KR102016929B1 - Black phosphorus/carbon nanotube composite material having high-capacity and ultradurable properties, method for producing the composite material, and electrode comprising the composite material - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적린을 밀링하여 흑린을 합성하는 단계; 합성된 흑린 및 탄소나노튜브를 공기 중에 노출시키면서 혼합하는 단계; 공기-노출된 흑린 및 탄소나노튜브 혼합물을 밀링하는 단계를 포함하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공하며, 또한 제조된 복합체를 이용한 전극을 제공한다.The present invention comprises the steps of milling red phosphorus to synthesize black phosphorus; Mixing the synthesized black phosphorus and carbon nanotubes while being exposed to air; It provides a method for producing a black-carbon nanotube composite comprising the step of milling the air-exposed black phosphorus and carbon nanotube mixture, and also provides an electrode using the prepared composite.

Description

고용량 및 장수명 특성을 갖는 흑린/탄소나노튜브 복합소재, 이의 제조방법 및 이를 포함한 전극{Black phosphorus/carbon nanotube composite material having high-capacity and ultradurable properties, method for producing the composite material, and electrode comprising the composite material}Black phosphorus / carbon nanotube composite material having high-capacity and ultradurable properties, method for producing the composite material, and electrode comprising the composite material }

본 발명은 고용량 및 장수명 특성을 갖는 흑린/탄소나노튜브 복합소재, 이의 제조방법 및 이를 포함한 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a black lean / carbon nanotube composite material having a high capacity and long life characteristics, a manufacturing method thereof and an electrode comprising the same.

흑린(black phosphorus: BP)은 유망한 층상 재료로서, 주로 높은 캐리어 이동도, 이방성 전자 특성 및 적정한 밴드 갭 때문에 다양한 첨단-기술 응용을 위해 최근에 고려되었다. 주름 잡힌 층상 구조에서, 각 인 원자는 동일 평면 상에서 2개의 다른 원자와 연결되고, 인접한 평면에서 하나 이상의 원자와 연결됨으로써, 다른 그래핀과 같은 층상 재료와 유사한 6-원자 P6 고리를 생성한다. 또한, BP는 2596 mAh/g의 높은 이론적인 비용량으로 인해, 리튬 이온 및 나트륨 이온 전지(각각 LIB 및 NIB)의 애노드 재료로서 조사되었다(LIB 및 NIB에서 각각 방전 중에 Li3P 및 Na3P의 형성을 가정). 또한, BP는 적정한 전기 전도도(0.2-3.3×102 S/cm), 적절한 밀도(2.69 g/㎤), 열역학적으로 안정된 구조, 적절한 충전/방전 전위 범위, 그리고 Li+ 및 Na+ 삽입/탈삽입 공정 중 빠른 속도를 갖는다.Black phosphorus (BP) is a promising layered material, and has recently been considered for a variety of high-tech applications, mainly due to its high carrier mobility, anisotropic electronic properties and adequate band gap. In the corrugated layered structure, each phosphorus atom is connected with two other atoms on the same plane and with one or more atoms in adjacent planes, creating a 6 -atomic P 6 ring similar to a layered material such as other graphene. In addition, BP has been investigated as the anode material of lithium ion and sodium ion cells (LIB and NIB, respectively) due to the high theoretical specific capacity of 2596 mAh / g (Li 3 P and Na 3 P during discharge in LIB and NIB, respectively). Assuming its formation). In addition, BP has a suitable electrical conductivity (0.2-3.3 × 10 2 S / cm), an appropriate density (2.69 g / cm 3), a thermodynamically stable structure, an appropriate charge / discharge potential range, and Li + and Na + insertion / deinsertion. It has a high speed during the process.

그러나, 사이클링 시에 BP의 큰 부피 변화(LIB 및 NIB에서 각각 약 300% 및 500%)는 BP의 심한 분쇄를 유발하여 단지 몇 사이클 후에 빠른 용량 감소를 일으킨다. 이와 같이, 리튬 이온, 나트륨 이온 배터리의 음극 소재인 흑린은 충방전 과정 중 큰 부피변화로 인한 전극 탈리 현상이 일어나고, 이로 인해 전극의 수명특성이 저하된다.However, large volume changes in BP during cycling (about 300% and 500% in LIB and NIB, respectively) cause severe grinding of BP, resulting in rapid capacity reduction after only a few cycles. As such, black lean, which is a negative electrode material of a lithium ion or sodium ion battery, causes electrode detachment due to a large volume change during charging and discharging, thereby degrading the life characteristics of the electrode.

본 발명의 목적은 고용량 및 장수명 특성을 갖는 흑린/탄소나노튜브 복합소재, 이의 제조방법 및 이를 포함한 전극을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a black lean / carbon nanotube composite material having a high capacity and long life characteristics, a manufacturing method thereof and an electrode comprising the same.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 적린을 밀링하여 흑린을 합성하는 단계; 합성된 흑린 및 탄소나노튜브를 공기 중에 노출시키면서 혼합하는 단계; 공기-노출된 흑린 및 탄소나노튜브 혼합물을 밀링하는 단계를 포함하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention, in order to achieve the above object, the step of milling red phosphorus to synthesize black phosphorus; Mixing the synthesized black phosphorus and carbon nanotubes while being exposed to air; It provides a method for producing a black lean-carbon nanotube composite comprising the step of milling the air-exposed black lean and carbon nanotube mixture.

본 발명의 흑린 합성 단계에서 적린을 불활성 가스 분위기에서 밀링할 수 있다.In the black lean synthesis step of the present invention, red phosphorus may be milled in an inert gas atmosphere.

본 발명에서 불활성 가스는 아르곤이고, 밀링은 유성형 볼 밀을 이용하여 수행할 수 있다.Inert gas in the present invention is argon, milling can be carried out using a planetary ball mill.

본 발명의 흑린 합성 단계에서 볼-대-분말(BPR) 질량 비율은 40±10:1이고, 밀링 속도는 450±100 rpm이며, 밀링 시간은 10 내지 80시간일 수 있다.The ball-to-powder (BPR) mass ratio is 40 ± 10: 1, the milling speed is 450 ± 100 rpm, and the milling time may be 10 to 80 hours in the blacklin synthesis step of the present invention.

본 발명에서 흑린 및 탄소나노튜브의 혼합 비율은 중량 비율로서 5~9:1~5일 수 있다.In the present invention, the mixing ratio of black phosphorus and carbon nanotubes may be 5 to 9: 1 to 5 as a weight ratio.

본 발명에서 공기 노출 시간은 20 내지 60분일 수 있다.In the present invention, the air exposure time may be 20 to 60 minutes.

본 발명에 따른 흑린 및 탄소나노튜브 혼합물의 밀링 단계에서 유성형 볼 밀을 이용하되, 볼-대-분말(BPR) 질량 비율은 20±10:1이고, 밀링 속도는 300±100 rpm이며, 밀링 시간은 10 내지 80시간일 수 있다.Using a planetary ball mill in the milling step of the black phosphorus and carbon nanotube mixtures according to the invention, the ball-to-powder (BPR) mass ratio is 20 ± 10: 1, the milling speed is 300 ± 100 rpm and the milling time May be 10 to 80 hours.

본 발명에서 밀링을 통해, 무정형 적린이 결정성 흑린으로 전환될 수 있다.Through milling in the present invention, amorphous red phosphorus can be converted to crystalline black phosphorus.

본 발명에서 합성된 흑린 중 결정성 상의 함량은 60% 이상일 수 있다.The content of the crystalline phase in the black lean synthesized in the present invention may be 60% or more.

본 발명에서 공기 노출을 통해, 흑린의 표면을 산화시켜 소수성이었던 흑린을 친수성으로 표면 개질할 수 있다.Through air exposure in the present invention, it is possible to oxidize the surface of the black lean surface hydrophilicity of the black lean hydrophobic.

본 발명에서 친수성으로 표면 개질된 흑린은 탄소나노튜브와 강한 P-O-C 결합을 형성할 수 있다.In the present invention, hydrophilic surface-modified black phosphorus may form strong P-O-C bonds with carbon nanotubes.

본 발명에서 공기 노출을 통해, 흑린은 친수성이고 결함 있는 표면층 그리고 빈격자점 결함 및 흡착된 산소 원자를 포함할 수 있다.Through air exposure in the present invention, black phosphorus can include hydrophilic and defective surface layers and lattice defects and adsorbed oxygen atoms.

본 발명에서 공기 노출을 통해, 흑린에 오산화인이 형성될 수 있다.Through air exposure in the present invention, phosphorus pentoxide may be formed in black phosphorus.

본 발명에서 오산화인은 물과 반응하여 인산을 형성함으로써, 탄소나노튜브를 표면적으로 기능화시킬 수 있다.In the present invention, phosphorus pentoxide can react with water to form phosphoric acid, thereby functionalizing the carbon nanotubes.

본 발명에서 밀링을 통해, 탄소나노튜브의 sp2-타입 탄소를 약화시키고, 탄소나노튜브에 빈격자점, 흡착원자, 에지 및 틈새를 형성하며, 탄소나노튜브의 활성 사이트를 증가시킬 수 있다.Through milling in the present invention, it is possible to weaken the sp 2 -type carbon of the carbon nanotubes, form a lattice point, adsorption atoms, edges and gaps in the carbon nanotubes, and increase the active site of the carbon nanotubes.

본 발명에서 밀링된 탄소나노튜브의 D 밴드 대 G 밴드(ID/IG 비율)은 1.3 이상이고, G-밴드 주파수는 1591 cm-1 이상이며, sp2-타입 탄소의 백분율은 80% 이하일 수 있다.In the present invention, the milled carbon nanotubes have a D band to G band (I D / I G ratio) of 1.3 or more, a G-band frequency of 1591 cm -1 or more, and a percentage of sp 2 -type carbon of 80% or less. Can be.

또한, 본 발명은 활성 재료로서 상술한 방법에 따라 제조된 흑린-탄소나노튜브 복합체, 도전제 및 바인더를 이용한 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode using a black lean-carbon nanotube composite, a conductive agent and a binder prepared according to the above-described method as the active material.

본 발명에서 바인더는 이성분 바인더일 수 있다.In the present invention, the binder may be a two-component binder.

본 발명에서 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 소디움 카르복실 메틸 셀룰로오스, 폴리(아크릴산) 중 적어도 2개 이상 포함할 수 있다.The binder in the present invention may include at least two or more of polyvinylidene fluoride, sodium carboxyl methyl cellulose, poly (acrylic acid).

본 발명에서 도전제는 카본 블랙일 수 있다.In the present invention, the conductive agent may be carbon black.

본 발명에서 복합체:도전제:바인더의 혼합 비율은 중량 비율로서 70±10:15±10:15±10일 수 있다.In the present invention, the mixing ratio of the composite: conductive agent: binder may be 70 ± 10: 15 ± 10: 15 ± 10 as the weight ratio.

본 발명에서 흑린은 P-O-C 화학 결합 및 탈수 가교 결합을 통해 바인더와 결합할 수 있다.In the present invention, black phosphorus may bind to the binder through P-O-C chemical bonding and dehydration crosslinking.

본 발명에서 탄소나노튜브 및 바인더 사이에 그리고 바인더간에 가교 결합이 형성될 수 있다.In the present invention, crosslinks may be formed between the carbon nanotubes and the binder and between the binders.

본 발명에서 전극은 리튬 이온 전지 또는 나트륨 이온 전지의 애노드로서 사용될 수 있다.In the present invention, the electrode can be used as an anode of a lithium ion battery or a sodium ion battery.

본 발명에 따른 리튬 이온 전지에서 전극의 방전 용량은 0.2 C의 전류 밀도에서 400 사이클 후에 1600 mAh/g 이상이고, 1번째 방전 용량을 기준으로 80% 이상의 용량을 유지할 수 있다.In the lithium ion battery according to the present invention, the discharge capacity of the electrode is 1600 mAh / g or more after 400 cycles at a current density of 0.2 C, and may maintain a capacity of 80% or more based on the first discharge capacity.

본 발명에 따른 나트륨 이온 전지에서 전극의 방전 용량은 0.2 C의 전류 밀도에서 200 사이클 후에 1500 mAh/g 이상이고, 1번째 방전 용량을 기준으로 70% 이상의 용량을 유지할 수 있다.In the sodium ion battery according to the present invention, the discharge capacity of the electrode is 1500 mAh / g or more after 200 cycles at a current density of 0.2 C, and may maintain a capacity of 70% or more based on the first discharge capacity.

본 발명에 따라 바인더와 강한 화학적 결합을 가진 흑린/CNT 복합체를 합성하고, 이를 전극으로 제조할 수 있다. 이 강한 구조는 충방전 중 전극 파괴를 억제하여 수명특성이 향상될 수 있다. 또한 도전제와의 전기적 접촉이 우수하여 고율특성이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에서는 비친수성인 흑린의 표면을 대기 중에서 산화시켜 표면 개질을 수행함으로써, CNT와의 결합(P-O-C) 그리고 Na-CMC 및 PAA 바인더와의 가교-결합을 개선시킬 수 있다.According to the present invention, a black phosphorus / CNT complex having a strong chemical bond with a binder may be synthesized and prepared as an electrode. This strong structure can suppress electrode breakage during charging and discharging, thereby improving life characteristics. In addition, excellent electrical contact with the conductive agent may improve high rate characteristics. In addition, in the present invention, the surface of the non-hydrophilic black phosphorus is oxidized in the air to perform surface modification, thereby improving the bond with CNT (P-O-C) and the cross-link with Na-CMC and PAA binder.

