방법으로는 음극재의 크기를 나노스케일로 줄이는 방식에는 한계가 있기 때문에 표면에 다공성 구조를 부여하는 방식이 더 효과적이다.
이를 위하여 본 발명에서는 구형 금속산화물 입자(110)의 내부에 공동(120)을 형성하여 에너지 저장소자 등에 사용되는 경우 체적팽창현상을 억제하여 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 구형 금속산화물 입자(110)가 공동(120)을 포함하고 있어 공동(120)으로 인한 비표면적의 증가로 인하여 에너지 저장소자의 저장용량의 증가효과를 얻을 수 있다 .
구형 금속산화물 입자(110)에 형성된 공동(120)의 개수는 복수 개일 수 있다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자의 단면도이다.
도 3에서, 천공된 구형 금속산화물 입자(100)는 구형 금속산화물 입자(110) 내부에 2개의 공동(121, 122)을 포함한다. 제1공동(121) 및 제2공동(122)은 서로 교차되어 연결될 수 있고, 제1공동(121) 및 제2공동(122)은 서로 분리되어 형성될 수 있다. 공동은 2개, 3개, 또는 4개 등 다양한 갯수로 형성될 수 있는데, 천공된 구형 금속산화물 입자(100) 내부의 공동(120)의 갯수는 유기물 템플릿의 크기, 직경 및 농도에 따라 조절가능하다.
본 발명에 따른 구형 금속산화물 입자는 표면에 탄소층(140)을 더 포함할 수 있다. 금속산화물 입자는 탄소계 소자보다는 전기전도성이 낮아 전극재로 사용시 불리한 점이 있다. 그러나 본 발명에 따른 구형 금속산화물 입자(110)는 표면에 탄소층(140)이 형성될 수 있어서 순수한 금속산화물 입자보다 전기전도성이 높아 에너지 저장소자의 전극재로서 사용가능한 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 탄소층(140)을 포함하는 천공된 구형 금속산화물 입자(100)에 대하여는 이하 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법의 설명시 더 설명하기로 한다 .
도 5 내지 도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다. 본 실시예에서는 선형의 유기물 템플릿(150) 표면에 구형의 금속산화물 입자(100')를 형성하는 구형 금속산화물 입자 형성단계; 및 표면에 구형의 금속산화물 입자(100')가 형성된 유기물 템플릿(150)으로부터 유기물 템플릿(150)을 제거하여 내부에 공동(120)이 형성된 구형의 금속산화물 입자(100)형 금속산화물 입자를 얻는 유기물 템플릿 제거단계;가 수행되어 천공된 구형 금속산화물 입자가 제조된다.
선형의 유기물 템플릿(150) 표면에 구형의 금속산화물 입자(100')를 형성한다. 도 5에서 복수개의 유기물 템플릿(150)이 도시되어 있는데, 유기물 템플릿(150)은 구형의 금속산화물 입자(100') 형성 후에 제거되어 천공된 구형 금속산화물 입자를 획득할 수 있도록 제거가 용이한 물질인 것이 바람직하다. 또한, 제거시, 휘발되는 등의 방식으로 천공된 구형 금속산화물 입자의 표면에 탄소층을 형성할 수 있는 재질인 것이 바람직하다.
예를 들어, 유기물 템플릿(150)은 단일벽 탄소나노튜브, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 기능화된 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 기능화된 다중벽 탄소나노튜브 중 적어도 하나의 카본소재 또는, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리비닐리덴플루오라이드 중 적어도 하나인 고분자 소재일 수 있다. 이외에도 고온 열처리로 제거가능한 소재라면 어떤 것이든 사용될 수 있는데, 사람이나 가축의 모발과 같은 천연소재도 사용될 수 있다.
공동(120)의 개수는 구형 금속산화물 입자 내부를 관통하는 유기물 템플릿(150)의 개수에 따를 수 있다. 구형의 금속산화물 입자(100')의 내부를 관통하는 유기물 템플릿(150)의 갯수는 포함되는 유기물 템플릿(150)의 농도에 따라 조절될 수 있다.
금속산화물 입자는 유기물 템플릿(150)의 표면에 수열합성법을 이용하여 형성될 수 있다. 수열합성법은 소정온도와 소정압력하에서 전구체가 용해된 수용액으로부터 입자나 결정이 형성되는 방식을 의미하는데, 통상 고온 고압의 autoclave 장비를 이용하여 수행될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 암모니아 증발 유도 합성방식을 사용하여 고가의 autoclave 장비가 불필요하다. 특히 100 ℃ 이하의 반응온도에서 조성물의 단순 교반을 통해 1차원의 유기물 템플릿 표면에 구형 금속산화물 입자를 형성시키는 것이 가능하다.
아울러, 도 5에서와 같이 1차원의 유기물 템플릿(150)에 음전하를 띠는 전처리 물질을 처리할 경우, 반응조 안의 양전하를 띠는 금속이온이 전기적 인력에 의해 쉽게 화학적으로 흡착되어 최종적으로 제조되는 구형 금속산화물 입자의 수득량을 높일 수 있다.
