KR101905702B1 - Hierarchically porous inorganic oxide, method for preparing the same, and lithium-ion battery comprising the same - Google Patents

Hierarchically porous inorganic oxide, method for preparing the same, and lithium-ion battery comprising the same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a hierarchically porous inorganic oxide which comprises: a meso-pore inorganic oxide including a plurality of meso-pores; and one macro-pore or a plurality of macro-pores surrounded by the meso-porous inorganic oxide. The hierarchically porous inorganic oxide has various macro-pore structures by controlling a use of nitric acid and a rate of evaporation. Also, the hierarchically porous inorganic oxide is applied to a cathode of a lithium secondary battery, thereby improving efficiency of the lithium secondary battery.

Description

계층형 다공성 무기산화물, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 리튬이차전지 {HIERARCHICALLY POROUS INORGANIC OXIDE, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND LITHIUM-ION BATTERY COMPRISING THE SAME}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a layered porous inorganic oxide, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the porous oxide layer,

본 발명은 계층형 다공성 무기산화물, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 촉매의 담체, 약물전달 또는 음극 활물질로 사용될 수 있는 계층형 다공성 무기산화물과 그의 제조방법, 및 그를 음극물질로 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a layered porous inorganic oxide, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the layered porous inorganic oxide. More particularly, the present invention relates to a layered porous inorganic oxide which can be used as a carrier, a drug delivery or an anode active material for a catalyst, And a lithium secondary battery comprising the same as a negative electrode material.

계층형 다공 구조는 두 개 이상의 서로 다른 크기를 갖는 기공을 동시에 가지고 있는 다공구조를 일컫는다. 계층형 다공 소재는 마이크로기공(<2nm), 메조기공(2~50nm)으로부터 높은 표면적, 크기 선택도, 넓은 활성점(active site)을 가지며, 이와 동시에 반응물/생성물의 전달을 용이하게 해주는 매크로기공(>50 nm)을 가지고 있어 우수한 전달 성능을 나타낸다. 특히 계층형 다공 구조를 가진 무기산화물 소재는 촉매, 분리, 약물전달, 에너지 소자 등의 응용 분야에 널리 활용되고 있다.The hierarchical porous structure refers to a porous structure having two or more pores having different sizes at the same time. The layered porous material has a high surface area, size selectivity and wide active site from micropores (<2 nm), mesopores (2 to 50 nm), while macropores (&Gt; 50 nm). Particularly, inorganic oxide materials having a hierarchical porous structure are widely used in applications such as catalysts, separation, drug delivery, and energy devices.

기존에는 서로 다른 길이 스케일을 가진 주형(template)를 동시에 섞어주는 방식으로 계층형 다공 구조를 합성해 왔다. 하지만 이 경우 서로 다른 주형(template) 사이의 혼합거동을 조절하기 어렵고, 각 주형들이 경쟁적으로 작용하여, 결과적으로 불규칙한 기공 구조 또는 하나의 기공만을 가지는 물질이 얻어졌다.Previously, hierarchical porous structures have been synthesized by simultaneously mixing templates with different length scales. In this case, however, it is difficult to control the mixing behavior between the different templates, and each template works competitively, resulting in a material having irregular pore structure or only one pore.

이러한 단점을 극복하기 위해 각 주형을 순차적으로 적용하는 방식이 사용되었다. 수백 nm의 크기를 갖는 콜로이드 결정(colloidal crystal)을 먼저 3차원적으로 패킹시킨 후, 블록 공중합체-물질 전구체 혼합물을 패킹된 콜로이드 결정 사이의 작은 공간에 함침시키고, 열처리 또는 HF 에칭을 통해 각 주형을 제거하여 계층형 다공 구조를 얻는 방식이다. 하지만 이 방식은 콜로이드 결정을 대량합성하기가 어렵고, 합성한 콜로이드를 균일하게 패킹하는데 많은 시간과 노력이 필요하며, 순차적으로 콜로이드의 빈 공간 사이에 전구체를 함침하는 과정에서 전구체들의 침전, 뭉침 현상이 일어날 뿐만 아니라 벽 두께가 얇아져 기계적 강도가 약해짐으로써 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.In order to overcome these disadvantages, a method of sequentially applying each template was used. A three-dimensionally packed colloidal crystal having a size of several hundreds of nanometers is first impregnated into a small space between the packed colloidal crystals and the block copolymer-material precursor mixture is impregnated into a small space between packed colloidal crystals, To obtain a layered porous structure. However, this method is difficult to mass-synthesize colloidal crystals, requires a lot of time and effort to uniformly pack the synthesized colloids, and precipitates and agglomerates of precursors in the process of impregnating the precursor between empty spaces of the colloid sequentially But also has a disadvantage that the wall thickness is thinned and the mechanical strength is weakened and the stability is lowered.

블록 공중합체는 미세상 분리(microphase separation)를 통하여 2~50nm 크기의 다양한 구조로 자기 조립(self-assembly)할 수 있다. 이러한 블록 공중합체의 특성을 이용하여 블록 공중합체-유기물(무기물) 전구체의 혼합물을 만들어 다양한 조성과 구조의 메조 다공성 물질을 만들어왔다. 그러나 이러한 블록 공중합체-다성분계 혼합물은 복잡한 상 거동을 보이며, 자기 조립 과정에서 매크로 스케일(>50nm)의 상 분리 현상(macrophase separation)이 일어날 수 있다. 이러한 거대상 분리(macrophase separation)는 전구체가 블록 공중합체 내부에 안정화되기 힘들 정도로 큰 크기를 갖거나, 용해성이 낮거나, 전구체의 반응성이 커서 조절이 어려울 때 주로 일어날 수 있다. 거대상 분리가 일어나면 메조 다공성 구조에 변형이 일어나고 불규칙한 무정형의 나노 구조가 생성되는 문제가 발생하였다.The block copolymer can self-assemble into various structures ranging from 2 to 50 nm in size through microphase separation. Using the properties of these block copolymers, mixtures of block copolymers - organic (inorganic) precursors have been made to make mesoporous materials of various compositions and structures. However, such block copolymer-multicomponent mixtures exhibit complex phase behavior and macroscale (> 50 nm) macrophase separation can occur during self-assembly. This macrophase separation may occur mainly when the precursor is too large to stabilize within the block copolymer, is low in solubility, or is difficult to control due to the high reactivity of the precursor. When the object separation occurs, the mesoporous structure is deformed and irregular amorphous nanostructures are generated.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 질산의 사용 및 증발속도를 제어함으로써, 다양한 구조를 갖는 계층형(hierarchically-porous) 다공성 무기산화물을 제공하는데 있다. The object of the present invention is to provide a hierarchically porous porous inorganic oxide having various structures by controlling the use and evaporation rate of nitric acid.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 이와 같은 계층형(hierarchically-porous) 다공성 무기산화물을 리튬이차전지의 음극에 적용함으로써, 고효율의 리튬이차전지를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery with high efficiency by applying such a hierarchically-porous porous inorganic oxide to a cathode of a lithium secondary battery.

본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 메조기공(meso-pore)을 포함하는 메조다공성 무기산화물; 및 상기 메조다공성 무기산화물로 둘러싸인 단수 또는 복수의 매크로기공(macro-pore);을 포함하는 계층형(hierarchically-porous) 다공성 무기산화물이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a mesoporous inorganic oxide comprising a plurality of meso-pores; And a single or multiple macro-pores surrounded by the mesoporous inorganic oxide.

상기 매크로기공의 형상이 구형, 터널(tunnel)형 및 매트릭스(matirix)형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The shape of the macropores may be any one selected from the group consisting of spherical, tunnel, and matirix types.

상기 매크로기공이 상기 계층형 다공성 무기산화물에 균일하게 분포될 수 있다.The macropores can be uniformly distributed in the layered porous inorganic oxide.

상기 메조기공이 상기 메조다공성 무기산화물에 균일하게 분포할 수 있다.The mesopores may be uniformly distributed in the mesoporous inorganic oxide.

상기 메조다공성 무기산화물이 이산화 티타늄(TiO2), 이산화 티타늄-탄소 복합체(TiO2-C), 니오븀-티타늄 복합 산화물(TiNb2O7), 텅스텐 트리옥사이드(WO3), 실리카, 산화티타늄, 산화티타늄-탄소 복합체, 산화니오븀, 티타니아, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미나, 알루미노실리케이트, 저마니아, 탄탈륨 산화물, 주석산화물, 망간 산화물 및 바나듐 산화물 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.Wherein the mesoporous inorganic oxide is selected from the group consisting of titanium dioxide (TiO 2 ), titanium dioxide-carbon composite (TiO 2 -C), niobium-titanium composite oxide (TiNb 2 O 7 ), tungsten trioxide (WO 3 ) And may be at least one selected from the group consisting of titanium oxide-carbon composite oxide, niobium oxide, titania, tungsten oxide, niobium oxide, zirconium oxide, alumina, aluminosilicate, germania, tantalum oxide, tin oxide, manganese oxide and vanadium oxide.

상기 메조기공의 직경이 2 내지 50nm일 수 있다.The diameter of the mesopores may be between 2 and 50 nm.

상기 매크로기공의 직경이 50nm 초과 3,000nm 이하일 수 있다.The diameter of the macropores may be greater than 50 nm and less than or equal to 3,000 nm.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 상기 계층형 다공성 무기산화물을 포함하는 음극이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a cathode comprising the layered porous inorganic oxide.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 상기 음극을 포함하는 리튬이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the negative electrode.

본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, 양친성 블록공중합체, 무기 전구체, 탄소 전구체, 산 및 유기용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(a); 상기 혼합용액을 증발유도 자기조립(evaporation-induced self-assembly, EISA)시켜 양친성 블록공중합체-무기산화물-탄소전구체를 포함하는 복합체를 제조하는 단계(b); 및 상기 복합체를 열처리하여 계층형 다공성 무기산화물을 제조하는 단계(c); 를 포함하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for preparing a mixed solution comprising: (a) preparing a mixed solution by mixing an amphiphilic block copolymer, an inorganic precursor, a carbon precursor, an acid, and an organic solvent; (B) preparing a complex comprising an amphiphilic block copolymer-inorganic oxide-carbon precursor by evaporation-induced self-assembly (EISA) of the mixed solution; And (c) heat treating the composite to produce a layered porous inorganic oxide; Wherein the porous inorganic oxide is a porous inorganic oxide.