도 1은 다양한 RP-탄소 복합체에 대한 기존 연구와 본 발명의 전략을 도시적으로 비교한 것이다. 도 1A로 표시된 바와 같이, 본 발명에서는 최종 BP-CNT 복합체를 얻기 위해 2개-단계 볼 밀링 공정을 수행하는 것이 중요하다. 기존 공정인 도 1B를 통해 볼 밀링을 수행할 경우, CNT의 존재는 무정형 RP에서 결정성 BP로의 전환을 저해한다. 이하에서 증명되듯이, 제1단계는 소수성 BP를 형성하는데, 이 소수성 성질은 제어된 공기 노출에 의해 변경됨으로써, 개질되고 결함 있는 친수성 BP를 생성하였다. 개질된 BP는 제2단계에서 긴 밀링 후에 CNT에 안정되게 결합할 수 있고, 2개의 구별되는 P-O-C 화학 결합 및 탈수 가교 결합을 통해 전극 제조 중에 이성분 바인더에도 안정하게 결합할 수 있다.
도 2a는 CNT, BP30, BP60, 및 도 1A에 따르고 표 1에 열거된 4개의 지정된 BPC 복합체의 XRD 패턴이다. 도 2b는 CNT, RP, 그리고 30 및 50시간 밀링 후에, 도 1B의 RP+CNT 전구체의 1개-단계 볼 밀링으로부터 얻어진 2개의 RPC 복합체의 XRD 패턴이다. 결과는 도 1A(2개-단계 밀링)를 이용하여 얻어진 것과 다른 최종 생성물을 분명하게 나타낸다. 도 2c는 XRD 패턴에 근거한, 밀링 시간 대 BP 결정성 상의 계산된 함량을 나타낸 것이다. Lorentzian 피팅이 도 2c에서 XRD로부터 데이터를 계산하는데 사용되었다. 삽입도면은 BP60의 31P MAS-ssNMR 스펙트럼이다. 15 ppm에서 날카로운 피크는 밀링 60시간 후에 순수 BP 나노결정의 형성을 확인시켜준다. 모든 스피닝 사이드밴드는 별도(*)로 표시되어 있다.
도 3a는 프리스틴 CNT 및 BPC1-BPC5 복합체에서 sp2-타입 탄소 백분율(EELS 측정으로부터 얻음)과 함께, Raman G 모드의 ID/IG 비율 및 포논 주파수를 비교한 것이다. 도 3a의 결과는 샘플의 서로 다른 부위로부터 취해진 10-15개의 개별 스펙트럼에 대해 평균화한 것이다. 오차 증가는 결과의 불균일성 증가와 관련 있다. Lorentzian 피팅은 Raman 분석의 데이터를 계산하는데 사용되었다. 도 3b는 짧아진 CNT의 벽 및 말단부에서 높은 함량의 산소 기능기 및 불완전성을 다시 나타내는 BPC1 및 BPC4의 EPR 스펙트럼이다. 도 3c는 EELS에 의해 측정된 BP60(제어된 공기 노출 전), BPC4 및 BPC5의 인 L2,3 및 산소 K(삽입도면) 에지 스펙트럼으로서, 제어된 공기 노출 중에 표면 산화의 효과를 명확히 확인시켜주는데, 추가적인 P2O5 신호가 BPC4의 스펙트럼에서 나타났고, 반면에 BPC5에서는 무시할만하였다. 도 3d는 프리스틴 CNT, BP60(공기 노출 전 및 후), BPC4 및 BPC5의 FT-IR 스펙트럼이다. 도 3e는 BP60(공기 노출 전 및 후), BPC4 및 BPC5 샘플의 ToF-SIMS으로부터의 음이온 스펙트럼으로서, BPC5와 비교하여 BPC4에서 현저한 친수성 특성을 증명한다. 도 3f는 도 3e의 상세한 PO- 및 CPO-(삽입도면) ToF-SIMS 스펙트럼이다. BPC5에 대해 도 3e에서의 큰 OH- 피크 및 도 3f의 삽입도면에서의 극히 작은 CPO-는 BPC4에서 2개의 구별되는 P-O-C 화학 결합 및 탈수 가교 결합의 발생과 관련된 FT-IR 결과를 완벽히 확인시켜주고, 또한 BP를 친수성으로 만드는 제어된 공기 노출의 필요성 및 중요성을 강조한다. 도 3g는 BPC1 및 BPC4의 13C MAS-NMR 스펙트럼이다. BPC4에서 -OH 기능기의 함량이 BPC1보다 적은데, 이는 또한 에스터화 반응을 통해 CNT에 안정하게 연결되는 친수성 BP의 능력을 확인시켜 주는 것이다. 도 3h는 공기 또는 Ar 대기에서 프리스틴 CNT, BPC3, BPC4 및 BPC5의 TG 곡선이다. 추가의 중량 손실(2개의 화살촉으로 표시됨)은 BPC4에서 많은 함량의 가교 결합 및 화학 결합을 암시한다.
도 4의 상부는 전기화학 시험을 위해 Cu 호일 상에 도포된 카본 블랙 및 바인더와 함께 BP-CNT 활성 재료를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 4의 하부는 서로 다른 전극 성분들 사이, 즉 (i) 친수성이고 결함 있는 BP 및 기능화된 CNT 사이, (ii) BP 및 2개의 가교 결합된 바인더 사이, (iii) 기능화된 CNT 및 탈수 반응을 통해 형성된 바인더 사이에서 형성된 모든 가능한 형태의 P-O-C 화학 결합 및 탈수 가교 결합을 나타낸다. 바인더는 동일한 탈수 공정 중에 서로 연결될 수도 있는데, (iv)로 표시된 바와 같이, PAA의 자유 카르복실산 기는 NaCMC의 -OH 기와 공유 에스터 결합을 형성한다.
도 5a는 PAA 및 NaCMC, 혼합된 c-NaCMC-PAA 바인더, 및 BPC4-c-NaCMC-PAA의 FT-IR 스펙트럼이다. 도 5b는 BPC1-c-NaCMC-PAA 및 BPC4-c-NaCMC-PAA의 13C MAS-NMR 스펙트럼이다. 도 5c는 BPC3-c-NaCMC-PAA 및 BPC4-c-NaCMC-PAA의 TG 곡선이다.
도 6a는 BPC1-BPC5의 초기 충전-방전 전압 프로파일이다. 도 6b는 LIB에 대해 0.2 C(1 C = 2596 mAh/g)의 전류 밀도 및 0.01-2.0 V에서 BPC1-BPC4 샘플의 사이클 안정성을 나타내는데, 다른 샘플과 비교하여 더 낮은 분극으로 인해 BPC4에서 안정된 화학 결합을 명확하게 증명한다. 도 6c는 0.2-4.5 C의 전류 밀도에서 LIB용 4개 BPC1-BPC4 샘플의 속도 성능을 비교한 것이다. 도 6d는 100 사이클에 대해 1 C에서, 이후 200 사이클에 대해 4.5 C에서, 903 mAh/g의 최종 용량으로, LIB용 BPC4의 현저하게 높은 속도 사이클 안정성을 나타낸다. 첫 번째 10 사이클은 적절한 활성을 위해 0.2 C에서 수행하였다. 도 6e는 0.2 C의 전류 밀도 및 0.01-2.0 V에서 NIB용 BPC4의 사이클 안정성을 나타낸다. 도 6f는 4.5 C의 매우 고속까지 NIB용 BPC4의 속도 특성을 나타낸다. 도 6g는 100 사이클에 대해 1 C에서, 이후 200 사이클에 대해 2 C에서, 700 mAh/g의 최종 용량으로, NIB용 BPC4의 우수한 고속 사이클 안정성을 나타낸다. 첫 번째 10 사이클은 활성화 공정을 위해 0.2 C에서 다시 시험하였다. 모든 전극은 c-NaCMC-PAA 바인더로 제조하였고, 용량 결과는 BP의 질량을 기준으로 하였다.
1 is a graphical comparison of existing research and various inventive strategies for various RP-carbon composites. As indicated by FIG. 1A, it is important in the present invention to perform a two-step ball milling process to obtain the final BP-CNT composite. When performing ball milling through the existing process of FIG. 1B, the presence of CNTs inhibits the conversion of amorphous RP to crystalline BP. As demonstrated below, the first step forms a hydrophobic BP, which is modified by controlled air exposure, resulting in modified and defective hydrophilic BP. The modified BP can stably bind to the CNT after long milling in the second step, and can also stably bind to the bicomponent binder during electrode manufacture through two distinct POC chemical bonds and dehydration crosslinking.
2A is an XRD pattern of CNTs, BP30, BP60, and four designated BPC complexes according to FIG. 1A and listed in Table 1. FIG. FIG. 2B is an XRD pattern of CNT, RP and two RPC composites obtained from one-step ball milling of the RP + CNT precursor of FIG. 1B after 30 and 50 hours milling. The results clearly show the final product different from that obtained using FIG. 1A (two-step milling). 2C shows the calculated content of milling time versus BP crystalline phase, based on the XRD pattern. Lorentzian fitting was used to calculate the data from the XRD in FIG. 2C. Inset is the 31 P MAS-ssNMR spectrum of BP60. Sharp peaks at 15 ppm confirm the formation of pure BP nanocrystals after 60 hours of milling. All spinning sidebands are marked with a *.
FIG. 3A compares the I D / I G ratio and phonon frequency of Raman G mode with sp 2 -type carbon percentage (obtained from EELS measurements) in Pristine CNT and BPC1-BPC5 complexes. The results in FIG. 3A are averaged over 10-15 individual spectra taken from different sites of the sample. Increased error is associated with increased non-uniformity of the results. Lorentzian fittings were used to calculate data for Raman analysis. FIG. 3B is an EPR spectrum of BPC1 and BPC4 again showing high content of oxygen functional groups and imperfections in the walls and ends of the shortened CNTs. 3C shows the phosphorus L 2,3 and oxygen K (inset) edge spectra of BP60 (before controlled air exposure), BPC4 and BPC5 measured by EELS, clearly confirming the effect of surface oxidation during controlled air exposure. An additional P 2 O 5 signal appeared in the spectrum of BPC4, while negligible in BPC5. 3D is the FT-IR spectra of Pristine CNTs, BP60 (before and after air exposure), BPC4 and BPC5. 3E is anion spectra from ToF-SIMS of BP60 (before and after air exposure), BPC4 and BPC5 samples, demonstrating significant hydrophilic properties in BPC4 compared to BPC5. FIG. 3F is the detailed PO and CPO (inset) ToF-SIMS spectra of FIG. 3E. The large OH - peak in FIG. 3E and the very small CPO - in the inset of FIG. 3F for BPC5 perfectly confirm the FT-IR results associated with the occurrence of two distinct POC chemical bonds and dehydration crosslinking in BPC4. It also highlights the need and importance of controlled air exposure that makes BP hydrophilic. 3G is 13 C MAS-NMR spectra of BPC1 and BPC4. The content of -OH functional groups in BPC4 is less than that of BPC1, which also confirms the ability of hydrophilic BP to stably link to CNTs through an esterification reaction. 3H is a TG curve of pristine CNTs, BPC3, BPC4 and BPC5 in air or Ar atmosphere. Additional weight loss (indicated by two arrowheads) suggests high amounts of crosslinking and chemical bonding in BPC4.
The upper part of FIG. 4 schematically shows the BP-CNT active material with carbon black and binder applied on Cu foil for electrochemical testing. The lower part of FIG. 4 shows different electrode components: (i) between hydrophilic and defective BP and functionalized CNTs, (ii) between BP and two crosslinked binders, (iii) functionalized CNTs and dehydration reactions. It represents all possible forms of POC chemical bonds and dehydration crosslinks formed between the binders formed through. The binders may be linked to one another during the same dehydration process, as indicated by (iv), wherein the free carboxylic acid groups of the PAA form covalent ester bonds with the —OH groups of NaCMC.
5A is FT-IR spectra of PAA and NaCMC, mixed c-NaCMC-PAA binder, and BPC4-c-NaCMC-PAA. 5B is a 13 C MAS-NMR spectrum of BPC1-c-NaCMC-PAA and BPC4-c-NaCMC-PAA. 5C is a TG curve of BPC3-c-NaCMC-PAA and BPC4-c-NaCMC-PAA.
6A is the initial charge-discharge voltage profile of BPC1-BPC5. FIG. 6B shows the cycle stability of the BPC1-BPC4 samples at 0.2 C (1 C = 2596 mAh / g) and 0.01-2.0 V for LIB, stable chemistry at BPC4 due to lower polarization compared to other samples Demonstrate the binding clearly. 6C compares the rate performance of four BPC1-BPC4 samples for LIB at current densities of 0.2-4.5 C. FIG. 6D shows the markedly high rate cycle stability of BPC4 for LIB, with a final capacity of 903 mAh / g at 1 C for 100 cycles and then 4.5 C for 200 cycles. The first 10 cycles were performed at 0.2 C for proper activity. 6E shows the cycle stability of BPC4 for NIB at a current density of 0.2 C and 0.01-2.0 V. 6F shows the rate characteristics of BPC4 for NIB up to very high 4.5 C. FIG. 6G shows the superior fast cycle stability of BPC4 for NIB at a final capacity of 700 mAh / g at 1 C for 100 cycles and then at 2 C for 200 cycles. The first 10 cycles were tested again at 0.2 C for the activation process. All electrodes were made with c-NaCMC-PAA binder and capacity results based on the mass of BP.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명에 따른 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법은 2단계 밀링 공정 및 제어된 공기 노출을 특징으로 하며, 이에 따라 고용량 장수명 리튬 이온 전지 또는 나트륨 이온 전지용 전극을 제공할 수 있다.The method for producing a black phosphorus-carbon nanotube composite according to the present invention is characterized by a two-stage milling process and controlled air exposure, thereby providing an electrode for a high capacity long life lithium ion battery or sodium ion battery.

구체적으로, 본 발명에 따른 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법은 적린을 밀링하여 흑린을 합성하는 단계; 합성된 흑린 및 탄소나노튜브를 공기 중에 노출시키면서 혼합하는 단계; 공기-노출된 흑린 및 탄소나노튜브 혼합물을 밀링하는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the method for producing a black phosphorus-carbon nanotube complex according to the present invention comprises the steps of synthesizing black phosphorus by milling red phosphorus; Mixing the synthesized black phosphorus and carbon nanotubes while being exposed to air; Milling the air-exposed black phosphorus and carbon nanotube mixtures.

흑린 합성 단계에서는 적린을 아르곤 등과 같은 불활성 가스 분위기에서 밀링할 수 있다. 밀링은 볼 밀링일 수 있으며, 바람직하게는 유성형 볼 밀을 이용하여 수행할 수 있다. 흑린 합성 단계의 밀링은 제1단계 밀링 또는 1차 밀링이다. 제1단계 밀링을 통해, 무정형 적린이 결정성 흑린으로 전환될 수 있다. 이에 따라 합성된 흑린 중 결정성 상(phase)의 함량은 60% 이상(100% 또는 95% 이하), 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상일 수 있다.In the black phosphorus synthesis step, red phosphorus may be milled in an inert gas atmosphere such as argon. The milling may be ball milling, preferably by using a planetary ball mill. The milling of the black phosphorus synthesis step is the first step milling or the first milling. Through first stage milling, amorphous red phosphorus can be converted to crystalline black phosphorus. Accordingly, the content of the crystalline phase in the synthesized black phosphorus may be 60% or more (100% or 95% or less), preferably 70% or more, more preferably 90% or more.

흑린 합성 단계에서 볼-대-분말(BPR) 질량 비율은 40±10:1, 바람직하게는 40±5:1일 수 있다. 밀링 속도는 450±100 rpm, 바람직하게는 450±50 rpm일 수 있다. 밀링 시간은 10 내지 80시간, 바람직하게는 30 내지 70시간, 더욱 바람직하게는 50 내지 70시간일 수 있다.The ball-to-powder (BPR) mass ratio in the blacklin synthesis step may be 40 ± 10: 1, preferably 40 ± 5: 1. The milling speed may be 450 ± 100 rpm, preferably 450 ± 50 rpm. The milling time may be 10 to 80 hours, preferably 30 to 70 hours, more preferably 50 to 70 hours.

혼합 단계에서 흑린 및 탄소나노튜브의 혼합 비율은 중량 비율로서 5~9:1~5, 바람직하게는 6~8:2~4일 수 있다. 혼합 단계에서 공기 노출 시간은 20 내지 60분, 바람직하게는 30 내지 45분일 수 있다.The mixing ratio of the black phosphorus and carbon nanotubes in the mixing step may be 5-9: 1-5, preferably 6-8: 2-4 as a weight ratio. The air exposure time in the mixing step can be 20 to 60 minutes, preferably 30 to 45 minutes.

공기 노출을 통해, 흑린의 표면을 산화시켜 소수성이었던 흑린을 친수성으로 표면 개질할 수 있다. 친수성으로 표면 개질된 흑린은 탄소나노튜브와 강한 P-O-C 결합을 형성할 수 있다. 또한, 공기 노출을 통해, 흑린은 친수성이고 결함 있는 표면층 그리고 빈격자점 결함 및 흡착된 산소 원자를 포함할 수 있다. 또한, 공기 노출을 통해, 흑린에 오산화인이 형성될 수 있다. 이때 형성된 오산화인은 물과 반응하여 인산을 형성함으로써, 탄소나노튜브를 표면적으로 기능화시킬 수 있다.Through air exposure, the surface of the black rinse can be oxidized to hydrophilically modify the black rinse, which was hydrophobic. Hydrophilic surface-modified black phosphorus can form strong P-O-C bonds with carbon nanotubes. In addition, through air exposure, black phosphorus can contain hydrophilic and defective surface layers and lattice defects and adsorbed oxygen atoms. In addition, through air exposure, phosphorus pentoxide may be formed in black phosphorus. Phosphorous pentoxide formed at this time may react with water to form phosphoric acid, thereby functionalizing the carbon nanotubes.

흑린 및 탄소나노튜브 혼합물의 밀링 단계는 제2단계 밀링 또는 2차 밀링이다. 여기서의 밀링도 볼 밀링일 수 있으며, 바람직하게는 유성형 볼 밀을 이용하여 수행할 수 있다. 여기서, 볼-대-분말(BPR) 질량 비율은 20±10:1, 바람직하게는 20±5:1일 수 있다. 밀링 속도는 300±100 rpm, 바람직하게는 300±50 rpm일 수 있다. 밀링 시간은 10 내지 80시간, 바람직하게는 20 내지 60시간, 더욱 바람직하게는 40 내지 60시간일 수 있다.The milling step of the black phosphorus and carbon nanotube mixtures is the second stage milling or the second milling. The milling here may also be ball milling, preferably using a planetary ball mill. Here, the ball-to-powder (BPR) mass ratio may be 20 ± 10: 1, preferably 20 ± 5: 1. The milling speed may be 300 ± 100 rpm, preferably 300 ± 50 rpm. The milling time may be 10 to 80 hours, preferably 20 to 60 hours, more preferably 40 to 60 hours.

밀링을 통해, 탄소나노튜브의 sp2-타입 탄소를 약화시키고, 탄소나노튜브에 빈격자점, 흡착원자, 에지 및 틈새를 형성하며, 탄소나노튜브의 활성 사이트를 증가시킬 수 있다. 밀링된 탄소나노튜브의 D 밴드 대 G 밴드(ID/IG 비율)은 1.3 이상(1.6 이하), 바람직하게는 1.4 이상일 수 있다. G-밴드 주파수는 1591 cm-1 이상(1630 cm-1 이하), 바람직하게는 1600 cm-1 이상일 수 있다. sp2-타입 탄소의 백분율은 80% 이하(50% 이상), 바람직하게는 60% 이하일 수 있다.Through milling, it is possible to weaken the sp 2 -type carbon of the carbon nanotubes, form a lattice point, adsorption atoms, edges and gaps in the carbon nanotubes, and increase the active sites of the carbon nanotubes. The D band to G band (I D / I G ratio) of the milled carbon nanotubes may be 1.3 or more (1.6 or less), preferably 1.4 or more. The G-band frequency may be at least 1591 cm −1 (up to 1630 cm −1 ), preferably at least 1600 cm −1 . The percentage of sp 2 -type carbon may be 80% or less (50% or more), preferably 60% or less.