유기물 템플릿(150)의 표면에 금속산화물 입자가 형성되면, 유기물 템플릿(150)은 제거되는데, 예를 들어 열처리 공정을 통해 제거될 수 있다. 이에 따라 금속산화물 입자의 내부에는 유기물 템플릿(150) 형상의 공동(120)이 형성되는 것이다. 도 6에서, A영역에서는 금속산화물 입자의 내부에 유기물 템플릿(150)이 1개 위치하고, B영역에서는 금속산화물 입자의 내부에 유기물 템플릿(150)이 2개 위치하고 있다. 이에 따라 도 7을 참조하면, A영역의 천공된 구형 금속산화물 입자는 유기물 템플릿(150)이 제거되어 금속산화물 입자의 내부에 공동이 1개 형성되고, B영역의 천공된 구형 금속산화물 입자는 유기물 템플릿(150)이 2개 관통하고 있어서 공동이 2개 형성되어 있음을 알 수 있다 .
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 내부에 적어도 하나의 공동을 포함하는 구형 금속산화물 입자로서, 공동은 선형으로서, 구형 금속산화물 입자의 일표면에서 타표면을 가로지르며 형성되고, 공동에 의해 구형 금속산화물 입자의 양표면에는 개구가 형성된 천공된 구형 금속산화물 입자;를 전극에 포함하는 에너지 저장소자가 제공된다.
에너지 저장소자는 리튬이온전지 또는 수퍼캐패시터 등과 같이 에너지를 저장할 수 있는 소자이다. 본 발명에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자는 저장용량이 높고, 기계적 응력에 대한 저항성이 우수하여 전극소재로 사용되어 에너지 저장소자의 성능향상에 기여할 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 선형의 유기물 템플릿을 둘러싸도록 구형의 금속산화물 입자를 형성하는 구형 금속산화물 입자 형성단계; 및 선형의 유기물 템플릿을 제거하여 내부에 공동이 형성된 구형 금속산화물 입자를 얻는 유기물 템플릿 제거단계;를 포함하는 구형 금속산화물 입자 제조방법이 제공된다. 본 실시예에서는 전술한 실시예에서와 달리 선형의 유기물 템플릿 전체를 둘러싸도록 금속산화물 입자를 형성한 후, 내부의 유기물 템플릿을 제거하여 내부에 공동이 형성된 금속산화물 입자를 얻을 수 있다. 본 실시예에 따른 구형 금속산화물 입자 제조방법은 금속산화물 입자가 유기물 템플릿 전체를 덮고 구형으로 형성되는 것 이외에는 이상에서 설명한 바와 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 시험예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예는 본 발명을 한정하지 않는다.
<실시예>
탄소나노튜브를 1차원의 유기물 템플릿으로 사용하였다. 탄소나노튜브를 중심축으로 하여 탄소나노튜브(직경: 25 nm) 표면상에 구형의 Co3O4 금속산화물 입자(직경: 150 nm)를 65 ℃ 반응액의 단순 교반공정을 통해 합성하였다. 수득된 금속산화물-탄소나노튜브 복합체를 450 ℃ 고온 퍼니스에서 열처리하여 탄소나노튜브 유기물 템플릿을 제거하였다.
탄소나노튜브 유기물 템플릿이 제거되면서 휘발된 일부 카본 소스들은 금속산화물 입자 표면에 약 3nm 두께로 자연스럽게 코팅되었다. 최종적으로 탄소나노튜브 템플릿이 존재하던 중심축이 제거되면서 구형 금속산화물 입자의 중심을 관통하는 공동이 형성되었다.
도 8a 내지 8c는 탄소나노튜브 유기물 템플릿 표면에 형성된 금속산화물 입자의 SEM 이미지들이다. 도 8c에서, 탄소나노튜브 유기물 템플릿 상에 Co3O4 금속산화물 입자가 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 9a 내지 9c는 탄소나노튜브 유기물 템플릿이 제거되어 공동이 형성된 Co3O4 금속산화물 입자의 SEM 이미지들이다. 도 8c에서 확인할 수 있었던 유기물 템플릿은 없어지고, 유기물 템플릿 자리에는 구멍이 남아 Co3O4 금속산화물 입자에 탄소나노튜브 형상의 공동이 형성된 것을 알 수 있다. 이에 따라 공동의 직경은 탄소나노튜브 유기물 템플릿의 직경에 따른 것으로 보이고, 유기물 템플릿의 직경을 조절하여 공동의 크기를 조절할 수 있음을 알 수 있다 .
도 10a 내지 10c는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 TEM 이미지들이다. 도 10b에서 Co3O4 금속산화물 입자의 (311)면(격자간격: 0.24 nm)과 (111)면(격자간격: 0.46 nm)에 해당하는 격자무늬가 관찰되어 Co3O4 금속산화물 입자가 형성되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 천공된 Co3O4 금속산화물 입자표면에 약 3 nm 두께로 카본 코팅층이 형성됨을 확인할 수 있었다(도 10c).