상기 양친성 블록공중합체 및 무기전구체의 질량과 상기 산의 질량의 질량비를 조절하여 상기 계층형 다공성 무기산화물의 매크로기공의 형태를 조절할 수 있다.The macropore structure of the layered porous inorganic oxide can be controlled by controlling the mass ratio of the mass of the amphiphilic block copolymer and the inorganic precursor to the mass of the acid.

상기 양친성 블록공중합체 및 무기전구체의 질량과 상기 산의 질량의 질량비가 1:3 내지 1:5일 수 있다.The mass ratio of the mass of the amphiphilic block copolymer and the inorganic precursor to the mass of the acid may be 1: 3 to 1: 5.

상기 증발유도 자기조립에서 상기 유기용매의 증발속도를 조절하여 상기 계층형 다공성 무기산화물의 매크로기공의 형태를 조절 할 수 있다.The morphology of macropores of the layered porous inorganic oxide can be controlled by controlling the evaporation rate of the organic solvent in the evaporation-induced self-assembly.

상기 단계 (b)가 20 내지 80℃에서 수행될 수 있다.The step (b) may be carried out at 20 to 80 &lt; 0 &gt; C.

상기 단계 (b)가 대기압 하에서 수행될 수 있다.The step (b) may be carried out under atmospheric pressure.

상기 양친성 블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리스타이렌 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-b-poly(styrene)), 폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리메 틸메타크리레이트 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-b-poly(methylmethacrylate)), 폴리아이소프렌-블록-폴리에틸렌옥사이드Wherein the amphiphilic block copolymer is selected from the group consisting of a polyethylene oxide-block-polystyrene block copolymer (poly (ethylene oxide) -b-poly (styrene)), a polyethylene oxide-block-polymethyl methacrylate block copolymer ) -b-poly (methylmethacrylate)), polyisoprene-block-polyethylene oxide

블록공중합체(poly(isoprene)-b-poly(ethylene oxide)), 폴리아이소프렌-블록-폴리스타이렌-블록-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체(polye(isoprene)-b-poly(styrene)-bpoly(ethylene oxide)), 폴리(4-터트-부틸)스티렌-블록-폴리에틸렌 옥사이드(poly(4-tert-butyl)styrene-block-polyethyleneoxide) 및 플루로닉(Pluronic)계 상용 블록공중합체(P123, F127, F108) 중 어느 하나일 수 있다.Poly (isoprene) -b-poly (ethylene oxide), polyisoprene-block-polystyrene-block-polyethylene oxide block copolymer (polye (isoprene) ), Poly (4-tert-butyl) styrene-block-polyethyleneoxide and Pluronic-type commercial block copolymers (P123, F127, F108) . &Lt; / RTI &gt;

상기 무기 전구체가 금속 전구체 및 비금속 무기전구체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The inorganic precursor may include at least one of a metal precursor and a non-metal inorganic precursor.

상기 금속 전구체가 금속 알콕사이드(alkoxide) 및 금속 염화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The metal precursor may include at least one of a metal alkoxide and a metal chloride.

상기 금속전구체가 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 염화나이오븀(Niobium chloride) 및 텅스텐 이소프로폭사이드(Tungsten isopropoxide) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The metal precursor may include at least one selected from the group consisting of titanium isopropoxide, Niobium chloride, and tungsten isopropoxide.

상기 비금속 무기전구체가 알킬실리케이트, 소듐실리케이트, 실리콘알콕사이드, 알루미늄알콕사이드 및 알루미노실리케이트 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The non-metallic inorganic precursor may include at least one selected from the group consisting of alkyl silicate, sodium silicate, silicon alkoxide, aluminum alkoxide and aluminosilicate.

상기 탄소 전구체가 레졸(resol), 페놀-포름알데하이드 수지(phenol-formaldehyde resin), 레졸시놀-포름알데하이드 수지(resorcinol-formaldehyde resin), 플로로글루시놀-포름알데하이드 수지(phloroglucinol-formaldehyde resin), 우레아-포름알데하이드 수지 (urea-formaldehyde resin), 멜라민-포름알데하이드 수지(melamine-formaldehyde resin) 및 퍼퓨릴 알코올(furfurly alcohol) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.Wherein the carbon precursor is selected from the group consisting of resol, phenol-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde resin, phloroglucinol-formaldehyde resin, Formaldehyde resin, urea-formaldehyde resin, melamine-formaldehyde resin, and furfuryl alcohol.

상기 유기용매가 클로로포름, 테트라하이드로퓨란 및 다이옥세인(dioxane) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The organic solvent may include at least one selected from the group consisting of chloroform, tetrahydrofuran, and dioxane.

상기 단계 (c)가 공기 중에서 400 내지 1200℃의 온도로 하소(calcination)할 수 있다.The step (c) may be calcined in air at a temperature of 400 to 1200 ° C.

상기 단계 (c) 이후, 상기 무기산화물에서 비금속 산화물을 에칭(etching)으로 제거하여 금속산화물을 포함하는 계층형 다공성 무기 산화물을 제조하는 단계(d)를 추가로 포함할 수 있다.(D) removing the non-metal oxide from the inorganic oxide by etching after the step (c) to produce a layered porous inorganic oxide containing a metal oxide.

본 발명은, 질산의 사용 및 증발속도를 제어함으로써, 다양한 매크로기공 구조를 갖는 계층형 다공성 무기 산화물을 제공하고, 이를 리튬이차전지의 음극에 적용함으로써 리튬이차전지의 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention can improve the efficiency of a lithium secondary battery by providing a layered porous inorganic oxide having various macro-pore structures by controlling the use and evaporation rate of nitric acid and applying it to a cathode of a lithium secondary battery.

도 1은 본 발명의 계층형 다공성(hierarchically-porous) 무기산화물의 구조 및 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2의 (a),(b) 및 (c)는 실시예 1의 SEM 이미지, (d),(e) 및 (f)는 실시예 2의 SEM 이미지, (g),(h) 및 (i) 는 실시예 3의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 (a) 및 (b)는 실시예 7의 SEM 이미지, (c) 및 (d)는 실시예 8의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 실시예 4에 따라 제조된 cmm-TNOS-500을 focused ion beam (FIB)의 방식으로 잘라내어 분석한 SEM 측면도 및 평면도 이미지이고, (c)는 나노 CT(nanoscale X- 49-23ray computed tomography)를 사용하여 실시예 4에 따라 제조된 cmm-TNOS-500을 시각화한 3D 이미지, (d)는 (c)의 일부를 확대한 3D 이미지, 확대한 이미지 (d)를 스트럿-씨닝 알고리즘(strut-thinningalgorithm)으로 재구성하여 단순화한 골격구조(e) 및 매크로기공(f)을 나타낸 것이다. 또한, 도 4의 (g)는 (f)의 매크로 기공 영역에 있어서 양적인 구조 분석에 관한 것으로, 노드(node)간의 거리(g) 및 노드당 스트럿의 분포(h)를 나타낸 것이다.
도 5의 (a)는 실시예 5에 따라 제조된 cmm-TNOS-900 의 SEM 이미지, (b) 및 (c)는 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900 의 SEM 이미지, (d)는 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900 및 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900의 질소 흡탈착 분석곡선이고, (e)는 이에 따른 분석결과를 나타낸 것이고, (f)는 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900 및 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900의 X선 회절 패턴 분석 결과, (g)와 (h)는 소자실시예 1 및 소자비교예 1에 따라 제조된 리튬이차전지의 0.2 내지 10 C rate (1 C = 167.5 mA g-1) 범위의 전류밀도에서의 전기화학적 거동을 나타낸 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a flow diagram illustrating the structure and method of manufacturing a hierarchically-porous inorganic oxide of the present invention.
2 (a), 2 (b) and 2 (c) are SEM images of Example 1, and FIGS. 2 i) shows an SEM image of Example 3. Fig.
3 (a) and 3 (b) are SEM images of Example 7, and FIGS. 3 (c) and 3 (d) are SEM images of Example 8.
FIGS. 4 (a) and 4 (b) are SEM side and top view images of the cmm-TNOS-500 prepared according to Example 4 by cutting out the focused ion beam (FIB) (c) is a 3D image obtained by visualizing the cmm-TNOS-500 prepared according to Example 4 using a nanoscale X-49-23ray computed tomography, (d) a 3D image obtained by enlarging a part of (c) ) Is reconstructed by a strut-thinning algorithm to show a simplified skeletal structure (e) and macro pores (f). Fig. 4 (g) shows quantitative structure analysis in the macro pore region of (f), showing the distance g between nodes and the distribution h of struts per node.
5 (a) is a SEM image of cmm-TNOS-900 prepared according to Example 5, (b) and (c) are SEM images of cmm- TNO-900 prepared according to Example 7 and m-TNO-900 prepared according to Comparative Example 1, (e) shows the result of analysis according to the nitrogen adsorption / desorption analysis curve, (G) and (h) show X-ray diffraction pattern analysis results of cmm-TNO-900 prepared in Example 7 and m-TNO-900 prepared in Comparative Example 1, (1 C = 167.5 mA g -1 ) at a current density of 0.2 to 10 C (1 C = 167.5 mA g -1 ).

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.It is to be understood, however, that the following description is not intended to limit the invention to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Furthermore, terms including an ordinal number such as first, second, etc. to be used below can be used to describe various elements, but the constituent elements are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, when an element is referred to as being "formed" or "laminated" on another element, it may be directly attached or laminated to the front surface or one surface of the other element, It will be appreciated that other components may be present in the &lt; / RTI &gt;

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

도 1은 본 발명의 계층형 다공성(hierarchically-porous) 무기산화물의 구조 및 제조방법을 나타낸 흐름도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a flow diagram illustrating the structure and method of manufacturing a hierarchically-porous inorganic oxide of the present invention.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 계층형 다공성(hierarchically-porous) 무기산화물에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the hierarchically-porous inorganic oxide of the present invention will be described with reference to FIG.

본 발명은 복수의 메조기공(meso-pore)을 포함하는 메조다공성 무기산화물; 및 상기 메조다공성 무기산화물로 둘러싸인 단수 또는 복수의 매크로기공(macro-pore); 을 포함하는 계층형(hierarchically-porous) 다공성 무기산화물을 제공한다.The present invention relates to a mesoporous inorganic oxide comprising a plurality of meso-pores; And one or more macro-pores surrounded by the mesoporous inorganic oxide; Porous porous inorganic oxide.

상기 매크로기공의 형상이 구형, 터널(tunnel)형 및 매트릭스(matirix)형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The shape of the macropores may be any one selected from the group consisting of spherical, tunnel, and matirix types.

상기 매크로기공이 상기 계층형 다공성 무기산화물에 균일하게 분포할 수 있다.The macropores can be uniformly distributed in the layered porous inorganic oxide.