또한, 본 발명은 활성 재료로서 상술한 방법에 따라 제조된 흑린-탄소나노튜브 복합체, 도전제 및 바인더를 이용한 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode using a black lean-carbon nanotube composite, a conductive agent and a binder prepared according to the above-described method as the active material.

바인더는 이성분(binary) 바인더일 수 있다. 예를 들어, 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 소디움 카르복실 메틸 셀룰로오스, 폴리(아크릴산) 중 적어도 2개 이상 포함할 수 있다. 바람직하게는 소디움 카르복실 메틸 셀룰로오스 및 폴리(아크릴산)으로 구성되는 이성분 바인더일 수 있다. 도전제로는 카본 블랙 등을 사용할 수 있다. 복합체:도전제:바인더의 혼합 비율은 중량 비율로서 70±10:15±10:15±10, 바람직하게는 70±5:15±5:15±5일 수 있다.The binder may be a binary binder. For example, the binder may include at least two or more of polyvinylidene fluoride, sodium carboxyl methyl cellulose, and poly (acrylic acid). Preferably it may be a bicomponent binder composed of sodium carboxymethyl cellulose and poly (acrylic acid). Carbon black etc. can be used as a electrically conductive agent. The mixing ratio of the composite: conductor: binder may be 70 ± 10: 15 ± 10: 15 ± 10, preferably 70 ± 5: 15 ± 5: 15 ± 5 as weight ratio.

본 발명에 따른 전극에서 흑린은 P-O-C 화학 결합 및 탈수 가교 결합을 통해 바인더와 결합할 수 있고, 또한 탄소나노튜브 및 바인더 사이에 그리고 바인더간에 가교 결합이 형성될 수 있다.In the electrode according to the present invention, black phosphorus may bind to the binder through P-O-C chemical bonding and dehydration crosslinking, and crosslinking may be formed between the carbon nanotubes and the binder and between the binders.

본 발명에 따른 전극은 리튬 이온 전지 또는 나트륨 이온 전지의 애노드로서 사용될 수 있다.The electrode according to the invention can be used as the anode of a lithium ion battery or a sodium ion battery.

본 발명에 따른 리튬 이온 전지에서 전극의 방전 용량은 0.2 C의 전류 밀도에서 400 사이클 후에 1600 mAh/g 이상(1800 mAh/g 이하)일 수 있고, 1번째 방전 용량을 기준으로 80% 이상(90% 이하), 바람직하게는 85% 이상의 용량을 유지할 수 있다.In the lithium ion battery according to the present invention, the discharge capacity of the electrode may be 1600 mAh / g or more (1800 mAh / g or less) after 400 cycles at a current density of 0.2 C, and 80% or more (90%) based on the first discharge capacity. Up to%), preferably at least 85% capacity.

본 발명에 따른 나트륨 이온 전지에서 전극의 방전 용량은 0.2 C의 전류 밀도에서 200 사이클 후에 1500 mAh/g 이상(1700 mAh/g 이하)이고, 1번째 방전 용량을 기준으로 70% 이상(80% 이하), 바람직하게는 75% 이상의 용량을 유지할 수 있다.In the sodium ion battery according to the present invention, the discharge capacity of the electrode is 1500 mAh / g or more (1700 mAh / g or less) after 200 cycles at a current density of 0.2 C, and 70% or more (80% or less) based on the first discharge capacity. ), Preferably at least 75% capacity.

일반적으로, 흑린(BP)을 합성하기 위한 3가지 주요 방법이 있는데, 즉 화학 기상 수송 방법(Nilges 등에 의해 개발된 CVT), 고압-고온 방법(Bridgman에 의해 개척된 HPHT), 및 볼 밀링이다. 이중에서, 고-에너지 밀링은 특수한 기기 또는 복잡한 제작 단계가 필요 없는 간단하고 업-스케일 가능한 기술이다. 게다가, CVT 및 HPHT에 의해 합성된 BP는 만족스러운 전기화학적 성능을 거의 나타낼 수 없었다.In general, there are three main methods for synthesizing black phosphorus (BP), namely the chemical vapor transport method (CVT developed by Nilges et al.), The high pressure-high temperature method (HPHT pioneered by Bridgman), and ball milling. Among them, high-energy milling is a simple and up-scaleable technique that does not require special machines or complicated manufacturing steps. In addition, BP synthesized by CVT and HPHT could hardly exhibit satisfactory electrochemical performance.

특히, BP는 무정형 적린(RP)보다 훨씬 나은 전기 전도도를 갖는다. 그리고, 그 층상 구조로 인해, BP는 RP보다 우수한 전기화학 성능을 나타낼 수 있다.In particular, BP has much better electrical conductivity than amorphous red phosphorus (RP). And, due to its layered structure, BP can exhibit better electrochemical performance than RP.

추가적으로, 탄소나노튜브(CNT)는 BP의 부피 팽창을 수용하는 우수한 능력을 제공할 수 있다. CNT는 전도성 네트워크 및 부피 변동에 따른 응력을 흡수하는 버퍼로서 작용하는 것으로 잘 알려져 있는데, 이는 주로 낮은 전기 저항 및 강한 기계적 특성을 갖는 이들의 독특한 1차원(1D) 구조 때문이다.In addition, carbon nanotubes (CNT) can provide excellent ability to accommodate volume expansion of BP. CNTs are well known to act as buffers to absorb stresses due to conductive networks and volumetric variations, mainly due to their unique one-dimensional (1D) structure with low electrical resistance and strong mechanical properties.

중요하게는, 볼 밀링은 기능화된 CNT의 실현 가능한 합성 중 최상의 전략인 것으로 증명되었는데, 이는 CNT의 높은 반응성 및 밀링 중에 이들에게 전달되는 높은 에너지 때문이다. 비교로서, 강한 무기산 또는 유기용매에서의 환류와 같은 화학적 방법은 최종 제품의 품질, 제어 가능성 그리고 오염 및 유독 화학물질의 위험을 포함한 다양한 문제를 나타낸다.Importantly, ball milling has proven to be the best strategy among feasible synthesis of functionalized CNTs because of the high reactivity of the CNTs and the high energy delivered to them during milling. By comparison, chemical methods such as reflux in strong inorganic acids or organic solvents present a variety of problems, including the quality, controllability of the final product and the risk of contamination and toxic chemicals.

다른 애노드 재료(예를 들어, Si, Ge 및 Sn)의 최근 연구가 확인하였듯이, 비가역적 용량 페이딩(fading) 및 사이클 성능(cyclability)과 같은 전기화학 특성은 전체 전극의 안정성 및 강도에 강하게 의존한다. LIB 및 NIB 전지용 애노드를 제작하는 일반적인 방법은 활성 재료와 탄소 전도성 첨가제(카본 블랙 등) 및 고분자 바인더를 혼합하는 단계, 이후 집전체로서 구리 호일 상에 혼합물을 캐스팅하는 단계로 구성된다.As recent studies of other anode materials (eg Si, Ge and Sn) have confirmed, electrochemical properties such as irreversible capacity fading and cyclability strongly depend on the stability and strength of the entire electrode. . A common method of fabricating anodes for LIB and NIB cells consists of mixing the active material with a carbon conductive additive (such as carbon black) and a polymeric binder, followed by casting the mixture onto a copper foil as a current collector.

잘 알려진 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 소디움 카르복실 메틸 셀룰로오스(NaCMC), 폴리(아크릴산)(PAA) 등을 포함하고, 이들은 수소 결합 및/또는 반데르발스 힘에 의해 전극 성분들을 결합시킨다. 그러나, 사이클링 중에 전극 분쇄를 방지하거나 충분히 최소화하는 것은 어려운데, 이는 주로 바인더 및 활성 재료 사이의 낮은 상호작용 때문이다.Well known binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), sodium carboxymethyl cellulose (NaCMC), poly (acrylic acid) (PAA), and the like, which bind electrode components by hydrogen bonding and / or van der Waals forces. Let it be. However, it is difficult to prevent or sufficiently minimize electrode breakage during cycling, mainly due to the low interaction between the binder and the active material.

이 장애를 피하고 전극의 안정성을 향상시켜 긴 수명 전지를 구현하기 위해, 본 발명에서는 볼-밀링된 BP 분말, 기능화된 CNT 및 이성분 바인더간의 강한 가교-결합된 상호작용을 이용하여 애노드를 제조하는 간단하고 실현 가능하며 저렴한 접근법을 개발하였다.In order to avoid this obstacle and to improve the stability of the electrode to realize a long life battery, the present invention utilizes a strong cross-linked interaction between ball-milled BP powder, functionalized CNTs and bicomponent binders to produce anodes. We have developed a simple, feasible and inexpensive approach.

본 발명에서 주요 이슈는 BP 나노결정의 소수성 성질을 친수성으로 변경하여 기능화된 CNT와 강한 화학 결합을 형성하는 것인데, 이는 소수성 특성이 그래핀 및 전이금속 디칼코게니드(dichalcogenide)와 같은 가장 잘 알려진 층상 재료의 공통적인 문제이기 때문이다. 본 발명에서는 다양한 특성 평가 방법을 이용하여 BP 및 CNT 성분 사이의 결합에 영향을 미치는 파라미터를 연구하였다.The main issue in the present invention is to change the hydrophobic nature of BP nanocrystals to hydrophilic to form strong chemical bonds with functionalized CNTs, which are the most well known layered layers such as graphene and transition metal dichalcogenide. Because it is a common problem of materials. In the present invention, various characteristics evaluation methods were used to study the parameters affecting the binding between BP and CNT components.

추가적으로, 이성분, 기능성 고분자성 및 가교-결합된 NaCMC-PAA(c-NaCMC-PAA) 바인더는 BP-CNT 활성 재료와 강력한 연결을 제공하였고, 이것은 (1) 강한 구조를 형성하고 충전/방전 과정 중에 전체 전극의 고장을 효과적으로 방지하기 위해, (2) 전극 성분들 사이의 전기적 접촉의 손실을 방지하기 위해, 그리고 (3) 구리 집전체 상에 활성 재료의 강한 부착을 보장하기 위해 매우 중요한 접근법이었다. NaCMC의 히드록실기 및 PAA의 카르복실산기는 친수성 BP 및 기능화된 CNT와 강한 결합을 형성하는데 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다.In addition, the bicomponent, functional polymeric and cross-linked NaCMC-PAA (c-NaCMC-PAA) binders provided a strong connection with the BP-CNT active material, which (1) formed a strong structure and a charge / discharge process It was a very important approach to effectively prevent the failure of the whole electrode, to (2) prevent the loss of electrical contact between the electrode components, and (3) to ensure strong adhesion of the active material on the copper current collector. . The hydroxyl group of NaCMC and the carboxylic acid group of PAA have been found to be very effective in forming strong bonds with hydrophilic BP and functionalized CNTs.

그 결과, 본 발명의 가교-결합된 BP-CNT 복합체 전극은 LIB 및 NIB용 애노드로서 현저한 사이클 성능 및 속도 특성을 제공할 수 있었다. 방전 용량은 LIB에 대해 0.2 C의 전류 밀도에서 400 사이클 후에 87.5% 용량 유지율에 해당하는 1681 mAh/g이었고, NIB에 대해 동일한 전류 밀도에서 200 사이클 후에 1560 mAh/g(75.2% 용량 유지율)이었으며, 초기 CE는 LIB 및 NIB에 대해 각각 92.0% 및 87.7%이었다. 본 발명의 복합체는 또한 LIB 및 NIB 용도에서 우수한 고속 사이클 특성을 나타냈는데, 즉 LIB에 대해 1 C 및 2 C에서 100 및 200 사이클 후에 1513 및 903 mAh/g이었고, NIB에 대해 100 사이클 후에 1 C 및 2 C에서 1050 및 700 mAh/g이었다. 본 발명에서 제시하는 이 매력적인 저-비용 접근법은 넓은 범위의 혁신적인 대응품에서 그리고 다양한 용도를 위해 새로운 BP-계 재료의 이용에 추가적인 빛을 비출 수 있다.As a result, the cross-linked BP-CNT composite electrode of the present invention could provide significant cycle performance and speed characteristics as anodes for LIB and NIB. The discharge capacity was 1681 mAh / g corresponding to 87.5% capacity retention after 400 cycles at a current density of 0.2 C for LIB, and 1560 mAh / g (75.2% capacity retention) after 200 cycles at the same current density for NIB, Initial CEs were 92.0% and 87.7% for LIB and NIB, respectively. The composites of the invention also exhibited good fast cycle characteristics in LIB and NIB applications, ie 1513 and 903 mAh / g after 100 and 200 cycles at 1 C and 2 C for LIB, and 1 C after 100 cycles for NIB. And 1050 and 700 mAh / g at 2 C. This attractive low-cost approach presented in the present invention can shed additional light on the use of new BP-based materials in a wide range of innovative counterparts and for a variety of applications.

[실시예]EXAMPLE

1. 실험 섹션1. Experiment section

(1) 재료(1) material

상업적 RP(Alfa Aesar, -100 mesh, 98.9%), MWCNT(Carbon Nanomaterial Technology Co. Ltd., Korea), PVDF(Sigma-Aldrich, Mw=534000), PAA(Sigma-Aldrich, Mv = 3000000), 및 NaCMC(Sigma-Aldrich, Mw = 700000)는 추가 정제 공정 없이 입수한대로 사용하였다.Commercial RP (Alfa Aesar, -100 mesh, 98.9%), MWCNT (Carbon Nanomaterial Technology Co. Ltd., Korea), PVDF (Sigma-Aldrich, Mw = 534000), PAA (Sigma-Aldrich, Mv = 3000000), and NaCMC (Sigma-Aldrich, Mw = 700000) was used as received without further purification.

(2) BP의 합성(2) synthesis of BP

제1단계로서, RP를 스테인리스스틸 바이엘에 넣고 고순도 아르곤 보호 하에 글로브박스에 밀봉한 후, Fritsch P6 유성형 볼 밀로 볼 밀링하였다. 볼-대-분말(BPR) 질량 비율은 40:1로 유지하였고, 밀링 속도는 60시간까지에 이르는 시간 동안 450 rpm으로 유지하였다. 이후, BP30 및 BP60(각각 30시간 및 60시간 동안 밀링) 샘플을 제2회의 밀링을 위해 선택하였다.As a first step, the RP was placed in a stainless steel bayer and sealed in a glovebox under high purity argon protection, followed by ball milling with a Fritsch P6 planetary ball mill. The ball-to-powder (BPR) mass ratio was maintained at 40: 1 and the milling speed was maintained at 450 rpm for up to 60 hours. The BP30 and BP60 (milled for 30 and 60 hours, respectively) samples were then selected for the second milling.

(3) BP-CNT 복합체의 합성(3) Synthesis of BP-CNT Complex

밀링된 BP30 및 BP60을 MWCNT와 7:3 중량 비율로 공기 중에서 30-45분 동안 혼합하였다. 이후, 공기-노출된 BP 및 CNT 혼합물을 바이엘로 옮겼고, 20:1의 BPR 및 300 rpm의 속도로 20시간 및 50시간 동안 밀링하여 BP-CNT 복합체(BPC1 내지 BPC4)를 제조하였다. 밀링 단계의 상세사항은 표 1에 나타냈다. 도 1A는 BP-CNT 복합체의 합성에서 다양한 단계를 나타낸다.Milled BP30 and BP60 were mixed with MWCNT in air at a 7: 3 weight ratio for 30-45 minutes. The air-exposed BP and CNT mixture was then transferred to Bayer and milled for 20 and 50 hours at a BPR of 20: 1 and a speed of 300 rpm to prepare BP-CNT complexes (BPC1 to BPC4). Details of the milling steps are shown in Table 1. 1A shows various steps in the synthesis of the BP-CNT complex.

지정 명칭Designated name 속도
(rpm)
speed
(rpm)
밀링시간
(h)
Milling time
(h)
BPRBPR BP:CNT
비율
BP: CNT
ratio
공기
노출
air
exposure
BP30BP30 450450 3030 40:140: 1 -- ×× BP60BP60 450450 6060 40:140: 1 -- ×× BPC1 (BP30 + CNT)BPC1 (BP30 + CNT) 300300 2020 20:120: 1 7:37: 3 BPC2 (BP30 + CNT)BPC2 (BP30 + CNT) 300300 5050 20:120: 1 7:37: 3 BPC3 (BP60 + CNT)BPC3 (BP60 + CNT) 300300 2020 20:120: 1 7:37: 3 BPC4 (BP60 + CNT)BPC4 (BP60 + CNT) 300300 5050 20:120: 1 7:37: 3 BPC5 (BP60 + CNT)
(대조 시험)
BPC5 (BP60 + CNT)
(Control test)
300300 5050 20:120: 1 7:37: 3 ××

(4) 대조 시험 샘플의 합성(4) Synthesis of Control Test Sample

대조 시험으로서, 최종 BP-CNT 균일 혼합물에 도달하기 위한 2번의 밀링 단계의 필요성을 확인하기 위해, 도 1B에 나타낸 바와 같이, 동일한 비율(7:3)로 혼합된 RP 및 CNT를 40:1의 BPR 및 450 rpm의 속도로 50시간까지 동안 한 단계로 밀링하였다. 소량의 분말을 특정 시간 간격에서 수집하여 밀링 과정을 모니터링하였다.As a control test, to identify the need for two milling steps to reach the final BP-CNT homogeneous mixture, RP and CNTs mixed in the same ratio (7: 3) were added at 40: 1, as shown in FIG. 1B. Milling in one step for up to 50 hours at BPR and a speed of 450 rpm. Small amounts of powder were collected at specific time intervals to monitor the milling process.