도 11a 및 11b는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 XRD 및 XPS 분석 결과이다. 도 11a에서 전형적인 spinel 구조의 Co3O4 phase 및 θ=25° 부근에서 약한 카본 peak이 관찰되었다. XPS 분석 결과, 793.8 eV와 778.7 eV의 결합에너지에서 두 개의 특징적인 peak이 관찰되었고, 두 peak의 gap이 15.1 eV로써 전형적인 Co3O4입자의 특성을 보여 Co3O4 금속산화물 입자를 확인할 수 있었다.
도 12는 유기물 템플릿 상에 형성된 금속산화물 입자 및 유기물 템플릿 제거 후 천공된 구형 금속산화물 입자의 TGA를 도시한 그래프이다. 열처리 전인 유기물 템플릿 표면상 합성된 금속산화물 입자의 TGA와 비교하면, 27.7 %였던 카본 함량이 4.55 %로 감소하면서 효과적으로 유기물 템플릿이 제거되었음을 알 수 있다. 또한, 카본 함량이 4.55 %이므로, 유기물 템플릿이 완전히 제거되는 것이 아니라 휘발된 유기물 템플릿 성분, 즉, 소량의 카본이 천공된 금속산화물 입자 표면에 코팅된 것을 정량적으로 확인할 수 있었다.
도 13은 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 비표면적 측정을 위한 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석 데이터를 도시한 그래프이고, 도 14는 일반적인 금속산화물 입자의 BET 분석 데이터를 도시한 그래프이다. 도 13은 표면이 카본 코팅된 천공된 금속산화물 입자의 비표면적 측정을 위한 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석 데이터이며, 그래프 모형이 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry) 분류에 의한 전형적인 Type-IV의 ‘mesoporous solid’ 모형을 나타냈다. 비표면적은 26.25 m2/g로 측정되었으며, 3.5 nm, 6 nm 그리고 35 nm에서 main peak을 가지는 기공 크기 분포를 보였다. 이러한 기공 분포는 도 14의 일반적인 Co3O4 금속산화물 입자(직경: 50 nm, 비표면적: 35.89 m2/g)와는 다른 기공 크기 분포를 나타낸다.
본 발명에 따라 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자의 경우, 작은 크기의 기공이 다수 형성되었고, 이에 따라 에너지 저장소자의 저장용량이 증가하고, 체적팽창현상을 더욱 효과적으로 견딜 수 있도록 미세구조가 형성된 것을 알 수 있다.
도 15는 제조된 천공된 구형 금속산화물 입자를 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용하여 충방전 테스트를 수행한 결과 충전용량을 도시한 그래프이고, 도 16은 쿨롱효율을 도시한 그래프이다. 도 15에서 표면에 탄소층이 형성된 천공된 구형 금속산화물 입자의 경우, 0.2C의 충·방전 전류속도에서 총 70회 사이클 테스트를 진행한 결과, 1,090 mAh/g의 충전용량 및 98.7 %의 쿨롱효율을 나타내어 우수한 성능을 나타내었다.
도 17은 일반적인 금속산화물 입자를 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용하여 충방전 테스트를 수행한 결과 충전용량을 도시한 그래프이고, 도 18은 쿨롱효율을 도시한 그래프이다. 본 발명에 따른 천공된 구형 Co3O4 나노입자와 달리 범용적으로 사용되는 Co3O4 나노입자를 음극재로 적용하여 동일한 조건에서 충·방전 테스트를 진행한 결과, 급격한 용량 감소가 발생하는 것을 확인하였다(도 18).
본 발명에 따른 천공된 구형 금속산화물 입자인 Co3O4 나노입자를 이용하여 에너지 저장소자의 전극소재로 사용한 결과, Co3O4 나노입자의 이론적 저장용량인 890 mAh/g보다 1.22배 높은 1,090 mAh/g를 나타내었고, 충방전 70사이클 동안에 쿨롱효율 98.7%를 나타내어 우수한 충방전 안정성을 나타내었음을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 천공된 구형 금속산화물 입자
100' 구형 금속산화물 입자
110 금속산화물 입자
120, 121, 122 공동
131, 132 개구
150 유기물 템플릿
100' 구형 금속산화물 입자
110 금속산화물 입자
120, 121, 122 공동
131, 132 개구
150 유기물 템플릿
Claims (12)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 선형의 유기물 템플릿 표면을 음이온 처리하는 전처리단계;
선형의 유기물 템플릿 표면에 구형의 금속산화물 입자를 형성하는 구형 금속산화물 입자 형성단계; 및
표면에 구형 금속산화물 입자가 형성된 유기물 템플릿으로부터 유기물 템플릿을 제거하여 내부에 선형의 공동이 형성된 구형 금속산화물 입자를 얻는 유기물 템플릿 제거단계;를 포함하는 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법으로서,
유기물 템플릿은, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리비닐리덴플루오라이드 중 적어도 하나인 고분자 소재인 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 공동의 개수는 상기 구형 금속산화물 입자 내부를 관통하는 유기물 템플릿의 개수에 따르는 것인 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 구형 금속산화물 입자 형성단계는, 수열합성법에 따라 수행되는 것인 천공된 구형 금속산화물 입자 제조방법. - 삭제
- 삭제
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- 삭제
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