상기 메조기공이 상기 메조다공성 무기산화물에 균일하게 분포할 수 있다.The mesopores may be uniformly distributed in the mesoporous inorganic oxide.

구체적으로, 상기 계층형 다공성 구조란 기공의 크기를 달리하는 두 종류의 기공의 집단이 공존하는 다공성 구조를 의미하며, 바람직하게는 상기 두 종류의 기공인 메조 기공과 매크로 기공이 균일한 분포를 형성하는 것일 수 있다. 이에 따라, 계층형 다공성 무기산화물에 포함되는 금속산화물 성분은 3차원 연결구조를 형성할 수 있다. 상기 매크로기공은 서로 연결되거나 독립적으로 존재할 수 있다. 상기 매크로 기공은 서로 연결되어 규모가 확장된 매크로 기공을 형성하거나, 다른 매크로 기공과 분리되어 단독으로 존재할 수 있다.Specifically, the hierarchical porous structure means a porous structure in which two groups of pores having different pore sizes coexist. Preferably, the two types of pores, mesopores and macropores, form a uniform distribution . Accordingly, the metal oxide component included in the layered porous inorganic oxide can form a three-dimensional connection structure. The macropores can be connected to each other or independently. The macro pores may be connected to each other to form enlarged macro pores, or they may exist separately from other macro pores.

상기 메조다공성 무기산화물이 이산화 티타늄(TiO2), 이산화 티타늄-탄소 복합체(TiO2-C), 니오븀-티타늄 복합 산화물(TiNb2O7), 텅스텐 트리옥사이드(WO3), 실리카, 산화티타늄, 산화티타늄-탄소 복합체, 산화니오븀, 티타니아, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미나, 알루미노실리케이트, 저마니아, 탄탈륨 산화물, 주석산화물, 망간 산화물 및 바나듐 산화물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.Wherein the mesoporous inorganic oxide is selected from the group consisting of titanium dioxide (TiO 2 ), titanium dioxide-carbon composite (TiO 2 -C), niobium-titanium composite oxide (TiNb 2 O 7 ), tungsten trioxide (WO 3 ) And may include at least one selected from the group consisting of titanium oxide-carbon composite oxide, niobium oxide, titania, tungsten oxide, niobium oxide, zirconium oxide, alumina, aluminosilicate, germania, tantalum oxide, tin oxide, manganese oxide and vanadium oxide .

상기 메조기공의 직경이 1 내지 50nm일 수 있다.The mesopores may have a diameter of 1 to 50 nm.

상기 매크로기공의 직경이 50 nm 초과 3,000nm 이하일 수 있다. The macropore diameter may be greater than 50 nm and less than or equal to 3,000 nm.

그러나 본 발명의 범위가 한정되지 않으며, 적용하는 소자에 따라 적절한 범위가 달라질 수 있다. 상기 기공의 직경은 형성된 기공의 벽면과 벽면 사이의 최단거리를 의미한다.However, the scope of the present invention is not limited, and the appropriate range may vary depending on the device to which it is applied. The diameter of the pores means the shortest distance between the wall surface of the formed pores and the wall surface.

본 발명은 상기 계층형 다공성 무기산화물을 포함하는 음극(anode)을 제공한다.The present invention provides an anode comprising the layered porous inorganic oxide.

본 발명은 상기 음극을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.The present invention provides a lithium secondary battery including the negative electrode.

본 발명의 계층형 다공성(hierarchically-porous) 무기산화물은 촉매의 담체, 리튬이차전지의 전극활물질로 사용될 수 있는 다공성 무기산화물을 제공하기 위한 것으로, 블록공중합체의 거대상 분리를 효과적으로 조절함으로써 복수의 메조 기공과 복수의 매크로 기공이 공존하는 계층형 다공성 무기산화물을 제조하여 충방전 속도 특성, 사이클 특성이 향상된 우수한 에너지 저장장치를 제조하거나 촉매반응에서 담체로 사용되어 점도(viscosity)가 높은 조건 또는 부피가 큰(bulky) 반응물과 생성물이 포함된 조건에서 촉매에 대한 접근성을 높이고 물질의 확산 및 전달을 용이하게 할 수 있다.The hierarchically-porous inorganic oxide of the present invention provides a porous inorganic oxide which can be used as a carrier of a catalyst and an electrode active material of a lithium secondary battery. By effectively controlling the separation of a block copolymer, A hierarchical porous inorganic oxide having mesopores and a plurality of macropores coexisted is manufactured to manufacture an energy storage device having improved charge / discharge rate characteristics and cycle characteristics, or used as a carrier in a catalytic reaction, Can facilitate access to the catalyst and facilitate the diffusion and transport of the material under conditions that include bulky reactants and products.

또한, 본 발명은 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a layered porous inorganic oxide.

구체적으로, 상기 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법은 아래와 같이 수행될 수 있다.Specifically, the method of producing the layered porous inorganic oxide may be performed as follows.

먼저, first, 양친성Amphibian 블록공중합체Block copolymer , 무기 전구체, 탄소 전구체, 산 및 , Inorganic precursors, carbon precursors, acids and 유기용매를Organic solvent 혼합하여 혼합용액을 제조한다. (단계 a) And mixed to prepare a mixed solution. (Step a)

상기 양친성 블록공중합체 및 무기전구체의 질량과 상기 산의 질량의 질량비를 조절하여 상기 계층형 다공성 무기산화물의 매크로기공의 형태를 조절할 수 있다.The macropore structure of the layered porous inorganic oxide can be controlled by controlling the mass ratio of the mass of the amphiphilic block copolymer and the inorganic precursor to the mass of the acid.

상기 양친성 블록공중합체 및 무기전구체의 질량과 상기 산의 질량의 질량비가 1:3 내지 1:5일 수 있다. The mass ratio of the mass of the amphiphilic block copolymer and the inorganic precursor to the mass of the acid may be 1: 3 to 1: 5.

상기 양친성 블록공중합체는 소수성 블록과 친수성 블록을 함께 포함하는 블록공중합체로서, 상기 양친성 블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리스타이렌 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-b-poly(styrene)), 폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리메틸메타크리레이트 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-b-poly(methylmethacrylate)), 폴리아이소프렌-블록-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체(poly(isoprene)-b-poly(ethylene oxide)), 폴리아이소프렌-블록-폴리스타이렌-블록-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체 (polye(isoprene)-b-poly(styrene)-bpoly(ethylene oxide)), 폴리(4-터트-부틸)스티렌-블록-폴리에틸렌옥사이드(poly(4-tert-butyl)styrene-block-polyethyleneoxide) 및 플루로닉(Pluronic)계 상용 블록공중합체(P123, F127, F108) 중 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리스타이렌 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-b-poly(styrene))를 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위를 여기에 한정하지 않는다. Wherein the amphiphilic block copolymer is a block copolymer comprising a hydrophobic block and a hydrophilic block, wherein the amphiphilic block copolymer is a poly (ethylene oxide) -b-poly (styrene) block copolymer, ), Poly (ethylene oxide) -b-poly (methylmethacrylate), polyisoprene-block-polyethylene oxide block copolymer (poly (isoprene) -b-poly (ethylene oxide)), polyisoprene-block-polystyrene-block-polyethyleneoxide block copolymer (polye (isoprene) -b-poly (styrene) -bpoly (P123, F127, F108), preferably polyethylene oxide-poly (ethylene oxide) -based styrene-block-polyethyleneoxide and Pluronic- Block-polystyrene block aerial Poly (ethylene oxide) -b-poly (styrene)] may be used. However, the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 무기 전구체가 금속 전구체 및 비금속 무기전구체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The inorganic precursor may include at least one of a metal precursor and a non-metal inorganic precursor.

상기 금속 전구체가 금속 알콕사이드(alkoxide) 및 금속 염화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다. The metal precursor may include at least one of a metal alkoxide and a metal chloride.

상기 비금속 무기전구체가 알킬실리케이트, 소듐실리케이트, 실리콘알콕사이드, 알루미늄알콕사이드 및 알루미노실리케이트 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The non-metallic inorganic precursor may include at least one selected from the group consisting of alkyl silicate, sodium silicate, silicon alkoxide, aluminum alkoxide and aluminosilicate.

상기 탄소 전구체가 레졸(resol), 페놀-포름알데하이드 수지(phenol-formaldehyde resin), 레졸시놀-포름알데하이드 수지(resorcinol-formaldehyde resin), 플로로글루시놀-포름알데하이드 수지(phloroglucinol-formaldehyde resin), 우레아-포름알데하이드 수지 (urea-formaldehyde resin), 멜라민-포름알데하이드 수지(melamine-formaldehyde resin) 및 퍼퓨릴 알코올(furfurly alcohol) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. Wherein the carbon precursor is selected from the group consisting of resol, phenol-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde resin, phloroglucinol-formaldehyde resin, Formaldehyde resin, urea-formaldehyde resin, melamine-formaldehyde resin, and furfuryl alcohol.

상기 산은 염산(HCL), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과염소산(HCl04) 및 황산(H2SO4) 등을 사용할 수 있다. The acid may be hydrochloric acid (HCL), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), perchloric acid (HClO 4 ) or sulfuric acid (H 2 SO 4 ).

상기 유기용매가 클로로포름, 테트라하이드로퓨란 및 다이옥세인(dioxane) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The organic solvent may include at least one selected from the group consisting of chloroform, tetrahydrofuran, and dioxane.

다음으로, 상기 혼합용액을 증발유도 자기조립(evaporation-induced self-assembly, EISA)시켜 Next, the mixed solution was subjected to evaporation-induced self-assembly (EISA) 양친성Amphibian 블록공중합체Block copolymer -무기산화물-탄소전구체를 포함하는 복합체를 제조한다. (단계 b)- inorganic oxide - carbon precursor. (Step b)

상기 혼합용액을 증발유도 자기조립(evaporation-induced self-assembly, EISA)시켜 양친성 블록공중합체-무기산화물-탄소전구체를 포함하는 복합체를 제조할 수 있다.The mixed solution may be subjected to evaporation-induced self-assembly (EISA) to prepare a composite containing an amphiphilic block copolymer-inorganic oxide-carbon precursor.

상기 증발유도 자기조립에서 상기 유기용매의 증발속도를 조절하여 상기 계층형 다공성 무기산화물의 매크로기공의 형태를 조절할 수 있다.The morphology of macropores of the layered porous inorganic oxide can be controlled by controlling the evaporation rate of the organic solvent in the evaporation-induced self-assembly.