게다가, 구조적 특성 및 전기화학적 특성을 비교하기 위해, 제어된 공기 노출이 없는 하나의 추가 샘플을 설계하였다(표 1에서 BPC5). 이 목적을 위해, 표 1에서 나타낸 BPC4와 완전히 유사하게, BP60을 초고순도 Ar 가스 하에 조심스럽게 합성한 후, Ar 충전 글로브박스 내부에서 CNT와 혼합하였고, 50시간 동안 다시 볼-밀링하였다.In addition, one additional sample without controlled air exposure was designed to compare structural and electrochemical properties (BPC5 in Table 1). For this purpose, BP60 was carefully synthesized under ultrahigh-purity Ar gas, then mixed with CNTs inside an Ar filled glovebox and ball-milled again for 50 hours, similarly to BPC4 shown in Table 1.

(5) 특성 평가(5) evaluation of characteristics

고-해상도 분말 X-선 회절(XRD) 패턴은 구리 Kα 방사선(λ = 0.154059 nm)을 이용하여 Bragg-Brentano θ-2θ 기하구조에서 Rigaku 회절계(40 kV, 40 mA)에 수집하였다. 2θ 스텝(step) 크기는 0.01°이었고, 스텝 당 체류 시간은 5초이었다. XPS 스펙트럼은 Al Kα μ-포커스드 모노크로메이터(focused monochromator)(hν = 1486.6 eV)를 이용하여 K-알파 분광계(Thermo Scientific Inc., UK)에 기록하였다. 메인 C 1s 피크는 고-해상도 스캔을 위해 카본 블랙(284.6 eV)으로 교정하였다. 스펙트럼 피크는 Lorentzian 선형 및 Shirley 배경 분리를 이용하여 디콘볼루션 하였다(deconvoluted). Raman 스펙트럼은 거시적 구성으로 532 nm의 Ar 레이저 소스를 구비한 LabRam Aramis(Horiba Jobin Yvon) 기기에서 획득하였다. 고체 13C 및 31P MAS-NMR 스펙트럼은 4-mm 직경 고체 프로브 헤드 및 10 kHz에서 회전하는 ZrO2 로터를 구비한 Bruker Avance II 500 분광계(125.7 MHz)를 이용하여 기록하였다. 스펙트럼은 각 샘플의 질량에 의해 정규화하였다. CW EPR 스펙트럼은 액체 He 온도 제어 시스템(ER4112HV)을 이용하여 X 밴드에서 Bruker EMX 플러스 분광계에 기록하였다. 스펙트럼은 다음의 실험 파라미터로 수집하였고 각 샘플의 질량 당 정규화하였다: 9.64 GHz의 마이크로파 주파수, 1 mW의 마이크로파 파워, 1 G의 변조 진폭, 및 100 kHz의 변조 주파수. 실험을 4 K에서 수행하여 노이즈를 감소시켰다. TGA/DSC 1(Mettler Toledo) 분석기를 이용하여 TG 커브를 획득하였고, 샘플을 10 K/min의 일정한 가열 속도에서 50 mL/min의 공기 또는 Ar 유속에서 알루미나 팬에 두었다. FT-IR 분광법은 Spectra Tech Collector II 액세서리를 이용하여 확산 반사 모드에서 Bruker(Model Vertex 70) 분광계로 수행하였다. ToF-SIMS(ToF-SIMS 5 분광계, ION-TOF) 분석은 0.34 pA의 전류로 30 keV에서 작동하는 Bi3 2 + 빔을 이용하여 수행하였다. 양과 음의 스펙트럼은 500㎛×500㎛의 스캔 면적으로 m/z = 0-500의 범위에서 획득하였다. BET 표면적은 77 K에서 질소 흡착을 이용하여 Quantachrome® ASiQwin™(Autosorb-iQ 2ST/MP) 시스템에 의해 측정하였다. 볼-밀링된 샘플의 형태는 마이크로 구조를 반-정량적으로 조사하기 위해 에너지-분산형 X선 분광법(EDS)을 이용하여 전계 방출 주사 전자현미경(FESEM, JEOL-7800F)을 통해 평가하였다. TEM 분석은 EDS 및 EELS 분석과 결합하여, 200 kV의 가속 전압에서 작동하는 구면 수차 보정 주사 투과 전자현미경(Cs-corrected-STEM; JEM-ARM 200F, JEOL)으로 수행하였다. EELS 측정은 80-300 kV의 가속 전압을 이용하여 또 다른 FEI Titan™ HRTEM 시스템으로 수행하였다. 모든 고려된 대응물에서 sp2 결합(C=C 결합 분율)은 다음 식을 이용하여 탄소 K 에지-부근 구조의 STEM 모드에서 EELS 분석으로 획득하였다.High-resolution powder X-ray diffraction (XRD) patterns were collected on a Rigaku diffractometer (40 kV, 40 mA) in Bragg-Brentano θ-2θ geometry using copper Kα radiation (λ = 0.154059 nm). The 2θ step size was 0.01 ° and the residence time per step was 5 seconds. XPS spectra were recorded on a K-alpha spectrometer (Thermo Scientific Inc., UK) using an Al Kα μ-focused monochromator (hν = 1486.6 eV). Main C 1s peaks were corrected with carbon black (284.6 eV) for high-resolution scans. Spectral peaks were deconvoluted using Lorentzian linear and Shirley background separation. Raman spectra were acquired on a LabRam Aramis (Horiba Jobin Yvon) instrument with an Ar laser source of 532 nm in a macroscopic configuration. Solid 13 C and 31 P MAS-NMR spectra were recorded using a Bruker Avance II 500 spectrometer (125.7 MHz) with a 4-mm diameter solid probe head and a ZrO 2 rotor rotating at 10 kHz. Spectra were normalized by the mass of each sample. CW EPR spectra were recorded on a Bruker EMX plus spectrometer in the X band using a liquid He temperature control system (ER4112HV). Spectra were collected with the following experimental parameters and normalized per mass of each sample: microwave frequency of 9.64 GHz, microwave power of 1 mW, modulation amplitude of 1 G, and modulation frequency of 100 kHz. Experiments were performed at 4 K to reduce noise. TG curves were acquired using a TGA / DSC 1 (Mettler Toledo) analyzer and samples were placed in an alumina pan at 50 mL / min air or Ar flow at a constant heating rate of 10 K / min. FT-IR spectroscopy was performed with a Bruker (Model Vertex 70) spectrometer in diffuse reflection mode using the Spectra Tech Collector II accessory. ToF-SIMS (ToF-SIMS 5 spectrometer, ION-TOF) analysis was performed using a Bi 3 + 2 beam operating at 30 keV with a current of 0.34 pA. Positive and negative spectra were obtained in the range of m / z = 0-500 with a scan area of 500 μm × 500 μm. BET surface area was measured by Quantachrome® ASiQwin ™ (Autosorb-iQ 2ST / MP) system using nitrogen adsorption at 77 K. The morphology of the ball-milled samples was evaluated by field emission scanning electron microscopy (FESEM, JEOL-7800F) using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) to semi-quantitatively examine the microstructures. TEM analysis was performed with a spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope (Cs-corrected-STEM; JEM-ARM 200F, JEOL) operating at an acceleration voltage of 200 kV in combination with EDS and EELS analysis. EELS measurements were performed with another FEI Titan ™ HRTEM system using an acceleration voltage of 80-300 kV. Sp 2 bonds (C = C bond fraction) in all considered counterparts were obtained by EELS analysis in the STEM mode of the carbon K edge-near structure using the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112017107919290-pat00001
Figure 112017107919290-pat00001

여기서, Iu 및 Ig는 각각 복합체 및 흑연의 적분 피크 강도이다.Where I u and I g are the integrated peak intensities of the composite and graphite, respectively.

밀링 시 BP 결정상의 정량 평가를 위해, XRD 프로파일로부터 Vf 값을 계산하였다. 이를 위해, 무정형 및 결정성 피크의 적분 면적을 피크-피팅 소프트웨어로 조심스럽게 분리하였고, BP 나노결정의 Vf는 다음과 같이 대략적으로 평가하였다.For quantitative evaluation of the BP crystal phase at milling, the V f value was calculated from the XRD profile. To this end, the integrated areas of amorphous and crystalline peaks were carefully separated by peak-fitting software, and the V f of BP nanocrystals was estimated approximately as follows.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112017107919290-pat00002
Figure 112017107919290-pat00002

여기서, Ac 및 Aa는 각각 결정성 BP 및 무정형 RP 상의 전체 적분 면적이다. 고려된 2θ 범위는 XRD에서 RP의 3개 주요 무정형 영역을 완전히 커버하고 대응 BP 피크와 비교하도록 3개의 구별되는 영역(10-20°, 21-44°, 및 44-75°)으로 구분된, 10-75도이었다. 예를 들어, RP (013) 및 BP (020) 피크는 5-60시간 동안 볼-밀링된 샘플에 대해 제1범위(10-20°)로 고려되었다. 제2범위에서, RP (318)은 4개의 BP 피크, 즉 (021), (111), (002), 및 (131)과 비교하였다. 각 볼-밀링된 샘플을 조심스럽게 분석하였고, XRD 피크의 정확한 위치는 서로 좋게 일치하는 것으로 밝혀진 Lorentzian 및 Gaussian 커브 피팅으로 결정하였다. 그러나, Lorentzian 커브 피팅으로부터 얻은 값만을 고려하였다. 이것은 Lorentzian 함수의 오차로부터 결정된 Vf 값이 Gaussian 함수보다 낮은 불확실성을 가졌기 때문이다. 에러 바는 도 2c에도 나타나 있다. 거의 동일한 결과와의 적절한 비교를 TEM 이미지로 수행하여 두 무정형 및 결정성 상을 구별할 수 있었다.Where A c and A a are the total integral areas of the crystalline BP and amorphous RP phases, respectively. The 2θ range considered is divided into three distinct regions (10-20 °, 21-44 °, and 44-75 °) to fully cover the three major amorphous regions of RP in the XRD and compare them with the corresponding BP peaks. It was 10-75 degrees. For example, the RP 013 and BP 020 peaks were considered in the first range (10-20 °) for the ball-milled samples for 5-60 hours. In the second range, RP 318 was compared to four BP peaks, namely (021), (111), (002), and (131). Each ball-milled sample was carefully analyzed and the exact location of the XRD peak was determined by Lorentzian and Gaussian curve fitting found to be in good agreement with each other. However, only the values obtained from Lorentzian curve fitting are considered. This is because the V f value determined from the error of the Lorentzian function has lower uncertainty than the Gaussian function. Error bars are also shown in FIG. 2C. Appropriate comparisons with nearly identical results can be performed with TEM images to distinguish between the two amorphous and crystalline phases.

(6) 전기화학 시험(6) electrochemical test

전기화학적 측정을 위해, CR2032 코인-타입 반쪽 전지를 아르곤-충전 글로브박스 내부에서 상대 전극으로서 Li 또는 Na 금속을 이용하여 조립하였다. 전극 혼합물은 활성 재료(BPC1 내지 BPC5) 중 하나, 도전제로서 카본 블랙, 및 바인더를 70:15:15의 중량 비율로 함유하였다. 이성분 가교 바인더는 1:1 비율의 PAA(3 wt.%) 및 NaCMC(1 wt.%)로 제조하였다. 이후, 혼합물을 구리 호일 상에 10 ㎛의 두께로 닥터-블레이딩 하였다(doctor-bladed). 또한, 대조 실험을 베어(bare) PAA, NaCMC, 및 PVDF 바인더를 이용하여 수행함으로써 LIB의 전극 재료의 성능을 비교하였다. 제조된 전극을 150℃에서 2시간 동안 진공 건조하였다. 전극 상에 슬러리 로딩은 1.45-1.65 mg이었다. 전해질은 LIB 시험의 경우 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC, 10 vol.%)를 함유하는 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트(EC:DMC:DEC = 2:2:1 부피비)의 혼합물 중 1 M LiPF6 이었고; NIB 실험의 경우 10 vol.% FEC 더하기 EC:DEC(1:1 부피비)의 혼합물 중 1 M NaClO4이었다. Galvanostatic 방전/충전 시험, CV, 및 EIS는 Princeton Applied Research VMP2 potentiostat/galvanostat을 이용하여 수행하였다. 충전/방전 시험은 0.01-2.0 V의 범위에서 Li/Li+ 또는 Na/Na+로 수행하였다. CV 시험은 0-2 V의 범위 내에서 0.1 mV/s의 스캔 속도로 수행하였다. EIS는 1 Hz 및 105 Hz 사이에서 5 mV의 섭동 전압을 인가함으로써 수행하였다.For electrochemical measurements, CR2032 coin-type half cells were assembled using Li or Na metal as counter electrode inside the argon-filled glovebox. The electrode mixture contained one of the active materials (BPC1 to BPC5), carbon black as the conductive agent, and a binder in a weight ratio of 70:15:15. Binary crosslinked binders were prepared in a 1: 1 ratio of PAA (3 wt.%) And NaCMC (1 wt.%). The mixture was then doctor-bladed on a copper foil to a thickness of 10 μm. In addition, control experiments were performed using bare PAA, NaCMC, and PVDF binders to compare the performance of the electrode materials of the LIB. The prepared electrode was vacuum dried at 150 ° C. for 2 hours. Slurry loading on the electrode was 1.45-1.65 mg. The electrolyte was 1 M in a mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate (EC: DMC: DEC = 2: 2: 1 volume ratio) containing fluoroethylene carbonate (FEC, 10 vol.%) For the LIB test. LiPF 6 ; For NIB experiments it was 1 M NaClO 4 in a mixture of 10 vol.% FEC plus EC: DEC (1: 1 volume ratio). Galvanostatic discharge / charge tests, CV, and EIS were performed using Princeton Applied Research VMP2 potentiostat / galvanostat. Charge / discharge tests were performed with Li / Li + or Na / Na + in the range of 0.01-2.0 V. The CV test was performed at a scan rate of 0.1 mV / s in the range of 0-2 V. EIS was performed by applying a perturbation voltage of 5 mV between 1 Hz and 10 5 Hz.