상기 단계 (b)는 20 내지 80℃, 바람직하게는 20 내지 70℃, 더욱 바람직하게는 20 내지 60℃에서 수행될 수 있다. The step (b) may be carried out at 20 to 80 캜, preferably 20 to 70 캜, more preferably 20 to 60 캜.

상기 단계 (b)는 대기압 하에서 수행될 수 있다.The step (b) may be carried out under atmospheric pressure.

마지막으로, 상기 복합체를 열처리하여 계층형 다공성 무기산화물을 제조한다. (단계 c)Finally, the composite is heat treated to produce a layered porous inorganic oxide. (Step c)

상기 단계 (c)는 공기 중에서 400 내지 1200℃, 바람직하게는 400 내지 1100℃, 더욱 바람직하게는 400 내지 1000℃에서 하소(calcination)가 수행될 수 있다.The step (c) may be performed in air at 400 to 1200 ° C, preferably 400 to 1100 ° C, and more preferably 400 to 1000 ° C.

단계 (c) 이후, 무기산화물에서 비금속 산화물을 에칭(etching)으로 제거하여 금속산화물을 포함하는 계층형 다공성 무기 산화물을 제조하는 단계 (d)를 추가로 포함할 수 있다.Removing the non-metallic oxide from the inorganic oxide by etching after step (c) to produce a layered porous inorganic oxide containing the metal oxide.

상기 에칭에 의해 비금속 산화물을 효과적으로 제거하기 위하여 단계 (d)를 복수회 수행할 수 있다.Step (d) may be performed a plurality of times to effectively remove the nonmetal oxide by the etching.

상기 에칭이 염기성 용액에 의해 수행될 수 있으며, 상기 염기성 용액은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)을 사용할 수 있다.The etching may be performed by a basic solution, and the basic solution may be sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH).

경우에 따라 상기 에칭이 산성 용액에 의해 수행될 수 있으며, 상기 산성 용액은 불산 (HF)을 사용할 수 있다.In some cases, the etching may be performed by an acidic solution, and the acidic solution may be hydrofluoric acid (HF).

본 발명의 계층형 다공성 무기산화물은 증발유도 자기조립에서 유기용매의 증발속도를 조절하여 계층형 다공성 무기산화물의 매크로기공 형태를 조절할 수 있고, 3차원적으로 연결되어 연속적으로 분포하는 독특한 매크로 기공을 가지며, 이를 리튬이차전지의 음극물질로 사용되어 충방전 속도 특성, 사이클 특성 등을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 계층형 다공성 무기산화물은 촉매반응에서 담체로 사용되어 점도(viscosity)가 높은 조건 또는 부피가 큰 반응물과 생성물이 포함된 조건에서 촉매에 대한 접근성을 높이고 물질의 확산 및 전달을 용이하게 할 수 있다.The hierarchical porous inorganic oxide of the present invention can control the macropore shape of the layered porous inorganic oxide by controlling the rate of evaporation of the organic solvent in the evaporation-induced self-assembly, and the unique macropore And can be used as a negative electrode material of a lithium secondary battery to improve charge / discharge rate characteristics, cycle characteristics, and the like. In addition, the layered porous inorganic oxide of the present invention can be used as a carrier in a catalytic reaction to enhance accessibility to a catalyst and facilitate diffusion and transport of the catalyst under conditions of high viscosity or high volume of reactants and products .

[실시예] [Example]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes only, and thus the scope of the present invention is not limited thereto.

이하의 실시예에서 사용되는 화학물질은 아래와 같으며, 그 명칭은 괄호에 병기된 약자로 사용하도록 한다.The chemicals used in the following examples are as follows, and the names are abbreviated as parentheses.

Titanium tetraisopropoxide, niobium chloride, TEOS, monomethoxy PEO5000, 2-bromoisobutyrylbromide, pentamethyldiethylenetriamine, dichloromethane, triethylamine, styrene, copper bromide, phenol, formaldehyde solution (formalin, 36.5-38% in H2O), sodium hydroxide (NaOH), THF, and hydrochloric acid (HCl, 35 wt% in H2O)는 Sigma-Aldrich에서 구입한 것을 사용하였다. Nitric acid (68 wt% in H2O)는 Matsunoen Chem. Ltd에서 구입하였고, Tungsten (VI) isopropoxide 5%w/v in isopropanol는 Alfa Aeasar에서 구입하여 사용하였다. 모든 물질은 구입 후 정제 없이 바로 사용하였다. 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체(PEO-b-PS)은 원자이동 라디칼 중합 (atomic transfer radical-polymerization, ATRP) 방법을 이용하여 합성하였고(Mn = 34 kg mol-1,15 wt% PEO, PDI = 1.3), 레졸은 basic polymerization 합성법을 통해 합성하였다. Polyvinylidene difluoride (PVDF)는 Alfa Aesar에서 구입한 것을 사용하였고, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)은 Aldrich로부터 구입한 것을 사용하였다. Super-P 전도성 탄소는 TIMCAL Graphite & Carbon Inc.로부터 구입한 것을 사용하였고, 1.0 M lithium hexafluorophosphate (LiPF6) in ethylene carbonate/dimethyl carbonate (EC/DMC, 1 : 1 volume ratio)은 Panaxetec Co.에서 구입한 것을 사용하였다.(Formalin, 36.5-38% in H 2 O), sodium hydroxide (NaOH), THF (formaldehyde) solution, , and hydrochloric acid (HCl, 35 wt% in H 2 O) were purchased from Sigma-Aldrich. Nitric acid (68 wt% in H 2 O) was obtained from Matsunoen Chem. Ltd, and Tungsten (VI) isopropoxide 5% w / v in isopropanol was purchased from Alfa Aeasar. All materials were used immediately after purchase without purification. The polyethylene oxide-polystyrene block copolymer (PEO- b- PS) was synthesized by atomic transfer radical polymerization (ATRP) method (Mn = 34 kg mol -1 , 15 wt% PEO, PDI = 1.3), resole was synthesized by basic polymerization synthesis method. Polyvinylidene difluoride (PVDF) was purchased from Alfa Aesar, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was purchased from Aldrich. Super-P conductive carbon was purchased from TIMCAL Graphite & Carbon Inc., and 1.0 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC / DMC, 1: 1 volume ratio) was purchased from Panaxetec Co. Were used.

제조예Manufacturing example 1: ( One: ( 폴리에틸렌옥사이드Polyethylene oxide -블록--block- 폴리스타이렌Polystyrene 블록공중합체Block copolymer )) PEOPEO -b-PS의 제조Preparation of -b-PS

폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체를 Atomic Transfer Radical Polymerization 방법으로 제조하였다. PEO-Br을 만들기 위해, Poly(ethylene oxide) 고분자 (mPEO-OH) 20g을 CH2Cl2 (100ml)에 녹인 후 5ml의 TEA를 넣는다. 0℃ 조건에서 교반한 후 2-bromoisobutylbromide 1.48 ml를 dropwise로 투입한다. 이후 8 시간 동안 상온에서 반응을 유지한다. 결과물을 DI water와 ether를 이용해 추출/정제 후 진공에서 건조한다 (PEO-Br). Polyethylene oxide - polystyrene block copolymer was prepared by atomic transfer radical polymerization method. To make PEO-Br, 20 g of poly (ethylene oxide) polymer (mPEO-OH) is dissolved in CH 2 Cl 2 (100 ml) and 5 ml of TEA is added. After stirring at 0 ° C, 1.48 ml of 2-bromoisobutylbromide is added dropwise. The reaction is then maintained at room temperature for 8 hours. The resultant is extracted / purified with DI water and ether and then dried in vacuum (PEO-Br).

2.539 g (0.5 mmol)의 PEO-Br에 styrene 20 g (192 mmol), CuBr 0.071 g (0.5mmol), PMDETA 0.085 g (0.5mmol)을 투입한다. 진공 분위기를 만든 후에 110℃로 반응기의 온도를 높여 12시간 동안 유지한다. 결과물은 THF에 녹인 후 알루미나 컬럼을 통과시켜 copper 촉매를 제거한다 (PEO-b-PS). 20 g (192 mmol) of styrene, 0.071 g (0.5 mmol) of CuBr and 0.085 g (0.5 mmol) of PMDETA are added to 2.539 g (0.5 mmol) of PEO-Br. After making the vacuum atmosphere, the temperature of the reactor is increased to 110 ° C and maintained for 12 hours. The resultant is dissolved in THF and then passed through an alumina column to remove the copper catalyst (PEO-b-PS).

제조예 2: 레졸(페놀포름알데이드 수지)의 제조 Preparation Example 2: Preparation of resole (phenol formaldehyde resin)

페놀포름알데이드 수지를 basic polymerization 방법으로 제조하였다. 페놀 12.2 g (130 mmol)을 플라스크 내부에 넣고 42℃에서 녹인 후 20wt%의 NaOH 2.6 g (13 mmol)을 천천히 투입한다. 이후에 37 wt%의 포르말린 솔루션 21g을 투입한다. 이후 반응기의 온도를 70℃에서 한 시간 유지한 후 식힌다. 더이상의 중합을 막기 위하여 HCl을 이용하여 중성 용액이 될 때까지 적정한다. 이후 50℃ 진공 오븐에서 건조하여 수분을 제거한 후 THF 용액을 넣어 NaCl염을 침전시켜 제거한 후 THF를 건조한다.Phenol formaldehyde resin was prepared by basic polymerization method. 12.2 g (130 mmol) of phenol are placed in a flask and dissolved at 42 DEG C, and then 2.6 g (13 mmol) of 20 wt% NaOH is slowly added thereto. Then 21 g of 37 wt% formalin solution is added. The temperature of the reactor is then maintained at 70 DEG C for one hour and then cooled. To prevent further polymerization, titrate with HCl until a neutral solution is obtained. After drying in a vacuum oven at 50 ° C to remove moisture, THF solution is added to precipitate NaCl salt, and THF is dried.

실시예 1: 계층형 다공성 구조의 mim-TNO-500 제조Example 1: Preparation of mim-TNO-500 with a hierarchical porous structure

0.15g의 PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol-1,15 wt% PEO, PDI = 1.3)을 THF에 녹여 5wt%의 중합체 용액을 제조하였다. 이후, 0.06g의 레졸(in 0.24g의 THF) 및 0.015g의 HNO3(68% in H2O)를 순서대로 첨가하여, PEO-b-PS/THF/niobium chloride/titanium tetraisopropoxide/resol의 각 성분의 질량비를 1:23:2.56:1.33:0.4가 되도록 하고, PEO-b-PS: HNO3의 각 성분의 질량비가 1:0.1이 되도록 하여 HNO3를 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 1시간동안 교반하고, 직경이 140mm인 flat glass dish에 투입하였다. 유리 뚜껑을 개방한 상태로 THF와 HNO3는 30℃의 후드 내에서 빠르게 증발시켰다. 이후, 상기 유리접시를 100℃의 오븐에 12시간 동안 두어 열 경화(thermal curing)시켰다. 이에 따라 제조된 생성물을 바로 500℃에서 4시간 동안 공기 중에서 하소(calcination)하였고, 이때 가열속도는 1℃ /min로 하였다. 독립적으로 분리된 300nm의 매크로 기공과 43nm의 메조 기공으로 이루어진 계층형 다공성 구조의 mim-TNO-500을 제조하였다. 상기 mim은 mesoporous TNO containing isolated macropores를 의미한다.0.15 g of PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol -1 , 15 wt% PEO, PDI = 1.3) was dissolved in THF to prepare a 5 wt% polymer solution. Then, 0.06 g of resole (in 0.24 g of THF) and 0.015 g of HNO 3 (68% in H 2 O) were added in this order to obtain a mixture of PEO-b-PS / THF / niobium chloride / titanium tetraisopropoxide / HNO 3 was added so that the mass ratio of the components was 1: 23: 2.56: 1.33: 0.4, and the mass ratio of each component of PEO-b-PS: HNO 3 was 1: 0.1. The mixed solution was stirred for 1 hour and then put into a flat glass dish having a diameter of 140 mm. With the glass lid open, THF and HNO 3 evaporated rapidly in the hood at 30 ° C. Thereafter, the glass plate was placed in an oven at 100 캜 for 12 hours for thermal curing. The product thus prepared was calcined in air at 500 &lt; 0 &gt; C for 4 hours, at a heating rate of 1 [deg.] C / min. The mim-TNO-500, a hierarchical porous structure consisting of independently isolated macro-pores of 300 nm and mesopores of 43 nm, was prepared. The mim refers to mesoporous TNO containing isolated macropores.

실시예 2: 계층형 다공성 구조의 cmm-TNO-500 제조 Example 2: Preparation of cmm-TNO-500 of a hierarchical porous structure

실시예 1에서 PEO-b-PS: HNO3의 각 성분의 질량비가 1:0.1이 되도록 하여 HNO3를 첨가하여 혼합용액을 제조하는 대신에 PEO-b-PS: HNO3의 각 성분의 질량비가 1:2.8가 되도록 하여 HNO3를 첨가하여 혼합용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 50~3000nm의 매크로 기공과 32nm의 메조 기공이 터널형으로 이루어진 계층형 다공성 구조의 cmm-TNO-500을 제조하였다. 합성한 무기물 전구체(Niobium chloride(NbCl5)와 Titanium isopropoxide(TTIP))의 질량 대비 레졸(resol)과 질산(HNO3)의 상대 질량이 증가하여 실시예 1에 따라 제조된 mim-TNO-500보다 메조와 메크로가 터널형으로 연결성이 좋은 기공을 형성할 수 있다. 상기 cmm은 co-continuous macro/mesoporous를 의미한다.HNO 1 mass ratio of each component of the 3: Example 1 PEO-b-PS in the set at 0.1 with PEO-b-PS, instead of preparing a mixed solution by the addition of HNO 3: mass ratio of the components of HNO 3 1: 2.8, and HNO 3 was added to prepare a mixed solution. Cmm-TNO-500 having a hierarchical porous structure having macropores of 50 to 3000 nm and mesopores of 32 nm in tunnel form was prepared. The relative mass of the resol and nitric acid (HNO 3 ) relative to the mass of the synthesized inorganic precursors (Niobium chloride (NbCl 5 ) and Titanium isopropoxide (TTIP) Mesozoic and macroscopic tunnel-like pores can be formed with good connectivity. Cmm means co-continuous macro / mesoporous.

실시예 3: 계층형 다공성 구조의 sm-TNO-500 제조 Example 3: Preparation of sm-TNO-500 with hierarchical porous structure

실시예 1에서 PEO-b-PS: HNO3의 각 성분의 질량비가 1:0.1이 되도록 하여 HNO3를 첨가하여 혼합용액을 제조하는 대신에 PEO-b-PS: HNO3의 각 성분의 질량비가 1:3.2 가 되도록 하여 HNO3를 첨가하여 혼합용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 구형인 200~1000nm의 매크로 기공과 45nm의 메조 기공으로 이루어진 계층형 다공성 구조의 sm-TNO-500를 제조하였다. 합성한 무기물 전구체(Niobium chloride(NbCl5)와 Titanium isopropoxide(TTIP))의 질량 대비 레졸(resol)과 질산(HNO3)의 상대 질량이 증가하여 실시예 2에 따라 제조된 cmm-TNO-500보다 메조와 메크로가 구형의 기공을 형성할 수 있다. 상기 sm은 spherical mesoporous를 의미한다.HNO 1 mass ratio of each component of the 3: Example 1 PEO-b-PS in the set at 0.1 with PEO-b-PS, instead of preparing a mixed solution by the addition of HNO 3: mass ratio of the components of HNO 3 1: 3.2, and HNO 3 was added thereto to prepare a mixed solution. A sm-TNO-500 with a hierarchical porous structure consisting of macro-pores of 200-1000 nm and mesopores of 45 nm was prepared. The relative mass of the resol and nitric acid (HNO 3 ) relative to the mass of the synthesized inorganic precursors (Niobium chloride (NbCl 5 ) and Titanium isopropoxide (TTIP)) increased to be greater than that of cmm-TNO-500 Meso and macros can form spherical pores. The term &quot; sm &quot; means spherical mesoporous.

실시예 4: 계층형 다공성 구조의 cmm-TNOS-500 제조Example 4: Preparation of cmm-TNOS-500 with hierarchical porous structure

0.25g의 PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol-1,15 wt% PEO, PDI = 1.3)을 THF에 녹여 5wt%의 중합체 용액을 제조하였다. 이후, TEOS(0.24g), 레졸(0.06g) 및 농축 HNO3(68% in H2O, 0.42g)를 순서대로 첨가하여, PEO-b-PS/niobium chloride/titanium tetraisopropoxide/Tetraethyl orthosilicate(TEOS)/resol/HNO3의 각 성분의 질량비를 1:2.84:1.48:0.96:0.6:2.8이 되도록 하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 1시간동안 교반하고 직경이 70mm인 flat glass dish에 투입하였다. 유리 뚜껑을 개방한 상태로 THF와 HNO3는 50℃의 후드 내에서 빠르게 증발시켰다.A 5 wt% polymer solution was prepared by dissolving 0.25 g of PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol -1 , 15 wt% PEO, PDI = 1.3) in THF. Then, PEO-b-PS / niobium chloride / titanium tetraisopropoxide / tetraethyl orthosilicate (TEOS) (0.24 g), resole (0.06 g) and concentrated HNO 3 (68% in H 2 O, 0.42 g) ) / resol / HNO 3 was 1: 2.84: 1.48: 0.96: 0.6: 2.8. The mixed solution was stirred for 1 hour and then put into a flat glass dish having a diameter of 70 mm. With the glass lid open, THF and HNO 3 evaporated rapidly in the hood at 50 ° C.

이후, 상기 유리접시는 100℃의 오븐에 12시간 동안 두어 열 경화(thermalcuring)시켰다. 이에 따라 제조된 생성물은 바로 500℃에서 4시간 동안 공기 중에서 하소(calcination)하였고, 이때 가열속도는 1℃ /min로 하였다. Thereafter, the glass plate was placed in an oven at 100 DEG C for 12 hours to be thermally cured. The product thus prepared was calcined in air at 500 &lt; 0 &gt; C for 4 hours, at a heating rate of 1 [deg.] C / min.

실시예 5: 계층형 다공성 구조의 cmm-TNOS-900 제조 Example 5: Preparation of cmm-TNOS-900 with a hierarchical porous structure

실시예 4에서 500℃에서 4시간 동안 공기 중에서 하소(calcination)하는 대신에 900℃에서 4시간 동안 공기 중에서 하소(calcination)한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 제조하였다. 하소의 온도가 증가하여 실시예 4에 따라 제조된 cmm-TNOS-500보다 메조와 매크로의 기공크기가 더 크고, 상분리가 단사정계의 형태를 띈다.Example 4 was prepared in the same manner as in Example 4, except that calcination was carried out in air at 900 ° C for 4 hours instead of calcination in air at 500 ° C for 4 hours. As the temperature of the calcination increases, the pore size of meso and macro is larger than that of the cmm-TNOS-500 prepared according to Example 4, and the phase separation has a monoclinic form.

실시예 6: 계층형 다공성 구조의 m-TNOS-900 제조Example 6: Preparation of m-TNOS-900 of hierarchical porous structure

실시예 4에서 500℃에서 4시간 동안 공기 중에서 하소(calcination)하고, 유리 뚜껑을 개방한 상태로 THF와 HNO3는 50℃의 후드 내에서 빠르게 증발시키는 대신에 900℃에서 4시간 동안 공기 중에서 하소(calcination)하고 유리 뚜껑을 닫은 상태로 THF와 HNO3는 50℃의 후드 내에서 빠르게 증발시키는 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 제조하였다. 하나의 메조 기공으로 이루어진 계층형 다공성 구조의 m-TNOS-900을 제조하였다. 상기 m은 monolithic mesoporous를 의미한다.Example 4 at 500 ℃ in a state in which the calcination (calcination) in air for 4 hours, and opening the glass lid THF and HNO 3 was calcined at 900 ℃ instead of rapidly evaporated within 50 ℃ hood for 4 hours in air was prepared in the same manner as in Example 4 except that THF and HNO 3 were rapidly evaporated in a hood at 50 ° C with calcination and closing of the glass lid. M-TNOS-900 of a hierarchical porous structure composed of one mesopore was prepared. M means monolithic mesoporous.

실시예 7: 계층형 다공성 구조의 cmm-TNO-900 제조Example 7: Preparation of cmm-TNO-900 of hierarchical porous structure

실시예 5의 계층형 다공성 구조의 cmm-TNOS-900을 1M NaOH로 에칭하여 실리카를 제거함으로써 계층형 다공성 구조의 cmm-TNO-900을 제조하였다. The hierarchical porous structure cmm-TNO-900 was prepared by etching the cmm-TNOS-900 of the hierarchical porous structure of Example 5 with 1M NaOH to remove the silica.