2. 결과 및 토의2. Results and discussion

(1) 합성 중 구조 변화(1) structural change during synthesis

도 1에 나타낸 바와 같이, BP는 30시간 및 60시간(각각 BP30 및 BP60으로 지정함) 동안 450 rpm에서 기계적으로 볼-밀링함으로써, 상업적 RP를 이용하여 합성하였다. XRD 패턴 및 TEM 이미지로 증명되듯이, 볼 밀링 중에, 광범위한 기계적 변형은 무정형 RP에서 BP 나노결정으로 전환시키는데 충분한 에너지를 제공하였다. 다음 단계에서, 표 1에 나타낸 바와 같이, 볼-밀링된 BP 및 MWCNT을 7:3의 중량 비율로 혼합하였고, 20시간 및 50시간 동안 300 rpm에서 밀링하였다(도 2a). 이 2개-단계 합성 전략이 최종 BP-CNT 복합체를 생성하는데 필요함을 지적할 가치가 있다(도 1A). RP 및 CNT의 혼합물의 직접 볼 밀링은 50시간의 장시간 동안에도(도 1B), 도 2b의 XRD 패턴에 의해 증명되듯이 RP-CNT 복합체를 형성하였다. RP-탄소(RPC) 복합체의 피크는 출발 재료(RP 및 CNT)와 비교할 때 밀링 이후 급격히 넓어졌다. 이것은 RP의 중간-범위 규칙 구조의 소멸 및 CNT의 첨가에 의한 매우 무규칙적인 무정형 구조로의 전환에 기인한다. 이 흥미로운 발견은 다른 BP계 탄소 복합체에 쉽게 확장될 수 있는데, 그 이유는 모든 이전 연구에서 하나의 단계로 볼-밀링된 RP 및 탄소 재료는 결국 RP계 복합체만을 형성할 수 있었기 때문이다. 탄소 재료는 무정형 RP → 결정성 BP 전이의 진행을 저해하는 것으로 믿어지는데, 그 이유는 이들이 볼 밀링 시에 밀링 공구로부터 전달된 에너지를 흡수할 가능성이 매우 높고, 따라서 RP에게서 이 전환에 대한 장벽을 극복할 에너지를 빼앗기 때문이다. 그러나, XRD 및 TEM 분석을 통해 증명되듯이, 베어(bare) BP는 본 발명에서 10시간 미만에서 쉽게 합성할 수 있었다. XRD 데이터는 60시간까지의 밀링 시간의 함수로서 결정성 BP(Vf)의 함량을 결정하는데 사용되었다(도 2c). 밀링 5시간 후에 결정성 BP의 함량은 단지 12±8%이었지만, 이 백분율은 60시간 후에 약 94±5%까지 증가하였다. 31P 고체 매직 앵글 스피닝 핵 자기 공명(ssMAS-NMR) 분광법은 XRD 및 TEM 결과를 입증하는데 사용되었다. 도 2c의 삽입도면은 15 ppm에서 순수 BP에 대한 날카롭고 좁은 NMR 피크를 나타내는데, 이것은 이전 보고와 일치한다. 합성된 샘플에 대해 부가적인 특성 평가를 또한 수행하였고, 구조적 변화를 논의하였다.As shown in FIG. 1, BP was synthesized using commercial RP by mechanical ball-milling at 450 rpm for 30 and 60 hours (designated BP30 and BP60, respectively). As demonstrated by the XRD pattern and TEM image, during ball milling, extensive mechanical deformation provided sufficient energy to convert from amorphous RP to BP nanocrystals. In the next step, as shown in Table 1, the ball-milled BP and MWCNTs were mixed at a weight ratio of 7: 3 and milled at 300 rpm for 20 and 50 hours (FIG. 2A). It is worth pointing out that this two-step synthesis strategy is needed to generate the final BP-CNT complex (FIG. 1A). Direct ball milling of a mixture of RP and CNTs resulted in RP-CNT composites as evidenced by the XRD pattern of FIG. 2B even for a long time of 50 hours (FIG. 1B). The peak of the RP-carbon (RPC) composite rapidly widened after milling as compared to the starting materials (RP and CNT). This is due to the disappearance of the mid-range rule structure of the RP and the conversion to a very irregular amorphous structure by the addition of CNTs. This interesting finding can easily be extended to other BP-based carbon composites because, in all previous studies, ball-milled RP and carbon materials in one step could only form RP-based composites. Carbon materials are believed to inhibit the progression of amorphous RP to crystalline BP transitions, because they are very likely to absorb the energy transferred from the milling tool during ball milling, thus creating a barrier to this transition in RP. It takes away energy to overcome. However, as demonstrated by XRD and TEM analysis, bare BP could be easily synthesized in less than 10 hours in the present invention. XRD data were used to determine the content of crystalline BP (V f ) as a function of milling time up to 60 hours (FIG. 2C). After 5 hours of milling the content of crystalline BP was only 12 ± 8%, but this percentage increased to about 94 ± 5% after 60 hours. 31 P solid magic angle spinning nuclear magnetic resonance (ssMAS-NMR) spectroscopy was used to verify the XRD and TEM results. The inset of FIG. 2C shows a sharp narrow NMR peak for pure BP at 15 ppm, which is consistent with previous reports. Additional characterizations were also performed on the synthesized samples and structural changes were discussed.

최근 실험 연구뿐만 아니라 이론적 계산이 증명하듯이, 산소는 주위 조건에서 단일- 또는 수 개-층상 포스포렌(phosphorene)을 자발적으로 해리시킬 수 있다. 이 발열성 표면 산화는 벌크 BP 분말에서도 더 적은 정도로 일어나고, 공기 노출의 첫 번째 몇 시간 동안 기하급수적으로 증가한다. 산소 및 BP 사이의 이러한 반응성은 후자의 sp3 결합 특성에 기인하고, 모든 BP 원자에 홀 전자 쌍을 제공한다. 주요 반응 생성물은 오산화인(P4O10 또는 단순히 P2O5)인 것으로 확인되었고, BP의 최상층에 주로 존재한다. 이전에 보고되었듯이, 프리스틴(pristine) BP는 자연적으로 소수성이고, 따라서 H2O와 거의 반응하지 않는다. 그러나, 부분적 표면 산화는 H2O의 흡착 에너지를 효과적으로 향상시킴으로써 표면을 점점 더 친수성으로 만든다. 벌크 BP 분말의 온화한 표면 산화가 친수성을 만들 수 있음을 가정하고, BP에 제어된 공기 노출을 의도적으로 적용하여 보호적 산화층을 성공적으로 만들었고, 이는 다른 전극 성분(즉, CNT 및 2개의 바인더)과 화학적 상호작용을 형성하는데 도움을 줄 수 있었다. 공기 처리의 주요 생성물은 친수성이고 결함 있는 표면층 그리고 2개-빈격자점(di-vacancy point) 결함 및 흡착된 산소 원자와 같은 다양한 형태의 불완정성을 갖는 BP이다. 공기 노출의 최적 지속시간이 여기서 중요한데, 그 이유는 다양한 인 산화물이 발열 반응을 통해 H2O와 자발적으로 반응하기 때문이다. 또한, P2O5 및 자유수(free water) 사이의 적은 부반응이 가능한데, 이것은 밀링 바이엘에 존재하여 인산(H3PO4)을 형성할 수 있고, 쉽게 활성화제로서 역할을 하여 CNT 벽을 표면적으로 기능화시킬 수 있었다. 따라서, 본 발명에서는 BP 및 CNT 성분을 공기 중에 30-45분 동안 혼합하였고(표 1, BPC1-BPC4), 이는 안정된 산화된 표면층 및 친수성 BP를 얻는데 충분한 것으로 실험적으로 밝혀진 지속시간이다. 얻어진 공기-노출된 BP60은 (1) 주어진 지속시간 이후 후속 볼 밀링 중에 CNT에, 및 (2) 2개의 구별되는 메커니즘, 즉 P-O-C 화학 결합 형성 및 탈수 반응을 통해 바인더에 강하게 결합하였다. 비교를 위해, 성분들 사이의 강한 결합을 만들어서 공기 노출 단계의 중요한 효과를 분명하게 강조하는 또 다른 실험을 또한 수행하였는데, 이는 표 1의 BPC5로 지정된다. 여기서, 다양한 특성 평가 기술을 이용함으로써, 모든 전극 성분들 사이의 2개의 상술한 메커니즘을 상세하게 조사하였다. LIB 및 NIB 적용을 위한 전기화학 측정은 이후 제시될 것이다.As theoretical calculations as well as recent experimental studies have demonstrated, oxygen can spontaneously dissociate single- or several-layered phosphorene at ambient conditions. This exothermic surface oxidation occurs to a lesser extent even in bulk BP powders and increases exponentially during the first few hours of air exposure. This reactivity between oxygen and BP is due to the latter sp 3 binding properties and gives hole electron pairs to all BP atoms. The main reaction product was found to be phosphorus pentoxide (P 4 O 10 or simply P 2 O 5 ) and is mainly present in the top layer of BP. As previously reported, pristine BP is naturally hydrophobic and therefore rarely reacts with H 2 O. However, partial surface oxidation makes the surface more and more hydrophilic by effectively improving the adsorption energy of H 2 O. Assuming that mild surface oxidation of the bulk BP powder can make it hydrophilic, by intentionally applying controlled air exposure to the BP, the protective oxide layer was successfully created, which is different from other electrode components (i.e. CNT and two binders). It could help form chemical interactions. The main products of the air treatment are BP with hydrophilic and defective surface layers and various forms of imperfections such as di-vacancy point defects and adsorbed oxygen atoms. The optimal duration of air exposure is important here because the various phosphorus oxides react spontaneously with H 2 O through exothermic reactions. In addition, small side reactions between P 2 O 5 and free water are possible, which can be present in the milling bayer to form phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and easily act as an activator to surface the CNT walls. Could be functionalized with Thus, in the present invention, the BP and CNT components were mixed in air for 30-45 minutes (Table 1, BPC1-BPC4), which is a duration experimentally found to be sufficient to obtain a stable oxidized surface layer and hydrophilic BP. The resulting air-exposed BP60 bound strongly to the binder (1) during subsequent ball milling after a given duration, and (2) through two distinct mechanisms: POC chemical bond formation and dehydration reaction. For comparison, another experiment was also conducted, which made a strong bond between the components to clearly highlight the important effects of the air exposure step, designated BPC5 in Table 1. Here, by using various characterization techniques, the two aforementioned mechanisms between all electrode components were investigated in detail. Electrochemical measurements for LIB and NIB applications will be presented later.

(2) 합성 중에 안정된 결합의 증명(2) Demonstration of Stable Bonding During Synthesis

첫째, 서로 다른 밀링 시간에 따른 CNT에서의 변화를 평가하였다. 많은 연구자들은 밀링 공정 중에 CNT의 프랙처링(fracturing) 및 쇼트닝을 보고하였다. CNT는 일반적으로 몇 개의 킹크(kink) 및 접합으로 매우 곡선화되어 있다. 고-에너지 볼 밀링은 sp2-타입 탄소를 약화시키고 빈격자점, 흡착원자(adatom), 에지 및 틈새(interstitial)와 같은 다양한 형태의 무질서를 형성함으로써, 구조적 무결성에 손상을 준다. 이들 구조적 불완전성은 원-위치(in-situ) 계면 반응에 호의적이다. 따라서, 적절한 밀링 시간은 (짧아진 CNT의 벽 및 말단부에서 다양한 기능기 및 sp3-타입 결함 있는 탄소와 같이) 접근 가능한 활성 사이트를 향상시키고, 인터-튜브(inter-tube) 탈수를 통해 CNT들 사이 그리고 CNT와 다른 성분들 사이의 안정된 가교 결합을 생성한다. 고-해상도 TEM 이미지가 증명하듯이, CNT 구조는 손상됨으로써, 오픈 팁(open tip) 및 측벽 결함을 나타내어 높은 반응성 및 확산성을 제공한다. d-값은 거의 동일하게 그대로이었는데, 이것은 흑연화가 밀링에 의해 약간만 영향을 받았고, 구조 변화는 국부적임을 확인시켜준다. 또한, H3PO4는 물 및 P2O5의 반응으로부터 형성될 수 있었고, 이에 따라 CNT 벽의 표면을 부분적으로 활성화시키고 또한 산소 기능성을 향상시켰다.First, the change in CNTs with different milling times was evaluated. Many researchers have reported fracturing and shortening of CNTs during the milling process. CNTs are generally very curved with several kinks and junctions. High-energy ball milling damages the structural integrity by weakening sp 2 -type carbon and forming various types of disorders such as lattice points, adsorption atoms, edges, and interstitial. These structural imperfections are favorable for in-situ interfacial reactions. Thus, proper milling time improves accessible active sites (such as various functional groups and sp 3 -type defective carbon in the walls and ends of shortened CNTs), and CNTs through inter-tube dehydration. Creates stable crosslinks between and between CNTs and other components. As the high-resolution TEM image demonstrates, the CNT structure is damaged, exhibiting open tip and sidewall defects, providing high reactivity and diffusion. The d-values remained almost the same, which confirms that graphitization was only slightly affected by milling, and the structural change was local. In addition, H 3 PO 4 could be formed from the reaction of water and P 2 O 5 , thereby partially activating the surface of the CNT wall and also improving oxygen functionality.

짧고 긴 밀링 시간(각각 20 및 50시간)을 이용한 5개의 샘플(BPC1-BPC5)에서의 CNT의 기능화는 Raman 및 전자 에너지 손실 분광법(EELS) 측정에 의해 증명되었다. 도 3a는 D 밴드 대 G 밴드(ID/IG 비율)의 상대적 적분 강도, G 밴드의 포논(phonon) 주파수(둘 다 Raman 스펙트럼으로부터 추출됨), 뿐만 아니라 프리스틴 CNT 및 5개의 밀링된 복합체의 sp2-혼성화 탄소의 함량(탄소 K 에지-부근 구조의 EELS 분석으로부터 유도됨)을 비교하여 CNT에서의 구조 변화에 대한 정보를 제공한다. 프리스틴 CNT에서 높은 ID/IG 비율 및 불-완전하게 통합된 sp2 네트워크는 CNT 네트워크에서 구조적 불완전성의 존재를 나타낸다. CNT가 20시간 동안만 밀링되었을 경우, ID/IG 비율은 BPC1 및 BPC3(표 1)에서 현저한 변화를 나타내지 못했다. 다른 한편, 50시간의 볼 밀링은 이 값을 BPC1에서의 1.31±0.06으로부터, 각각 BPC2에서의 1.43±0.12, 그리고 BPC4 및 BPC5에서의 약 1.46±0.12 및 1.45±0.10으로 증가시켰다. 따라서, 현저한 구조적 결함이 볼-밀링된 CNT에 존재하였다. G-밴드 주파수도 동일한 경향을 나타냈는데, 프리스틴 CNT(1590.51±10 cm-1)와 비교하여 BPC4에서 17.03±10 cm-1의 최대 블루 시프트(blue shift)를 나타냈고, 반면에 이 시프트는 BPC1 및 BPC3에서 무시할만하였다. 이 블루 시프트는 긴 밀링 시간으로 인해 3개의 BPC2, BPC4 및 BPC5 샘플에서 증가된 압축 변형을 나타냄으로써, CNT 구조 상에 몇 가지 형태의 불완정성의 존재를 확인시켰다. 결함은 또한 밀링 후에 sp2-타입 탄소의 백분율 감소로부터 증명되었고, BPC4 및 BPC5의 경우 최저 값에 도달하였다(각각 56±3% 및 56±2%). 카르복실 및 히드록실 기는 CNT 상에 가장 흔한 기능기이고, 이들은 전극에서 CNT와 친수성 BP 및 바인더의 효과적인 가교 결합의 원인이다.Functionalization of CNTs in five samples (BPC1-BPC5) using short and long milling times (20 and 50 hours, respectively) was demonstrated by Raman and electron energy loss spectroscopy (EELS) measurements. 3A shows the relative integral intensity of the D band to G band (I D / I G ratio), the phonon frequency of the G band (both extracted from Raman spectra), as well as the Pristine CNT and the five milled composites. The content of sp 2 -hybridized carbon (derived from the EELS analysis of the carbon K edge-near structure) is compared to provide information on the structural change in the CNTs. High I D / I G ratio and incompletely integrated SP 2 in pristine CNTs The network indicates the presence of structural imperfections in the CNT network. When the CNTs were milled for only 20 hours, the I D / I G ratio did not show a significant change in BPC1 and BPC3 (Table 1). On the other hand, 50 hours of ball milling increased this value from 1.31 ± 0.06 in BPC1, to 1.43 ± 0.12 in BPC2 and about 1.46 ± 0.12 and 1.45 ± 0.10 in BPC4 and BPC5, respectively. Thus, significant structural defects were present in the ball-milled CNTs. The G-band frequency also showed the same trend, showing a maximum blue shift of 17.03 ± 10 cm −1 in BPC4 compared to Pristine CNT (1590.51 ± 10 cm −1 ), while this shift was BPC1 And negligible in BPC3. This blue shift exhibited increased compressive strain in three BPC2, BPC4 and BPC5 samples due to the long milling time, confirming the presence of some form of incompleteness on the CNT structure. Defects were also demonstrated from the percentage reduction of sp 2 -type carbon after milling and reached the lowest values for BPC4 and BPC5 (56 ± 3% and 56 ± 2%, respectively). Carboxyl and hydroxyl groups are the most common functional groups on CNTs, which are responsible for the effective crosslinking of CNTs with hydrophilic BPs and binders at the electrodes.

전자 상자성 공명(EPR) 분석을 또한 수행하여 샘플의 산소 기능성 및 불완전성을 추가로 비교하였다. 도 3b는 각 BPC1 및 BPC4의 질량 당 정규화된 EPR 스펙트럼을 나타낸다. 탄소 라디칼의 EPR 스펙트럼은 통상적으로 단일의 광범위한 공명이다. BPC4의 스펙트럼은 거의 유사한 선폭(200 G 대 180 G)을 가졌지만, BPC1보다 높은 강도를 가졌고, 이는 CNT 구조에서 비-균일하게 분포된 더 많은 라디칼 및 단글링(dangling) 결합의 존재를 암시한다. 이것은 BPC4에서 짧아진 CNT의 벽 또는 말단부에 풍부한 산소기 또는 결함을 명확하게 증명한다.Electron paramagnetic resonance (EPR) analysis was also performed to further compare the oxygen functionality and imperfections of the sample. 3B shows normalized EPR spectra per mass of each BPC1 and BPC4. The EPR spectrum of carbon radicals is typically a single broad resonance. The spectrum of BPC4 had a nearly similar linewidth (200 G vs. 180 G), but with higher intensity than BPC1, suggesting the presence of more radical and dangling bonds that are non-uniformly distributed in the CNT structure. . This clearly demonstrates abundant oxygen groups or defects in the wall or end of the shortened CNTs in BPC4.