실시예Example 8: 계층형 다공성 구조의 cmm-WO 8: cmm-WO of hierarchical porous structure 33 -400 제조-400 manufacture

0.15g의 PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol-1,15 wt% PEO, PDI = 1.3)을 THF에 녹여 5wt%의 중합체 용액을 제조하였다. 이후, 0.426g의 농축 HNO3 (68% in water) 를 순서대로 첨가하여, PEO-b-PS/THF/HNO3의 각 성분의 질량비를 1:23:2.84가 되도록 하고, 이소프로판올에 5%w/v로 녹인 1ml의 텅스텐 (Ⅵ) 이소프로폭시드를 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 1시간동안 교반하고 직경이 100mm인 flat glass dish에 투입하였다. 유리 뚜껑을 개방한 상태로 THF와 HNO3은 50℃의 후드 내에서 빠르게 증발시켰다. 이후, 상기 유리접시를 100℃의 오븐에 12시간 동안 두어 열 경화(thermal curing)시켰다. 이에 따라 제조된 생성물을 바로 400℃에서 3시간 동안 공기 중에서 하소(calcination)하였고, 이때 가열속도는 1℃ /min로 하였다. 매크로 기공과 메조 기공으로 이루어진 계층형 다공성 구조의 cmm-WO3-400을 제조하였다.0.15 g of PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol -1 , 15 wt% PEO, PDI = 1.3) was dissolved in THF to prepare a 5 wt% polymer solution. Then, 0.426 g of concentrated HNO 3 (68% in water) was added in order to make the mass ratio of each component of PEO-b-PS / THF / HNO 3 1: 23: 2.84, / v, 1 ml of tungsten (Ⅵ) isopropoxide was added to prepare a mixed solution. The mixed solution was stirred for 1 hour and then put into a flat glass dish having a diameter of 100 mm. With the glass lid open, THF and HNO 3 were rapidly evaporated in the hood at 50 ° C. Thereafter, the glass plate was placed in an oven at 100 캜 for 12 hours for thermal curing. The product thus prepared was calcined in air at 400 &lt; 0 &gt; C for 3 hours, at a heating rate of 1 [deg.] C / min. Cmm-WO 3 -400, a hierarchical porous structure composed of macropores and mesopores, was prepared.

실시예Example 9: 계층형 다공성 구조의 cmm- 9: The hierarchical porous structure of cmm- TiOTiO 22 -C-700 제조-C-700 manufacture

0.15g의 PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol-1,15 wt% PEO, PDI = 1.3)을 THF에 녹여 5wt%의 중합체 용액을 제조하였다. 이후, 레졸(0.03g) 및 농축 HNO3 (68% in water, 0.426g)를 순서대로 첨가하여, PEO-b-PS/THF/titanium tetraisopropoxide/resol/HNO3의 각 성분의 질량비를 1:33:4.3:0.2:2.84가 되도록 하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 1시간동안 교반하고, 직경이 140mm인 flat glass dish에 투입하였다. 유리 뚜껑을 개방한 상태로 THF와 HNO3은 40℃의 후드 내에서 빠르게 증발시켰다. 이후, 상기 유리접시를 100℃의 오븐에 12시간 동안 두어 열 경화(thermal curing)시켰다. 이에 따라 제조된 생성물을 바로 700℃에서 3시간 동안 아르곤 분위기 하에서 하소(calcination) 하였고, 이때 가열속도는 1℃/min로 하였다. 매크로 기공과 메조 기공으로 이루어진 계층형 다공성 구조의 cmm-TiO2-C-700를 제조하였다.0.15 g of PEO-b-PS (Mn = 34 kg mol -1 , 15 wt% PEO, PDI = 1.3) was dissolved in THF to prepare a 5 wt% polymer solution. The mass ratio of each component of PEO-b-PS / THF / titanium tetraisopropoxide / resol / HNO 3 was adjusted to 1:33 (molar ratio) by adding Resol (0.03 g) and concentrated HNO 3 : 4.3: 0.2: 2.84. The mixed solution was stirred for 1 hour and then put into a flat glass dish having a diameter of 140 mm. With the glass lid open, THF and HNO 3 evaporated rapidly in the hood at 40 ° C. Thereafter, the glass plate was placed in an oven at 100 캜 for 12 hours for thermal curing. The product thus prepared was calcined at 700 &lt; 0 &gt; C for 3 hours under an argon atmosphere at a heating rate of 1 [deg.] C / min. Cmm-TiO 2 -C-700, a hierarchical porous structure composed of macropores and mesopores, was prepared.

비교예 1: m-TNO-900의 제조Comparative Example 1: Preparation of m-TNO-900

실시예 6의 계층형 다공성 구조의 m-TNOS-900을 1M NaOH로 에칭하여 실리카를 제거함으로써 계층형 다공성 구조의 m-TNO-900을 제조하였다. M-TNO-900 of the hierarchical porous structure was prepared by etching the m-TNOS-900 of Example 6 with 1M NaOH to remove the silica.

실시예 1 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조된 계층형 다공성 무기 산화물들의 물리화학적 특성을 비교하여 아래의 표 1에 정리하였다.The physicochemical properties of the layered porous inorganic oxides prepared according to Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 were compared and summarized in Table 1 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 실시예 7Example 7 실시예 8Example 8 실시예 9Example 9 비교예 1Comparative Example 1 물질matter mim-TNO-500mim-TNO-500 cmm-TNO-500cmm-TNO-500 sm-TNO-500sm-TNO-500 cmm-TNOS-500cmm-TNOS-500 cmm-TNOS-900cmm-TNOS-900 m-TNOS-900m-TNOS-900 cmm-TNO-900cmm-TNO-900 cmm-WO3-400cmm-WO 3 -400 cmm-TiO2-C-700cmm-TiO 2 -C-700 m-
TNO-900
m-
TNO-900
PEO-b-PS (g)PEO- b- PS (g) 0.150.15 0.150.15 0.150.15 0.250.25 0.250.25 0.250.25 0.250.25 0.150.15 0.150.15 0.250.25 Niobium chlorideNiobium chloride 2.562.56 2.562.56 2.562.56 2.842.84 2.842.84 2.842.84 0.710.71 00 00 0.710.71 Titanium tetraisopropoxideTitanium tetraisopropoxide 1.331.33 1.331.33 1.331.33 1.481.48 1.481.48 1.481.48 0.370.37 00 4.34.3 0.370.37 tungsten (VI) isopropoxidetungsten (VI) isopropoxide 00 00 00 00 00 00 00 0.30.3 00 00 ResolResol 0.40.4 0.40.4 0.40.4 0.60.6 0.60.6 0.60.6 0.150.15 00 0.20.2 0.150.15 Tetraethyl orthosilicateTetraethyl orthosilicate 00 00 00 0.960.96 0.960.96 0.960.96 0.240.24 00 00 0.240.24 HNO3 (68% in water)HNO 3 (68% in water) 0.10.1 2.82.8 3.23.2 2.82.8 2.82.8 2.82.8 0.70.7 2.842.84 2.842.84 0.70.7 Diameter of dish (mm)Diameter of dish (mm) 140140 140140 140140 7070 7070 7070 7070 100100 140140 7070 Glass lidGlass lid offoff offoff offoff offoff offoff onon offoff offoff offoff onon NICE temperature (°C)NICE temperature (° C) 3030 3030 3030 5050 5050 5050 5050 100100 100100 5050 Calcination temperature (°C)Calcination temperature (° C) 500500 500500 500500 500500 900900 900900 900900 400400 700700 900900

소자실시예Device Example 1: cmm- 1: cmm- TNOTNO -900을 음극으로 포함하는 Containing -900 as the cathode 리튬이차전지의The lithium secondary battery 제조 Produce

실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900을 음극 활물질로, 카본 블랙(super P)을 전도도 증가를 위한 탄소첨가물로, polyvinylidene difluoride(PVDF)를 고분자 바인더로, N-methyl-2-pyrrolidone(NMP)를 용매로 사용하여 슬러리를 제조하였으며, 슬러리에서 cmm-TNO-900/Super P/PVDF 각 성분의 질량비를 7: 2: 1으로 하였다. 제조된 슬러리를 Cu 필름 위에 코팅한 후, 60℃에서 12시간 동안 공기 중에서 건조하고, 110℃에서 12시간 동안 진공 오븐에서 건조시켰다. 제조된 음극을 압착하고 반쪽 전지 크기에 맞게 원형으로 잘라내었다. 전극의 질량 부하는 1.1 내지 1.4 mg cm-2의 범위이다. 하프 셀은 두 전극 시스템 (CR2032 타입)으로 제작되었다. 이와 같이 제조된 cmm-TNO-900을 음극(anode), 리튬(Li) 금속호일을 상대전극(counter electrode)로 하여. 1.0 M LiPF6 in ethylene carbonate/dimethyl carbonate(EC/DMC, 1:1 부피비, Panaxetec Co., Korea)을 전해질로 한 cmm-TNO-900/Li 반쪽 전지 (half-cell)를 제조하였다. 전지는 Ar이 채워져 있는 글로브 박스(glove box)에서 조립되었다.C-TNO-900 prepared in Example 7 was used as an anode active material, carbon black (super P) as a carbon additive for increasing conductivity, polyvinylidene difluoride (PVDF) as a polymer binder, N-methyl-2-pyrrolidone NMP) as a solvent, and the mass ratio of each component of cmm-TNO-900 / Super P / PVDF in the slurry was 7: 2: 1. The prepared slurry was coated on a Cu film, dried at 60 캜 for 12 hours in air, and dried in a vacuum oven at 110 캜 for 12 hours. The prepared negative electrode was squeezed and cut into a circular shape corresponding to the size of the half cell. The mass load of the electrode is in the range of 1.1 to 1.4 mg cm &lt;&quot; 2 & gt ;. The half cell is made of two electrode system (CR2032 type). The cmm-TNO-900 thus prepared was used as an anode and a lithium metal foil as a counter electrode. A half-cell of cmm-TNO-900 / Li was prepared using 1.0 M LiPF 6 in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC / DMC, 1: 1 volume ratio, Panaxetec Co., Korea) as an electrolyte. The cell was assembled in a glove box filled with Ar.

소자비교예Device comparison example 1: m- 1: m- TNOTNO -900을 음극으로 포함하는 Containing -900 as the cathode 리튬이차전지의The lithium secondary battery 제조 Produce

실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900을 음극 활물질로 사용하는 대신에 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900을 음극활물질로 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.TNO-900 prepared in accordance with Comparative Example 1 was used as a negative electrode active material instead of using cmm-TNO-900 prepared in Example 7 as a negative electrode active material, .

[시험예] [Test Example]

시험예 1: 계층형 다공성 무기산화물의 SEM 이미지 분석 1Test Example 1: SEM image analysis of hierarchical porous inorganic oxide 1

도 2의 (a), (b) 및 (c)는 실시예 1의 SEM 이미지, (d), (e) 및 (f)는 실시예 2의 SEM 이미지, (g), (h) 및 (i) 는 실시예 3의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 2 (a), 2 (b) and 2 (c) are SEM images of Example 1, and FIGS. 2 i) shows an SEM image of Example 3. Fig.

도 2의 (a), (b) 및 (c)에 따르면, 실시예 1에 따라 제조된 mim-TNO-500은 500℃에서의 하소에 따라 PEO-b-PS-rich phases가 제거되어 30nm가량의 메조기공과 독립된 300nm가량의 매크로 기공이 형성되고, 구조 내에서 균일한 분포를 나타내었다. According to FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (c), the mim-TNO-500 prepared according to Example 1 has a structure in which PEO- Macroscopic pores of about 300 nm, which are independent of the mesopores of the mesopores, were formed, and the mesopores were uniformly distributed in the mesopores.

도 2의 (d), (e) 및 (f)에 따르면, 실시예 2에 따라 제조된 cmm-TNO-500은 500℃에서의 하소에 따라 PEO-b-PS-rich phases가 제거되어 30nm가량의 메조기공과 연결성이 우수한 수백 나노미터 가량의 매크로 기공이 형성되고, 구조 내에서 균일한 분포를 나타내었다. According to (d), (e) and (f) of FIG. 2, the cmm-TNO-500 prepared according to Example 2 had the PEO-b-PS-rich phases removed by calcination at 500 ° C, Macroscopic pores of about several hundred nanometers, which are excellent in connectivity with the mesopores of the mesopores, were formed, and the mesopores were uniformly distributed in the mesopores.

또한 도 2의 (g), (h) 및 (i)에 따르면, 실시예 3에 따라 제조된 sm-TNO-500은 500℃에서의 하소에 따라 HNO3-rich phases가 제거되어 구형의 30nm가량의 메조기공과 300-500nm 가량의 매크로 기공이 형성되고, 구조 내에서 균일한 분포를 나타내었다.According to (g), (h) and (i) of FIG. 2, sm-TNO-500 prepared according to Example 3 had HNO 3 -rich phases removed by calcination at 500 ° C, And macroscopic pores of about 300-500 nm were formed, and a uniform distribution was observed in the structure.

따라서, 질산의 상대적인 함량이 늘어남에 따라 mim-TNO-500, cmm-TNO-500, sm-TNO-500 구조로 변하는 사실을 알 수 있었다.Therefore, it can be seen that as the relative content of nitric acid increases, the structure changes to mim-TNO-500, cmm-TNO-500 and sm-TNO-500.

시험예 2: 계층형 다공성 무기산화물의 SEM 이미지 분석 2Test Example 2: SEM image analysis of layered porous inorganic oxide 2

도 3의 (a) 및 (b)는 실시예 7의 SEM 이미지, (c) 및 (d)는 실시예 8의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.3 (a) and 3 (b) are SEM images of Example 7, and FIGS. 3 (c) and 3 (d) are SEM images of Example 8.

도 3의 (a) 및 (b)에 따르면, 실시예 7에 따라 제조된 cmm-WO3-400은 400℃에서의 하소에 따라 PEO-b-PS-rich phases가 제거되어 연결성이 우수한 매크로 기공 및 메조 기공이 형성되고, 구조 내에서 균일한 분포를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.According to FIGS. 3 (a) and 3 (b), cmm-WO 3 -400 prepared according to Example 7 was produced by removing PEO-b-PS-rich phases by calcination at 400 ° C., And mesopores were formed, and it was confirmed that they exhibited a uniform distribution in the structure.

또한, 도 3의 (c) 및 (d)에 따르면, 실시예 8에 따라 제조된 cmm-TiO2-C-700은 700℃에서의 하소에 따라 PEO-b-PS-rich phases가 제거되어 연결성이 우수한 매크로 기공 및 메조 기공이 형성되고, 구조 내에서 균일한 분포를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.3 (c) and 3 (d), the cmm-TiO 2 -C-700 prepared according to Example 8 had the PEO-b-PS-rich phases removed by calcination at 700 ° C, It was confirmed that these excellent macropores and mesopores were formed and exhibited a uniform distribution in the structure.

시험예 3: cmm-TNOS-500의 구조 확인Test Example 3: Confirmation of the structure of cmm-TNOS-500

도 4의 (a)및 (b)는 실시예 4에 따라 제조된 cmm-TNOS-500을 focused ion beam (FIB)의 방식으로 잘라내어 분석한 SEM 측면도 및 평면도 이미지이고, (c)는 나노 CT(nanoscale X- 49-23ray computed tomography)를 사용하여 실시예 4에 따라 제조된 cmm-TNOS-500을 시각화한 3D 이미지, (d)는 (c)의 일부를 확대한 3D 이미지, 확대한 이미지 (d)를 스트럿-씨닝 알고리즘(strut-thinningalgorithm)으로 재구성하여 단순화한 골격구조(e) 및 매크로기공(f)을 나타낸 것이다. 또한, 도 4의 (g)는 (f)의 매크로 기공 영역에 있어서 양적인 구조 분석에 관한 것으로, 노드(node)간의 거리(g) 및 노드당 스트럿의 분포(h)를 나타낸 것이다. FIGS. 4 (a) and 4 (b) are SEM side and top view images of the cmm-TNOS-500 prepared according to Example 4 by cutting out the focused ion beam (FIB) (c) is a 3D image obtained by visualizing the cmm-TNOS-500 prepared according to Example 4 using a nanoscale X-49-23ray computed tomography, (d) a 3D image obtained by enlarging a part of (c) ) Is reconstructed by a strut-thinning algorithm to show a simplified skeletal structure (e) and macro pores (f). Fig. 4 (g) shows quantitative structure analysis in the macro pore region of (f), showing the distance g between nodes and the distribution h of struts per node.

도 4의 (a)및 (b)에 따르면, 실시예 4에 따라 제조된 cmm-TNOS-500은 전체적으로 매크로 기공이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.4 (a) and 4 (b), it was confirmed that the macro-pores were formed as a whole in the cmm-TNOS-500 prepared in Example 4.

도 4의 (c) 내지 (f)에 따르면, 실시예 4에 따라 제조된 cmm-TNOS-500은 상호적으로 잘 연결된 연속적인 매크로 기공의 존재를 확인하였다. 4 (c) to (f), the cmm-TNOS-500 prepared according to Example 4 confirmed the presence of successive interconnected macropores.

또한 도 4의 (g) 내지 (h)에 따르면, 매크로 기공의 크기 분포와 매크로 기공 간의 연결 횟수 분포를 알 수 있다. 매크로 기공의 크기는 주로 1 μm 미만이고, 매크로 도메인의 일부가 2-3 μm의 범위를 가지는 것으로 나타났다. 또한, 세 가닥의 노드들이 가장 일반적으로 나타났으며 더 복잡한 노드들도 관찰되었다. 한 가닥 또는 두 가닥의 노드도 관찰되었으나, 그들 중에 일부는 스트럿-씨닝 알고리즘으로 구조를 재구성하는 과정에서 인위적으로 형성된 오차로 판단되며, 이는 대부분의 메조기공 도메인이 잘 연결된 구조를 갖는다는 사실을 알 수 있었다.Also, according to (g) to (h) of FIG. 4, the distribution of the number of connections between the macro pore size distribution and the macro pore can be known. The size of the macropore was mainly less than 1 μm, and a part of the macro-domain was found to be in the range of 2-3 μm. In addition, three nodes were the most common and more complex nodes were observed. One strand or two strand nodes were also observed, but some of them were judged to be artificially formed errors in the process of reconstructing the structure with the strut-thinning algorithm, indicating that most mesostructure domains have a well-connected structure I could.

시험예 4: cmm-TNOS-900 및 cmm-TNO-900의 SEM 이미지 분석Test Example 4: SEM image analysis of cmm-TNOS-900 and cmm-TNO-900

도 5의 (a)는 실시예 5에 따라 제조된 cmm-TNOS-900 의 SEM 이미지, (b) 및 (c)는 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900 의 SEM 이미지이다.5 (a) is an SEM image of cmm-TNOS-900 prepared according to Example 5, and (b) and (c) is an SEM image of cmm-TNO-900 prepared according to Example 7. Fig.

도 5의 (a)를 참조하면, 900℃의 열처리에도 불구하고 구조가 무너지지 않는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 5 (a), it was confirmed that the structure did not collapse despite the heat treatment at 900 ° C.

또한, 도 5의 (b) 및 (c)를 참조하면, 매크로 기공이 유지되고, 메조 기공의 크기 및 모양이 일부 변형되었지만 메조 영역의 기공을 가지고 있음을 알 수 있었다. Referring to FIGS. 5 (b) and 5 (c), it was found that the macro pores were maintained and the size and shape of the mesopores were partially modified, but they had pores in the meso area.

시험예 5: cmm-TNO-900 및 m-TNO-900의 질소 흡탈착 분석Test Example 5: Nitrogen adsorption / desorption analysis of cmm-TNO-900 and m-TNO-900

도 5의 (d)는 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900 및 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900의 질소 흡탈착 분석곡선이고, (e)는 이에 따른 분석결과이다.FIG. 5 (d) is a nitrogen adsorption / desorption analysis curve of cmm-TNO-900 prepared in Example 7 and m-TNO-900 prepared in Comparative Example 1, and FIG.

도 5의 (d)에 따르면, 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900 및 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900은 0.9 P/ P 0 근처의 가파른 흡착을 갖는 type-Ⅳ 곡선에 상응하고, 이는 균일한 메조기공들이 우세한 것을 나타낸다. 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900의 비표면적과 메조기공의 부피 및 메모기공의 크기는 각각 60m2g-1, 0.23cm3g-1 및 25nm인 것으로 나타났으며, 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900의 비표면적과 메조기공의 부피 및 메모기공의 크기는 각각 57m2g-1, 0.21cm3g-1 및 28nm인 것으로 나타났다.According to Fig. 5 (d), Example 7, prepared according to the cmm-TNO-900 and Comparative Example 1 prepared in accordance with the m-TNO-900 are type-Ⅳ having a sharp absorption around 0.9 P / P 0 curve , Indicating that homogeneous mesopores are predominant. The specific surface area, mesopore volume, and memo pore size of cmm-TNO-900 prepared according to Example 7 were 60 m 2 g -1 , 0.23 cm 3 g -1 and 25 nm, respectively, The specific surface area, mesopore volume, and mesopore size of m-TNO-900 prepared according to the present invention were 57 m 2 g -1 , 0.21 cm 3 g -1 and 28 nm, respectively.