또한, EELS 분석은 BP의 표면 산화에 미치는 제어된 공기 노출의 영향을 정확히 찾아내는데 사용되었다. 도 3c는 BP60, BPC4 및 BPC5 샘플에 대한 결과를 나타낸다. P L2,3 에지로 인해 공기 노출 전에 BP60에서 오직 하나의 특징적인 철손(core-loss) 피크가 131.7 eV에서 관측되었고, 반면에 BPC4는 P2O5에 해당하는 137.6 eV에서의 하나의 추가적인 신호를 가졌는데, 이는 공기-노출된 BP 나노결정 상에 표면 산소의 존재를 나타낸다. 예상한대로, BPC5도 P L2,3 에지에 기인하는 131.8 eV에서의 하나의 피크만을 나타냈는데, 그 이유는 이 샘플에 공기 노출이 없었기 때문이다. 이후, 최종 BPC5 복합체는 무시할만한 표면 산화된 BP를 가졌다. 이것은 BPC4에서 약 541 eV에서 산소 K (O-K)-쉘 여기 에지의 존재로부터 다시 증명되었고, 반면에 BP60 및 BPC5에서는 없었다(도 3c의 삽입도면).In addition, EELS analysis was used to pinpoint the effect of controlled air exposure on the surface oxidation of BP. 3C shows the results for BP60, BPC4 and BPC5 samples. Only one characteristic core-loss peak was observed at 131.7 eV at BP60 before air exposure due to the PL 2,3 edge, while BPC4 had one additional signal at 137.6 eV, corresponding to P 2 O 5 . , Which indicates the presence of surface oxygen on air-exposed BP nanocrystals. As expected, BPC5 also showed only one peak at 131.8 eV due to the PL 2,3 edge, because there was no air exposure to this sample. The final BPC5 complex then had negligible surface oxidized BP. This was again demonstrated from the presence of the oxygen K (OK) -shell excitation edge at about 541 eV in BPC4, while not in BP60 and BPC5 (inset of FIG. 3C).

X-선 광전자 분광법(XPS)은 공기 노출 중에 산화 변화를 비교하는데 또한 사용되었다. BP60(공기 노출 전), BPC4 및 BPC5의 고-해상도 P 2p 스펙트럼에서 나타난 바와 같이, 모두 2개의 강한 피크, 즉 130.6 eV에서의 2p1 /2 및 129.8 eV에서의 2p3/2를 나타냈다. P는 오직 하나의 산화 상태(P5+, 134.6 eV)만을 갖는 것으로 밝혀졌는데, 이것은 산화 생성물이 주로 P2O5임을 다시 한번 확인시켜 주었고, P2O5는 BP60 및 BPC5에서는 무시할만하였지만, BPC4 복합체에서는 현저하였다. BPC5와 비교하여 BPC4의 최종 밀링 생성물에서 P2O5 함량의 현저한 증가는 기능화된 CNT 및 바인더에 -OH 기능기를 흡착시키는 친수성 성질을 강하게 암시한다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) has also been used to compare oxidation changes during air exposure. BP60 (before air exposure), and the BPC4 and BPC5 - resolution P 2p showed, all the two strongest peaks, i.e. 2p 3/2 of the 2p 1/2 and 129.8 eV at 130.6 eV, as shown in the spectrum. In P it is been found that with only one oxidation state (P 5+, 134.6 eV) only, which dropped to confirm that the oxidation product mainly P 2 O 5 once again, P 2 O 5 is BP60 and BPC5 but negligible, It was remarkable in the BPC4 complex. A significant increase in P 2 O 5 content in the final milled product of BPC4 compared to BPC5 strongly suggests the hydrophilic nature of adsorbing —OH functional groups to functionalized CNTs and binders.

BP, CNT, 그리고 두 BPC4 및 BPC5 복합체의 화학적 상태는 Fourier 변환 적외선(FT-IR) 분광법으로 평가하였다. 도 3d에 나타낸 바와 같이, 프리스틴 CNT는 히드록실 및 카르복실 기에서의 O-H 결합으로 인해, 약 3200-3700 cm-1에서 상대적으로 강한 밴드를 나타냈고, 또한 각각 1574 및 1640 cm-1에서 C=C 및 -C=O 신축 진동을 나타냈다. BP60(공기 노출 전)에서 약 920 cm-1에서의 아주 작은 P-O 피크는 이 샘플에서 매우 적은 산소 함량을 다시 증명하였고, 또한 작은 -OH 피크를 약 3420 cm-1에서 볼 수 있었다. 이에 반해, 이 샘플은 공기 노출 후에 큰 -OH 피크를 나타냈고, 920 cm-1에서의 P-O 피크는 더 강해졌으며, 1182 cm-1에서 나타난 또 다른 피크는 P=O 결합에 해당하였다(주로 P2O5 그리고 부분적으로 H3PO4에 기인함). 그 결과, BPC4는 900-1300 cm-1 범위에서 3개의 구별되는 피크를 가졌는데, 이것은 BP의 소수성 성질을 변화시키는 제어된 공기 노출의 역할을 강조한다. 약 1002 cm-1에 중심이 있는 새로운 깨끗한 피크는 P-O-C 신축에 기인하였다. 1640 cm-1에서의 카르복실산의 -C=O 신축 진동은 프리스틴 CNT와 비교하여 -COO 기를 형성하는 탈수 반응을 통해 감소하였고, 이것은 친수성 BP에 의한 -OH 기능기의 흡착이 개질된 BP 및 CNT 사이의 강한 가교 결합을 형성함을 강하게 암시하였다. 더욱 중요하게는, 약 3420 cm-1에서의 -OH 피크의 현저한 감소는 BP 및 CNT 성분 사이의 안정된 가교 결합의 존재에 대한 주요하고 확실한 증거이다. 그러나, 이 피크는 BPC5에서 완전히 볼 수 있는데, 이것은 기능화된 CNT에 연결되려고 하지 않는 BP 때문에 무시할만한 또는 불충분한 에스터화 반응을 나타낸다.The chemical states of BP, CNT, and the two BPC4 and BPC5 complexes were evaluated by Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy. As shown in FIG. 3D, Pristine CNTs exhibited relatively strong bands at about 3200-3700 cm −1 due to OH bonds at the hydroxyl and carboxyl groups, and C = at 1574 and 1640 cm −1 , respectively. C and -C = O stretching vibrations were shown. Very small PO peaks at about 920 cm −1 at BP60 (before air exposure) again demonstrated very low oxygen content in this sample, and also a small —OH peak could be seen at about 3420 cm −1 . In contrast, this sample showed a large -OH peak after air exposure, the PO peak at 920 cm -1 became stronger, and another peak at 1182 cm -1 corresponds to a P = O bond (mainly P 2 O 5 and partly due to H 3 PO 4 ). As a result, BPC4 had three distinct peaks in the 900-1300 cm −1 range, highlighting the role of controlled air exposure in changing the hydrophobic nature of BP. The new clear peak centered at about 1002 cm −1 was due to POC stretching. The -C = O stretching vibration of the carboxylic acid at 1640 cm -1 was reduced through the dehydration reaction to form -COO groups compared to the Pristine CNT, which was modified by BP and modified adsorption of -OH functional groups by hydrophilic BP and Strong suggestion is to form strong crosslinks between CNTs. More importantly, a significant reduction in the -OH peak at about 3420 cm -1 is the main and convincing evidence for the presence of stable crosslinks between the BP and CNT components. However, this peak can be seen completely in BPC5, which indicates a negligible or insufficient esterification reaction due to BP not trying to link to the functionalized CNTs.

비행시간 2차 이온 질량 분석법(ToF-SIMS)은 제어된 공기 노출 후에 볼-밀링된 BP의 소수성 성질 및 이의 친수성을 나타내는데 이용되었다(도 3e). 결과가 명백하게 나타내듯이, 제한된 산소 흡착은 표면을 친수성으로 만들었고, 이것은 이전의 실험 및 계산과 완전히 일치한다. 공기 노출 후에 O-, OH-, PO-, PO2 - 및 PO3 - 이온의 명백히 높은 강도의 존재는 BP의 상부 표면이 부분적으로 산화되어 다른 성분들로부터 -OH 기능기를 쉽게 흡착할 수 있음을 확인시켜 준다. BPC5에서 강한 OH- 피크의 관측은 제2단계 볼 밀링 중에 부적절한 에스터화 반응을 확인시켜 주는데, 이것은 BPC4에서는 완전히 없었다. 도 3f는 언급된 샘플들에서 두 PO- 및 CPO- 피크를 비교한 것이다. 삽입도면은 BPC4에서 P-O-C 화학 결합에 대한 또 다른 증거를 제공하는데, 이 피크는 BPC5에서 현저하지 않아서 XPS 및 FT-IR 결과와 일치하였다.Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) was used to show the hydrophobic nature and hydrophilicity of the ball-milled BP after controlled air exposure (FIG. 3E). As the results clearly show, limited oxygen adsorption made the surface hydrophilic, which is in full agreement with previous experiments and calculations. Obvious that the presence of high ionic strength of the upper surface of the BP is partly oxidized to be readily adsorbed an -OH functionality from the other components-after air exposure O -, OH -, PO - , PO 2 - and PO 3 Confirm. Observation of strong OH peaks in BPC5 confirmed the inadequate esterification reaction during the second stage ball milling, which was not completely present in BPC4. 3f compares the two PO and CPO peaks in the samples mentioned. Insets provide further evidence for POC chemical bonds in BPC4, which peaks were not significant in BPC5, consistent with XPS and FT-IR results.

또한, 13C MAS-NMR 분석을 수행하여 약 190 ppm에 중심이 있는 -COOH 기에서의 변화를 조사하였다. BPC1 및 BPC4의 비교는 후자에서 피크 면적의 감소를 명확하게 나타내는데, 이것은 더 긴 밀링 시간 후에 BP에 의한 -OH 기의 더 효과적인 흡착을 다시 증명한다. 게다가, BPC1에서 약 119.1 ppm에 중심이 있는 C=C 피크는 BPC4에서 122.5 ppm으로 시프트 되었는데, 이것은 밀링 중에 길고 심한 기계적 변형으로 인해 후자에서 sp2-타입 탄소의 백분율 감소를 나타낸다. 그 결과, ~60 ppm에서 sp3 탄소의 양은 약간 증가하였다.In addition, 13 C MAS-NMR analysis was performed to investigate changes in the -COOH group centered at about 190 ppm. The comparison of BPC1 and BPC4 clearly shows a decrease in peak area in the latter, which again demonstrates more effective adsorption of -OH groups by BP after longer milling times. In addition, the C = C peak centered at about 119.1 ppm in BPC1 was shifted to 122.5 ppm in BPC4, indicating a percentage reduction of sp 2 -type carbon in the latter due to long and severe mechanical deformation during milling. As a result, the amount of sp 3 carbon was slightly increased at ˜60 ppm.

BPC4 복합체에서 풍부한 가교 결합 및 화학 결합을 추가로 확인하기 위해, 다른 샘플들과 열 특성을 비교하였다. 열중량 분석(TGA)은 복합체에서 인의 함량을 확인하는데 또한 사용되었다. 도 3h는 CNT, BPC3, BPC4 및 BPC5의 TG 곡선을 나타내는데, 모두 공기 대기에서 분석하였다. 두 BPC3 및 BPC4만이 제2단계의 밀링 시간이 달랐고, BPC5는 무시할만한 가교 결합 및 화학 결합을 갖는 대조 샘플이었다(표 1). 또한, BPC5는 고순도 Ar 가스에서 분석하였다. 공기 흐름에서 분석된 모든 3개의 복합체가 거의 유사한 경향을 나타냈는데, 즉 중량은 산화로 인해 약 100℃에서 480-520℃까지 증가하였고, 이를 넘어서는 인의 승화로 인해 급격한 중량 손실이 일어났다. 극미한 화학 결합 및 가교 결합을 갖는 BPC5 복합체는 최종 69% 중량 손실을 나타내서, 일차 CNT 및 BP 함량과 거의 동일하였다. 그러나, 더 많은 함량의 구조적 결함이 밀링 중에 CNT의 벽과 말단부를 따라 생성되었고, 뿐만 아니라 성공적인 P-O-C 결합 및 -COO 가교 결합은 BPC3 및 BPC5 각각과 비교하여 BPC4에서 추가적인 3% 및 8% 중량 손실을 유도하였다(도 4i). 따라서, 쉽게 결론 내릴 수 있듯이, 2개-단계 볼 밀링 공정 더하기 BP의 제어된 공기 노출은 에너지-관련 적용을 위해 강력한 화학 결합을 갖는 BP-CNT 복합체의 실현 가능한 합성을 위한 신뢰할만한 선택이다.To further identify abundant crosslinks and chemical bonds in the BPC4 complex, thermal properties were compared with other samples. Thermogravimetric analysis (TGA) was also used to confirm the content of phosphorus in the complex. 3h shows TG curves of CNTs, BPC3, BPC4 and BPC5, all analyzed in air atmosphere. Only two BPC3 and BPC4 had different milling times of the second stage, and BPC5 was a control sample with negligible crosslinking and chemical bonding (Table 1). In addition, BPC5 was analyzed in high purity Ar gas. All three composites analyzed in the air flow showed a nearly similar trend, ie the weight increased from about 100 ° C. to 480-520 ° C. due to oxidation, resulting in a drastic weight loss due to sublimation of phosphorus above. The BPC5 complex with minor chemical bonds and crosslinks showed a final 69% weight loss, nearly equal to the primary CNT and BP content. However, more structural defects were generated along the walls and ends of the CNTs during milling, as well as successful POC binding and -COO crosslinking resulted in additional 3% and 8% weight loss in BPC4 compared to BPC3 and BPC5 respectively. Induced (FIG. 4I). Thus, as can be easily concluded, the two-step ball milling process plus the controlled air exposure of BP is a reliable choice for the feasible synthesis of BP-CNT composites with strong chemical bonds for energy-related applications.

(3) 이성분 바인더의 기여(3) Contribution of Binary Binder

다음으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이성분 바인더가 존재할 경우에 강한 가교 결합의 존재를 증명한다. 전극 성분들에 더 좋은 부착을 위한 고분자 바인더로서, 이성분 c-NaCMC-PAA의 3차원(3D) 네트워크를 설계 및 제작하였다. 이러한 접근법에서, 영구적인 공유 결합으로 잘-확립된, 상호 연결된, 가교-결합된 네트워크를 갖는 연성 3D 바인더 매트릭스에 BPC4 복합체를 성공적으로 내장시켰다. 이 구조는 다른 바인더와 비교하여 우수한 화학적 및 기계적 특성, 뿐만 아니라 놀라운 전자 전도 네트워크를 제공할 수 있었고, 이에 따라 충전/방전 중에서 심한 부피 변화를 효과적으로 수용하여 LIB 및 NIB 적용에서 높은 전기화학적 성능을 제공한다. NaCMC의 히드록실기 및 PAA의 카르복실산기는 강하게-결합된 친수성 BP 및 CNT와의 연결에 대한 원인이다. 따라서, 3가지 형태, 즉 (1) 친수성 BP 및 2개의 바인더 사이(도 4ii), (2) CNT 및 2개의 바인더 사이(도 4iii), 및 (3) 2개의 바인더 서로간(도 4iv)의 가교 결합이 있다. 이들 추가적인 결합은 NaCMC 및 PAA 바인더의 2개의 구별되는 탈수 반응뿐만 아니라 개질된 BP와 이들의 P-O-C 결합을 통해 다시 형성되었다. 활성 재료 및 바인더의 혼합물을 진공에서 150℃에서 건조하였을 경우, 에스터화 반응이 NaCMC의 히드록실기, PAA의 카르복실산기, CNT의 -OH 기능기, 및 BP 분말에 흡착된 H2O 중에서 일어났다. 실제로, 도 4iv에 나타낸 바와 같이, 모든 성분들은 탈수 공정에서 -OH 기를 공유하였다. 그 결과, 조심스럽게 선택된 조성물은 제조된 애노드에서 BP-CNT 활성 재료 및 고분자 이성분 바인더를 함유하는 3D 가교-결합된 네트워크를 형성하였다.Next, as shown in FIG. 4, the presence of a strong crosslink is demonstrated when a two-component binder is present. As a polymeric binder for better adhesion to electrode components, a three-dimensional (3D) network of bicomponent c-NaCMC-PAA was designed and fabricated. In this approach, BPC4 complexes have been successfully embedded in flexible 3D binder matrices with well-established, interconnected, cross-linked networks with permanent covalent bonds. This structure was able to provide superior chemical and mechanical properties as well as amazing electron conduction networks compared to other binders, thus effectively accommodating severe volume changes during charge / discharge, thus providing high electrochemical performance in LIB and NIB applications. do. The hydroxyl group of NaCMC and the carboxylic acid group of PAA are responsible for the linkage with strongly-bonded hydrophilic BP and CNT. Thus, three forms, namely (1) hydrophilic BP and two binders (FIG. 4ii), (2) CNT and two binders (FIG. 4iii), and (3) two binders of each other (FIG. 4iv) There is a crosslinking. These additional bonds were re-formed through modified BP and their POC bonds as well as two distinct dehydration reactions of NaCMC and PAA binders. When the mixture of active material and binder was dried at 150 ° C. in vacuo, the esterification reaction occurred in the hydroxyl group of NaCMC, the carboxylic acid group of PAA, the -OH functional group of CNT, and H 2 O adsorbed to BP powder. . In fact, as shown in FIG. 4iv, all components shared the —OH group in the dehydration process. As a result, the carefully selected composition formed a 3D cross-linked network containing the BP-CNT active material and the polymeric bicomponent binder in the prepared anode.

도 5a의 결과와 일치하듯이, PAA의 FT-IR 스펙트럼은 1705 및 1411 cm-1에서 2개의 카르복실기(-COOH) 피크로 구성되었다. 이들 기는 수소 결합을 형성하였고, 새로운 결합은 150℃에서 진공 건조 후에 무수 카르복실기로 부분적으로 변하였다. 따라서, 도입된 수소 결합 및/또는 무수 카르복실기는 PAA 사슬에서 강력한 결합의 원인이었다. 탈수 반응과 관련된 또 다른 깨끗한 -OCOOC- 피크가 약 1803 cm-1에서 보였는데, 이것은 2개의 카르복실기 사이의 축합 반응을 확인시켜준다. H2O 피크는 관측되지 않았고, 약 1047 cm-1에서 -C-O-C 신축 진동 피크가 있었다. NaCMC 스펙트럼은 -CH2 기와 관련된 1458 cm-1에서의 피크, 및 -COONa의 신축 진동으로서 1622 및 1422 cm-1에서의 두 흡수 피크로 구성되었다. 이성분 c-NaCMC-PAA 바인더에서 에스터기(-COO)의 형성 때문에, 약간의 시프트가 C=O 신축 밴드에서 관측되었는데, 이것은 1731 cm-1에서의 PAA의 COOH 기와 비교하여 1705 cm-1에서 관측되었다. 복합체 BPC4-c-NaCMC-PAA에서, 열린-말단의 CNT 팁 및 측벽에 있는 카르복실기는 NaCMC의 -OH기에 안정하게 결합할 수 있었고, 이는 에스터기의 새로운 카르복실레이트(O=C-O) 신축 피크(1580 cm- 1)로 증명되었다. 동일한 공정이 PAA의 카르복실산기에도 일어나서 CNT의 카르복실기와 공유 에스터 결합을 형성하였다. 또한, BPC4-c-NaCMC-PAA의 스펙트럼에서 3700 및 3200 cm-1 사이의 넓은 -OH 밴드는 베어 c-NaCMC-PAA 바인더와 비교하여 명백히 더 약했는데, 이것은 PAA 및 NaCMC의 -OH 기능기 사이의 결합이 CNT와 가교-결합 반응에 의해 또는 강력한 P-O-C 연결을 형성하는 친수성 BP 상의 흡착 중에 크게 약해졌음을 다시 한번 더 증명한다. 도 5b는 BPC1-c-NaCMC-PAA 및 BPC4-c-NaCMC-PAA 전극 재료의 13C MAS-NMR 결과를 비교한 것으로, 180 ppm에 위치한 -COOH 기가 주로 성분들 사이의 에스터화 반응으로 인해 후자에서 급격히 약해졌음을 또한 나타낸다. 감소는 바인더를 함유하지 않은 도 5g와 비교하여 여기서 더 명백하였다. 2개의 바인더는 또한 풍부한 -OH 기를 공급할 수 있었고, 따라서 가교 결합은 더욱 명백하였다. 게다가, 볼 밀링 중에 국부적인 온도 증가는 두 개질된 BP 및 기능화된 CNT 사이의 에스터화 반응의 발생에 대한 유일한 원인이었다. 그 결과, 합리적으로 결론 내리면, 특정 밀링 지속시간이 두 활성 재료 사이의 안정된 화학 결합을 형성하는데 필요하다. 마지막으로, TG 결과(도 5c)는 또한 BPC3-c-NaCMC-PAA와 비교하여 BPC4-c-NaCMC-PAA에서 추가적인 2% 중량 손실을 나타냈는데, 이것은 전자의 풍부한 가교 결합 때문이다. 따라서, 이 새로운 설계는 모든 성분들의 이점을 최대화하였고, 따라서 전지에서 우수한 전기화학적 성능을 제공할 것으로 예상된다.Consistent with the results of FIG. 5A, the FT-IR spectrum of PAA consisted of two carboxyl (-COOH) peaks at 1705 and 1411 cm −1 . These groups formed hydrogen bonds and the new bonds partially changed to dry carboxyl groups after vacuum drying at 150 ° C. Thus, the introduced hydrogen bonds and / or anhydrous carboxyl groups were responsible for the strong bonds in the PAA chain. Another clear -OCOOC- peak associated with the dehydration reaction was seen at about 1803 cm -1 , confirming the condensation reaction between the two carboxyl groups. No H 2 O peak was observed and there was a -COC stretching vibration peak at about 1047 cm −1 . The NaCMC spectrum consisted of a peak at 1458 cm −1 associated with the —CH 2 group, and two absorption peaks at 1622 and 1422 cm −1 as the stretching vibration of -COONa. Because of the formation of ester groups (-COO) in the binary c-NaCMC-PAA binder, a slight shift was observed in the C = O stretch band, which was at 1705 cm -1 compared to the COOH group of PAA at 1731 cm -1 Observed. In complex BPC4-c-NaCMC-PAA, the carboxyl groups at the open-terminal CNT tips and sidewalls were able to stably bind to the -OH group of NaCMC, which resulted in a new carboxylate (O = CO) stretching peak of the ester group ( 1580 cm - 1 ). The same process took place on the carboxylic acid group of PAA to form a covalent ester bond with the carboxyl group of CNT. In addition, the broad -OH band between 3700 and 3200 cm -1 in the spectrum of BPC4-c-NaCMC-PAA was clearly weaker compared to the bare c-NaCMC-PAA binder, which was between the -OH functional groups of PAA and NaCMC. It is once again demonstrated that the binding of is weakened significantly by the cross-linking reaction with CNTs or during the adsorption on the hydrophilic BP to form strong POC linkages. FIG. 5B compares 13 C MAS-NMR results of BPC1-c-NaCMC-PAA and BPC4-c-NaCMC-PAA electrode materials, with the latter being primarily attributable to the esterification reaction between components. It also indicates that it has weakened sharply at. The reduction was more evident here compared to FIG. 5G without the binder. The two binders could also supply abundant —OH groups, so crosslinking was more apparent. In addition, local temperature increases during ball milling were the only cause for the occurrence of esterification reactions between the two modified BPs and the functionalized CNTs. As a result, it is reasonable to conclude that certain milling durations are necessary to form stable chemical bonds between the two active materials. Finally, the TG results (FIG. 5C) also showed an additional 2% weight loss in BPC4-c-NaCMC-PAA compared to BPC3-c-NaCMC-PAA, due to the rich crosslinking of the former. Thus, this new design maximizes the benefits of all components and is therefore expected to provide good electrochemical performance in the cell.

(4) LIB 성능(4) LIB performance

모든 제작된 전극은 LIB 적용을 위해 전기화학적 특성을 평가하였다. 모든 용량은 BP의 중량을 기준으로 측정하였는데, 그 이유는 CNT의 용량은 본 발명에서 조사된 전위 윈도우에서 무시할만한 것이었기 때문이다. 충전/방전 중에 전기화학 반응을 상세하게 조사하기 위해 0.01 및 2.0 V vs. Li/Li+의 전압 범위 및 0.1 mV/s 스캔 속도에서의 BPC4-c-NaCMC-PAA의 사이클릭 볼타메트리(CV) 곡선을 얻었다. 첫 번째 사이클의 캐소드 스캔에서 관측된 0.6 V에서의 넓은 피크는 BP 구조로 삽입 시에 Li+의 활성화 때문이었다. 4개의 환원 피크가 2-5 사이클에서 0.54, 0.69, 0.80 및 1.30 V에서 캐소드 스캔으로 관측되었는데, LixP(x = 1-3) 형성에 해당하였다. 애노드 스캔에서는, 3개의 산화 피크가 1.03, 1.21 및 1.63 V에서 존재하였고, 이는 탈리튬화(delithiation) 공정에 기인하였다. 첫 번째 사이클 이후에, CV 곡선은 완전히 가역성이 되었는데, 이것은 사이클링 시험 중에 안정된 전기화학 거동을 암시한다. 1.21 V(vs. Li/Li+)에서의 피크는 첫 번째 스캔부터 5번째 스캔까지 더 강해지고 더 낮은 전압 쪽으로 완만하게 시프트 되었는데, 이것은 사이클링 시에 향상된 탈리튬화 속도를 나타낸다. 0.2 C의 전류 밀도에서 LIB용 BPC4-c-NaCMC-PAA 전극 재료의 충전/방전 곡선에 따르면, 첫 번째 방전 중에, 약 1.25-0.95 V vs Li/Li+에서 비가역성의 넓은 숄더(shoulder)는 주로 패시브(passive) 층, 즉 고체-전해질 간기(SEI)의 형성 때문이다. 추가적으로, 2개 이상의 경사진 영역 더하기 경사진 플래토우(plateau)는 BP로부터 다양한 LixP 상을 형성하는 서로 다른 반응에서 Li+의 흡수와 관련하여, 리튬화 공정 중에 관측되었다. 도 6a는 LIB용 5개 복합체 모두의 초기 충전/방전 플래토우를 나타낸다. ~760/1120, 1073/1380, 952/1235, 1768/1922 및 1503/1900 mAh/g의 첫 번째 충전/방전이 각각 BPC1, BPC2, BPC3, BPC4 및 BPC5 복합체에 의해 전달되었다. 또한, 전위 곡선에서 충전 및 방전 분극은 BPC1에서 0.62 V로부터 BPC4에서 0.50 V로 감소하였는데, 이는 후자에서 안정된 화학 결합 및 가교 결합의 형성에 해당하고 이전 논의와 완전히 일치하였다. 중요하게는, BPC5 대조 샘플은 BPC4보다 높은 분극을 나타내서, 목표 BPC4와 비교하여 부적절한 P-O-C 결합 및 탈수 가교 결합의 존재를 나타냈다. 그러나, 그 초기 충전 및 방전 용량은 BPC1-BPC3 샘플보다 높았다. 이 차이는 다른 3개의 샘플보다 높은 밀링 시간 때문인 것 같고, 이에 따라 더 순수한 BP 분말(도 2c) 또는 더 기능화되고 결함 있는 CNT를 제조하고, 이와 함께 더 좋은 초기 충전/방전 성능을 제공하였다.All fabricated electrodes were evaluated for electrochemical properties for LIB application. All doses were measured based on the weight of BP because the dose of CNT was negligible in the potential window investigated in the present invention. To investigate the electrochemical reaction in detail during charging / discharging, 0.01 and 2.0 V vs. Cyclic voltammetry (CV) curves of BPC4-c-NaCMC-PAA in the voltage range of Li / Li + and 0.1 mV / s scan rate were obtained. The wide peak at 0.6 V observed in the cathode cycle of the first cycle was due to the activation of Li + upon insertion into the BP structure. Four reduction peaks were observed with cathode scans at 0.54, 0.69, 0.80 and 1.30 V in 2-5 cycles, corresponding to Li x P (x = 1-3) formation. In the anode scan, three oxidation peaks were present at 1.03, 1.21 and 1.63 V due to the delithiation process. After the first cycle, the CV curve became fully reversible, suggesting stable electrochemical behavior during the cycling test. The peak at 1.21 V (vs. Li / Li + ) became stronger and slowly shifted toward the lower voltage from the first scan to the fifth scan, indicating an improved delithiation rate during cycling. According to the charge / discharge curves of the BPC4-c-NaCMC-PAA electrode material for LIB at a current density of 0.2 C, during the first discharge, an irreversible wide shoulder at about 1.25-0.95 V vs Li / Li + mainly This is due to the formation of a passive layer, ie solid-electrolyte intercalator (SEI). In addition, two or more sloped regions plus sloped plateaus were observed during the lithiation process with respect to the uptake of Li + in different reactions to form various Li x P phases from BP. 6A shows the initial charge / discharge plateaus of all five complexes for LIB. The first charge / discharge of ˜760 / 1120, 1073/1380, 952/1235, 1768/1922 and 1503/1900 mAh / g was delivered by the BPC1, BPC2, BPC3, BPC4 and BPC5 complexes, respectively. In addition, the charge and discharge polarization in the potential curve decreased from 0.62 V in BPC1 to 0.50 V in BPC4, which corresponds to the formation of stable chemical bonds and crosslinks in the latter and is in full agreement with the previous discussion. Importantly, the BPC5 control sample showed higher polarization than BPC4, indicating the presence of inadequate POC binding and dehydration crosslinking compared to target BPC4. However, its initial charge and discharge capacity was higher than the BPC1-BPC3 samples. This difference seems to be due to the higher milling time than the other three samples, thus producing a purer BP powder (FIG. 2C) or a more functionalized and defective CNT, which together provided better initial charge / discharge performance.

도 6b는 BPC4-c-NaCMC-PAA를 이용하여 0.2 C의 전류 밀도에서 LIB용 4개 복합체의 사이클링 성능을 비교한 것으로, 400 사이클 이상에서 우수한 사이클 안정성을 나타낸다. 그 초기 방전 용량은 ~1922 mAh/g이었고, 4번째 사이클에서 ~2094 mAh/g까지 증가하였다. 400 사이클 이후에, 방전 용량은 1681 mAh/g에서 유지되었는데, 이는 1번째 방전 용량을 기준으로 87.5%의 용량 유지율에 해당하였다. 실험 상세사항에서 언급된 바와 같이, 전해질은 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)를 함유하여, 표면 전해질 계면(SEI) 필름을 효과적으로 안정화시켰다. 도 6b에 나타난 바와 같이, FEC이 없으면, 용량은 급격히 감소하였다. 또한, BPC4와 대조적으로, BPC5는 약 10-15 사이클에서만 안정하였고, 그 용량도 급격히 감소하였다. 도 6b와 동일한 재료의 CE 데이터는 이들이 모두 BPC4보다 낮은 1번째 방전 용량을 전달하였음을 나타내는데, 이것은 주로 이들 사이의 전기적 접촉을 크게 향상시킬 수 있는 전극 성분들 사이의 화합 결합이 없거나 불충분하였기 때문이다. BPC1, BPC2, BPC3, BPC4 및 BPC5에 대한 초기 CE는 각각 68.9, 77.8, 76.9, 92.0 및 79.1%이었다. 모든 샘플에서, 방전 및 충전 용량은 더 뒤의 사이클에서 서로 근접하였고, CE는 400 사이클 이후에 모든 4개 복합체에서 99.8% 이상까지 도달하였다. 첫 번째 사이클에서 BPC4의 높은 CE는 처음 및 마지막 상(각각 BP 및 Li3P) 사이의 전기화학 반응이 거의 가역적임을 증명한다. 게다가, 높은 CE는 또한 다른 샘플과 비교하여 BPC4의 높은 전도도를 나타냈다.6B compares the cycling performance of four composites for LIB at a current density of 0.2 C using BPC4-c-NaCMC-PAA, showing excellent cycle stability at 400 cycles and above. The initial discharge capacity was ˜1922 mAh / g and increased to ˜2094 mAh / g in the fourth cycle. After 400 cycles, the discharge capacity was maintained at 1681 mAh / g, corresponding to a capacity retention of 87.5% based on the first discharge capacity. As mentioned in the experimental details, the electrolyte contained fluoroethylene carbonate (FEC) to effectively stabilize the surface electrolyte interface (SEI) film. As shown in FIG. 6B, without FEC, the dose rapidly decreased. In addition, in contrast to BPC4, BPC5 was stable only in about 10-15 cycles, and its capacity rapidly decreased. The CE data of the same material as in FIG. 6B indicates that they all delivered a lower first discharge capacity than BPC4, mainly because there was no or insufficient compound bonds between the electrode components that could greatly improve the electrical contact therebetween. . Initial CEs for BPC1, BPC2, BPC3, BPC4 and BPC5 were 68.9, 77.8, 76.9, 92.0 and 79.1%, respectively. In all samples, the discharge and charge capacities were close to each other in later cycles, and CE reached over 99.8% in all four composites after 400 cycles. The high CE of BPC4 in the first cycle demonstrates that the electrochemical reaction between the first and last phases (BP and Li 3 P, respectively) is nearly reversible. In addition, high CE also showed high conductivity of BPC4 compared to other samples.