따라서, 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900과 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900이 동일한 크기 및 비표면적의 메조 기공 분포를 가짐을 확인할 수 있었다. Thus, it was confirmed that the cmm-TNO-900 prepared according to Example 7 and the m-TNO-900 prepared according to Comparative Example 1 had mesopores of the same size and specific surface area.

시험예 6: cmm-TNO-900 및 m-TNO-900의 X선 회절 패턴 분석Test Example 6: X-ray diffraction pattern analysis of cmm-TNO-900 and m-TNO-900

도 5의 (f)는 실시예 7에 따라 제조된 cmm-TNO-900 및 비교예 1에 따라 제조된 m-TNO-900의 X선 회절 패턴 분석 결과이다.FIG. 5 (f) shows the X-ray diffraction pattern analysis results of cmm-TNO-900 prepared according to Example 7 and m-TNO-900 prepared according to Comparative Example 1.

도 5의 (f)에 따르면, 단사정계의 결정구조 (JCPDS#: 77-1374) 및 비슷한 결정 크기를 확인할 수 있었다.According to Fig. 5 (f), a monoclinic crystal structure (JCPDS #: 77-1374) and a similar crystal size were confirmed.

시험예 7: 리튬이차전지의 음극물질 특성분석Test Example 7: Characterization of a cathode material of a lithium secondary battery

도 5의 (g)와 (h)는 소자실시예 1 및 소자비교예 1에 따라 제조된 리튬이차전지의 0.2 내지 10 C rate (1 C = 167.5 mA g-1) 범위의 전류밀도에서의 전기화학적 거동을 나타낸 것이다. 테스트는 20℃에서 진행하였다.5 (g) and 5 (h) are graphs showing the electrical characteristics of the lithium secondary battery manufactured according to the device example 1 and the device comparative example 1 at a current density ranging from 0.2 to 10 C rate (1 C = 167.5 mA g -1 ) Chemical behavior. The test was conducted at 20 占 폚.

도 5의 (g) 및 (h)에 따르면, 소자실시예 1의 리튬이차전지는 0.2C-rate 및 10C-rate 에서 각각 257mA h g-1 및 190mA h g-1의 가역적 용량을 나타냈으며, 소자비교예 1의 리튬이차전지는 0.2C-rate 및 10C-rate 에서 각각 215mA h g-1 및 145mA h g- 1으로 나타나 소자실시예 1의 리튬이차전지의 가역적 용량이 더 큰 값으로 나타났다. 또한, C-rate가 증가할수록 전극의 가역용량이 감소하는데, 60-rate에서 소자실시예 1의 리튬이차전지는 최대용량의 44%를 유지했지만, 소자비교예 1의 리튬이차전지는 33%를 유지하였다.According to (g) and (h) 5, each naeteumyeo that the reversible capacity of 257mA and 190mA hg hg -1 -1 at 0.2C-rate and 10C-rate that the lithium battery of the device of Example 1, comparing element example 0.2C-rate in the first and rate-10C the lithium secondary battery of each of 215mA and 145mA hg hg -1 - indicated by 1, the reversible capacity of the lithium secondary battery of the device of example 1 is shown to a larger value. In addition, the reversible capacity of the electrode decreases as the C-rate increases. At the 60-rate, the lithium-ion secondary battery of Embodiment 1 retained 44% of the maximum capacity. However, the lithium secondary battery of Comparative Example 1 had 33% Respectively.

따라서, 상호 연결된 매크로 기공이 전해질의 이온수송을 촉진함으로써 전극의 가역용량 및 속도특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.Therefore, it was found that the reversible capacity and the speed characteristic of the electrode were improved by the interconnected macro pores promoting the ion transport of the electrolyte.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (20)

복수의 메조기공(meso-pore)을 포함하는 메조다공성 무기산화물; 및
상기 메조다공성 무기산화물로 둘러싸인 단수 또는 복수의 매크로기공(macro-pore); 을 포함하고,
상기 메조다공성 무기산화물이 니오븀-티타늄 복합 산화물(TiNb2O7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 계층형(hierarchically-porous) 다공성 무기산화물.
A mesoporous inorganic oxide comprising a plurality of meso-pores; And
One or more macro-pores surrounded by the mesoporous inorganic oxide; / RTI &gt;
Wherein the mesoporous inorganic oxide comprises a niobium-titanium composite oxide (TiNb 2 O 7 ).
제1항에 있어서,
상기 매크로기공의 형상이 구형, 터널(tunnel)형 및 매트릭스(matirix)형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물.
The method according to claim 1,
Wherein the shape of the macropore is any one selected from the group consisting of a spherical shape, a tunnel shape, and a matirix shape.
제1항에 있어서
상기 매크로기공이 상기 계층형 다공성 무기산화물에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물.
The method of claim 1, wherein
Wherein the macropores are uniformly distributed in the layered porous inorganic oxide.
제1항에 있어서
상기 메조기공이 상기 메조다공성 무기산화물에 균일하게 분포하는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물.
The method of claim 1, wherein
Wherein the mesopores are uniformly distributed in the mesoporous inorganic oxide.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 메조기공의 직경이 2 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물.
The method according to claim 1,
Wherein the mesopores have a diameter of 2 to 50 nm.
제1항에 있어서.
상기 매크로기공의 직경이 50nm 초과 3,000nm 이하인 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물.
The method of claim 1,
Wherein the macropore diameter is greater than 50 nm and less than or equal to 3,000 nm.
제1항의 계층형 다공성 무기산화물을 포함하는 음극(anode).An anode comprising the layered porous inorganic oxide of claim 1. 제8항의 음극(anode)을 포함하는 리튬이차전지.A lithium secondary battery comprising the anode of claim 8. 양친성 블록공중합체, 무기 전구체, 탄소 전구체, 산 및 유기용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(a);
상기 혼합용액을 증발유도 자기조립(evaporation-induced self-assembly, EISA)시켜 양친성 블록공중합체-무기산화물-탄소전구체를 포함하는 복합체를 제조하는 단계(b); 및
상기 복합체를 열처리하여 계층형 다공성 무기산화물을 제조하는 단계(c); 를 포함하고,
상기 양친성 블록공중합체 및 무기 전구체의 질량과 상기 산의 질량의 질량비를 조절하여 상기 계층형 다공성 무기산화물의 매크로기공의 형태를 조절하는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
(A) preparing a mixed solution by mixing an amphiphilic block copolymer, an inorganic precursor, a carbon precursor, an acid, and an organic solvent;
(B) preparing a complex comprising an amphiphilic block copolymer-inorganic oxide-carbon precursor by evaporation-induced self-assembly (EISA) of the mixed solution; And
(C) heat treating the composite to produce a layered porous inorganic oxide; Lt; / RTI &gt;
Wherein the macropore of the layered porous inorganic oxide is controlled by adjusting mass of the amphiphilic block copolymer and inorganic precursor and mass ratio of the mass of the acid.
삭제delete 제10항에 있어서,
상기 양친성 블록공중합체 및 무기 전구체의 질량과 상기 산의 질량의 질량비가 1:3 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the mass ratio of the mass of the amphiphilic block copolymer and the inorganic precursor to the mass of the acid is 1: 3 to 1: 5.
제10항에 있어서,
상기 증발유도 자기조립에서 상기 유기용매의 증발속도를 조절하여 상기 계층형 다공성 무기산화물의 매크로기공의 형태를 조절하는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the macropores of the layered porous inorganic oxide are controlled by adjusting the evaporation rate of the organic solvent in the evaporation-induced self-assembly.
제10항에 있어서,
단계 (b)가 20 내지 80℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein step (b) is carried out at 20 to &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 80 C. &lt; / RTI &gt;
제10항에 있어서,
단계 (b)가 대기압 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein step (b) is performed under atmospheric pressure. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제10항에 있어서,
상기 양친성 블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리스타이렌 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-b-poly(styrene)), 폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리메틸메타크리레이트 블록공중합체(poly(ethyleneoxide)-b-poly(methylmethacrylate)), 폴리아이소프렌-블록-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체(poly(isoprene)-b-poly(ethylene oxide)), 폴리아이소프렌-블록-폴리스타이렌-블록-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체 (polye(isoprene)-b-poly(styrene)-bpoly(ethylene oxide)), 폴리(4-터트-부틸)스티렌-블록-폴리에틸렌옥사이드(poly(4-tert-butyl)styrene-block-polyethyleneoxide) 및 플루로닉(Pluronic)계 상용 블록공중합체(P123, F127, F108) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the amphiphilic block copolymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide-block-polystyrene block copolymers (poly (ethylene oxide) -b-poly (styrene), polyethylene oxide-block-polymethyl methacrylate block copolymer poly (isoprene) -b-poly (ethylene oxide), polyisoprene-block-polystyrene-block-polyethylene oxide block copolymer isoprene-b-poly (styrene) -bpoly (ethylene oxide), poly (4-tert-butyl) styrene-block-polyethyleneoxide and pluronic (P123, F127, F108) based on the total weight of the porous inorganic oxide.
제10항에 있어서,
상기 무기 전구체가 금속 전구체 및 비금속 무기전구체 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the inorganic precursor comprises at least one of a metal precursor and a non-metal inorganic precursor.
제17항에 있어서
상기 금속 전구체가 금속 알콕사이드(alkoxide) 및 금속 염화물 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
The method of claim 17, wherein
Wherein the metal precursor comprises at least one of a metal alkoxide and a metal chloride.
제18항에 있어서,
상기 금속전구체가 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 염화나이오븀(Niobium chloride) 및 텅스텐 이소프로폭사이드(Tungsten isopropoxide) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
19. The method of claim 18,
Wherein the metal precursor comprises at least one selected from the group consisting of titanium isopropoxide, niobium chloride and tungsten isopropoxide. Way.
제17항에 있어서,
상기 비금속 무기전구체가 알킬실리케이트, 소듐실리케이트, 실리콘알콕사이드, 알루미늄알콕사이드 및 알루미노실리케이트 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 계층형 다공성 무기산화물의 제조방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the non-metallic inorganic precursor comprises at least one selected from the group consisting of alkyl silicate, sodium silicate, silicon alkoxide, aluminum alkoxide and aluminosilicate.
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