도 6c는 다양한 전류 밀도에서 4개의 BPC1-BPC4 복합체의 속도 특성 성능을 나타낸다. 전류 밀도가 0.2 C에서 4.5 C(= 약 11700 mA/g)로 증가하면, BPC4-c-NaCMC-PAA 및 BPC1-c-NaCMC-PAA에 대해 각각 1950에서 1346로 그리고 1100에서 299 mAh/g로, 방전 용량이 계속해서 감소하였다. 전류 밀도가 0.2 C로 다시 스위칭 되었을 경우, 방전 용량은 각각 1713 및 1093 mAh/g의 값으로 다시 올랐는데, 이는 BPC4의 초기 용량의 약 90%에 해당하였다. 초기 용량은 약 4번째 사이클까지 증가하였는데(도 6b, 6c), 이는 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 측정으로 나타낸 바와 같이, SEI 및 전하 이동 저항이 완만하게 감소하였기 때문이다.6C shows the rate characteristic performance of four BPC1-BPC4 composites at various current densities. As the current density increases from 0.2 C to 4.5 C (= about 11700 mA / g), from 1950 to 1346 and 1100 to 299 mAh / g for BPC4-c-NaCMC-PAA and BPC1-c-NaCMC-PAA, respectively The discharge capacity continued to decrease. When the current density was switched back to 0.2 C, the discharge capacity rose back to values of 1713 and 1093 mAh / g, respectively, corresponding to about 90% of the initial capacity of BPC4. Initial capacity increased up to about the fourth cycle (FIGS. 6B, 6C) because of the modest decrease in SEI and charge transfer resistance, as indicated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements.

BPC4-c-NaCMC-PAA의 Nyquist 플롯은 새로운 전지의 경우에서 전하 이동 저항(Rct)에 기인하는 고/중간 주파수 영역에서의 반원 및 저 주파수에서의 직선으로 구성된다. 추가적인 반원이 고 주파수에서의 사이클링 이후에 나타났는데, 이는 SEI 필름(Rint)에서 계면 저항과 관련 있었다. 모든 플롯에서 선형 영역은 활성 재료를 통한 이온 확산과 관련 있다. 새로운 전지에 대한 Rint는 컸고, 이것은 3 사이클 이후에 감소하였다. 100 사이클까지의 추가적인 사이클링은 저항에서 약간의 증가만을 나타냈는데, 이는 주로 안정된 SEI의 형성 및 효과적인 화학 결합의 큰 영향 때문이었고, 긴 사이클 동안 전극을 안정화시켰다. EIS 결과는 사이클 및 속도 특성 데이터와 일치하였고, 초기의 몇 사이클에서 용량 증가를 명확하게 설명하였다. 도 6d는 300 사이클 이상에 대해 LIB에서 1 C 및 4.5 C에서 BPC4-c-NaCMC-PAA의 우수한 속도 특성을 증명하는데, 방전 용량은 1 C에서 100 사이클 이후에 1513 mAh/g이었고, 4.5 C에서 추가적인 200 사이클 이후에 903 mAh/g에 이르렀다. 마지막으로, 3D 가교-결합된 이성분 바인더의 성능을 200 사이클까지 PVDF 및 PAA 또는 NaCMC 단일 바인더와 비교하였다. LIB에서 RP-CNT 및 다양한 BP-계 재료에 대한 이전 연구와 현재 결과를 비교한 결과, 상업적인 대체품과 비교하여 3D c-NaCMC-PAA 바인더의 사이클 안정성이 크게 향상되었다.The Nyquist plot of BPC4-c-NaCMC-PAA consists of a semicircle in the high / medium frequency region due to the charge transfer resistance (R ct ) in the new cell and a straight line at low frequency. An additional semicircle appeared after cycling at high frequencies, which was associated with interfacial resistance in the SEI film (R int ). In all plots the linear region is related to ion diffusion through the active material. R int for the new cell was large, which decreased after 3 cycles. Additional cycling up to 100 cycles showed only a slight increase in resistance, which was mainly due to the formation of stable SEIs and the large influence of effective chemical bonding, which stabilized the electrode for long cycles. EIS results were consistent with cycle and velocity characteristic data and clearly accounted for capacity increase in the first few cycles. 6D demonstrates the excellent rate characteristics of BPC4-c-NaCMC-PAA at 1 C and 4.5 C in LIB for more than 300 cycles, with a discharge capacity of 1513 mAh / g after 100 cycles at 1 C and at 4.5 C. After an additional 200 cycles it reached 903 mAh / g. Finally, the performance of the 3D cross-linked bicomponent binder was compared with PVDF and PAA or NaCMC single binder up to 200 cycles. Comparing previous studies with current results on RP-CNTs and various BP-based materials in LIB, the cycle stability of the 3D c-NaCMC-PAA binder is significantly improved compared to commercial alternatives.

(5) NIB 성능(5) NIB performance

마지막으로, 목표 BPC4-c-NaCMC-PAA 샘플을 NIB용 애노드로서 전기화학 성능 측면에서 평가하였다. 이 샘플의 CV 곡선은 나트륨화(sodiation)/탈나트륨화(desodiation) 메커니즘을 자세히 설명하기 위해 플롯되었다. 사이클 1-5에 대해 0.1 mV/s에서 0.01-2.0 V vs. Na/Na+의 전압 범위에서 CV 곡선에 따르면, 넓고 약한 피크가 첫 번째 캐소드 스캔에서 약 0.6 V에서 나타났는데, 이는 SEI 층의 형성 때문이었다. 새로운 피크가 후속 스캔에서 약 0.9 V에서 관측되었는데, 이는 BP의 초기 나트륨화 때문이었다. 0.8-0.01 V의 범위에서 약 0.35 및 0.19 V에 중심이 있는 2개 이상의 캐소드 피크가 관측되었는데, 이는 Na+ 삽입 및 NaxP(1 < x ≤ 3)의 형성에 기인하였다. 이들 피크는 더 낮은 전압 범위로 점차 이동하였고 5 사이클 이후에 거기서 유지되었다. 전위 시프트는 활성화 단계의 측면에서 설명될 수 있는데, 이것은 3번째부터 5번째 스캔까지 피크 강도를 약간 증가시킴으로써, 점진적으로 개선된 나트륨화 속도를 확인시켜 주었다. 첫 번째 음이온 스캔 중에 0.55, 0.67 및 1.43 V에 위치한 피크는 더 뒤의 스캔에서도 나타났다. 이들 피크는 대부분 완전히 충전된 Na3P 상으로부터 단계적인 Na+ 탈-삽입에 해당하였다. 0.67 V에서 피크의 전류는 향상되었고, 그 전위는 1번째부터 5번째 스캔까지 약간 낮은 전압으로 이동하였으며, 이는 사이클링 시에 개선된 탈나트륨화 속도를 나타낸다.Finally, target BPC4-c-NaCMC-PAA samples were evaluated in terms of electrochemical performance as anodes for NIB. The CV curves of this sample were plotted to elaborate the sodiumation / desodiation mechanism. 0.01-2.0 V vs. 0.1 mV / s for cycles 1-5 According to the CV curve in the voltage range of Na / Na + , wide and weak peaks appeared at about 0.6 V in the first cathode scan because of the formation of the SEI layer. A new peak was observed at about 0.9 V in subsequent scans because of the initial sodiumation of BP. Two or more cathode peaks centered at about 0.35 and 0.19 V in the range 0.8-0.01 V were observed, due to the formation of Na + insertion and Na x P (1 <x ≦ 3). These peaks gradually shifted to the lower voltage range and remained there after 5 cycles. The potential shift can be explained in terms of the activation step, which confirmed the progressively improved sodiumation rate by slightly increasing the peak intensity from the third to fifth scans. Peaks located at 0.55, 0.67 and 1.43 V during the first anion scan also appeared in later scans. These peaks mostly corresponded to staged Na + de-insertion from the fully filled Na 3 P phase. At 0.67 V the peak current was improved and its potential shifted to a slightly lower voltage from the first to fifth scans, indicating an improved rate of de-sodiumation during cycling.

1번째부터 5번째 사이클에서 BPC4-c-NaCMC-PAA 복합체의 충전/방전 프로파일은 단계적인 나트륨화를 나타냈는데, 즉 약 1.25-0.48 V vs Na/Na+에서 급격한 경사, 이후 약 0.48-0.1 V에서 약간의 경사를 갖는 플래태우, 최종적으로 0.1 내지 0.01 V에서 작은 경사를 나타냈다. 도 6e는 NIB 반쪽-전지용 BPC4-c-NaCMC-PAA의 사이클 성능을 나타낸다. 첫 번째 방전 용량은 0.2 C에서 약 2073 mAh/g이었고, 200 사이클 후에 1560 mAh/g에 이르렀다(용량 유지율 = 첫 번째 사이클 대비 75.2 %). 초기 CE는 87.7%이었다. 도 6f는 0.2 C부터 4.5 C의 고속까지 BPC4-c-NaCMC-PAA 전극 재료의 속도 특성을 나타낸다. 나타난 방전 용량은 약 2060(0.2 C), 1653(0.3 C), 1409(0.7 C), 1200(1.5 C), 810(2 C), 609(3 C) 및 441(4.5 C) mAh/g이었다. 놀랍게도, BPC4-C-NaCMC-PAA 전극은 11.7 A/g의 매우 높은 전류 밀도에서도 매우 큰 가역적 용량(441 mAh/g)을 성공적으로 나타냈다. 42 사이클 후에 다시 0.2 C로 속도를 변화시킨 후에, 용량은 1656 mAh/g로 되돌아갔는데, 이것은 동일한 속도에서 두 번째 사이클의 것(1753 mAh/g)과 거의 동일하였다. 따라서, 설계된 전극에서 충전/방전 공정은 높은 전류 밀도에서도 완전히 가역적이었다. 더욱 중요하게는, 도 6g에 나타낸 바와 같이, 매우 안정된 고속 사이클 성능이 각각 100 사이클 이상에 대해 1 C 및 2 C에서 관측되었다. 용량은 1 C에서 100 사이클 이후에 1270으로부터 1050 mAh/g에 이르렀다. 2 C에서 추가적인 100 사이클은 700 mAh/g의 최종 방전 용량을 나타냈다. 이들 결과는 또한 RP-CNT 및 다양한 BP-계 재료와 비교하였다. 이 극히 고속의 성능은 충전/방전 중에 Na 이온에 대한 확산 경로를 짧게 하는 극히 작은 BP 나노결정과 함께, 우수한 연결 및 전기 전도도를 갖는 강하고 안정된 3D 전극 골격구조 때문일 수 있다.The charge / discharge profile of the BPC4-c-NaCMC-PAA complex in the first to fifth cycles showed a stepwise sodiumation, ie a sharp gradient at about 1.25-0.48 V vs Na / Na + , then about 0.48-0.1 V Plateau with a slight slope at, finally a small slope at 0.1 to 0.01 V. 6E shows the cycle performance of BPC4-c-NaCMC-PAA for NIB half-cell. The first discharge capacity was about 2073 mAh / g at 0.2 C and reached 1560 mAh / g after 200 cycles (capacity retention = 75.2% compared to the first cycle). Initial CE was 87.7%. 6F shows the rate properties of BPC4-c-NaCMC-PAA electrode material from 0.2 C to 4.5 C at high speeds. The discharge capacities shown were about 2060 (0.2 C), 1653 (0.3 C), 1409 (0.7 C), 1200 (1.5 C), 810 (2 C), 609 (3 C) and 441 (4.5 C) mAh / g. . Surprisingly, the BPC4-C-NaCMC-PAA electrode successfully exhibited a very large reversible capacity (441 mAh / g) even at very high current densities of 11.7 A / g. After changing the speed back to 0.2 C after 42 cycles, the capacity returned to 1656 mAh / g, which was almost identical to that of the second cycle (1753 mAh / g) at the same speed. Thus, the charge / discharge process at the designed electrode was completely reversible even at high current densities. More importantly, as shown in FIG. 6G, very stable fast cycle performance was observed at 1 C and 2 C for at least 100 cycles, respectively. The capacity reached 1050 mAh / g from 1270 after 100 cycles at 1 C. An additional 100 cycles at 2 C resulted in a final discharge capacity of 700 mAh / g. These results were also compared with RP-CNTs and various BP-based materials. This extremely fast performance may be due to the strong and stable 3D electrode framework with excellent connectivity and electrical conductivity, along with extremely small BP nanocrystals that shorten the diffusion path for Na ions during charge / discharge.

전기화학 시험 중에 속도론을 더욱 상세하게 설명하기 위해, 2-0.01 V(vs Na+/Na)에서 방전된 상태에서 NIB용 BPC4-c-NaCMC-PAA의 EIS 데이터를 얻었다. Nyquist 플롯은 100번째 사이클 이후에 고/중간 주파수에서 반원 영역의 직경 변화가 매우 무시할만함을 다시 나타냈고, 주로 높은 전기전도도 때문인 BPC4의 현저한 사이클 특성 및 속도 특성은 안정된 SEI, 특별한 3D 이성분 바인더 구조, 및 몇 가지 형태의 강력한 화학 결합의 존재를 형성하였으며, 이 모두가 전극 고장을 방지하였다.In order to explain the kinetics in more detail during the electrochemical test, EIS data of BPC4-c-NaCMC-PAA for NIB were obtained in a discharge state at 2-0.01 V (vs Na + / Na). The Nyquist plot again showed that the change in the diameter of the semicircle region at high / medium frequencies was very negligible after the 100th cycle, and the remarkable cycle and velocity characteristics of BPC4, mainly due to high electrical conductivity, were stable SEI, a special 3D binary binder structure , And some forms of strong chemical bonds formed, all of which prevented electrode failure.

LIB 및 NIB 전지 각각에서 400 및 200 사이클에 대해 시험된 기-제조된 BPC4-c-NaCMC-PAA 및 전극의 SEM 이미지에 따르면, 사이클링된 LIB 전극은 저 해상도에서 작은 크랙을 나타냈고, 반면에 NIB 전극에서 크랙은 더욱 분명하였다. 양쪽 전지에서 통합된 형태는 0.2 C에서 긴 사이클 이후에 잘-보존된 전극 구조를 증명하였다. LIB용 사이클링된 BPC4-c-NaCMC-PAA 전극의 원소 맵핑 분석에 따르면, 400 사이클 이상 후에 전극에서 P 및 C의 분포가 균일하였다.According to SEM images of pre-fabricated BPC4-c-NaCMC-PAA and electrodes tested for 400 and 200 cycles in LIB and NIB cells, respectively, the cycled LIB electrode showed small cracks at low resolution, while NIB Cracks in the electrodes were more apparent. The integrated form in both cells demonstrated well-preserved electrode structure after a long cycle at 0.2 C. Elemental mapping analysis of the cycled BPC4-c-NaCMC-PAA electrode for LIB showed a uniform distribution of P and C in the electrode after at least 400 cycles.

3. 결론3. Conclusion

요컨대, 본 발명에서 표면 산소 흡착-지원 가교 결합 공정을 통한 BP-CNT 복합체를 처음으로 성공적으로 합성하였으며, 강력하고 가교-결합된 이성분 고분자 바인더를 이용하여 LIB 및 NIB용 애노드를 제작하는데 이를 적용하였다. 이 애노드는 양쪽 용도에서 놀랍게도 높은 전기화학 성능을 나타냈는데, 이는 주로 강한 3D 가교-결합된 네트워크 때문이었다. 이러한 우수한 전기화학 성능의 근본적인 원인은 볼-밀링 및 전극 제작 공정 중에 형성된 친수성 BP 분말, 기능화된 CNT 및 바인더간의 안정된 화학 결합이었다. 성분들 중 결합에 영향을 미치는 파라미터를 철저히 조사하였고, 가능한 메커니즘을 평가하여 2가지 형태의 강하고 튼튼한 P-O-C 결합 및 탈수 가교 결합을 밝혀냈다. 따라서 이 결과는 다양한 에너지 용도에서 BP-계 전극 재료의 전기화학 성능을 추가로 향상시키는데 중요한 통찰력을 제공할 것이다.In short, the present invention successfully synthesized BP-CNT composites through surface oxygen adsorption-assisted crosslinking process for the first time, and applied to fabricate anodes for LIB and NIB using strong, cross-linked bicomponent polymeric binders. It was. This anode showed surprisingly high electrochemical performance in both applications, mainly due to the strong 3D cross-linked network. The root cause of this good electrochemical performance was the stable chemical bonding between hydrophilic BP powder, functionalized CNTs and binders formed during ball-milling and electrode fabrication processes. The parameters affecting the binding of the components were thoroughly investigated and the possible mechanisms were evaluated to reveal two forms of strong and robust P-O-C binding and dehydration crosslinking. This result will therefore provide important insights for further improving the electrochemical performance of BP-based electrode materials in various energy applications.

Claims (26)

적린을 밀링하여 흑린을 합성하는 단계;
합성된 흑린 및 탄소나노튜브를 공기 중에 노출시키면서 혼합하는 단계;
공기-노출된 흑린 및 탄소나노튜브 혼합물을 밀링하는 단계를 포함하고,
공기 노출 시간은 20 내지 60분이며,
공기 노출을 통해, 흑린의 표면을 산화시켜 소수성이었던 흑린을 친수성으로 표면 개질하고,
공기 노출을 통해, 흑린은 친수성이고 결함 있는 표면층 그리고 빈격자점 결함 및 흡착된 산소 원자를 포함하며,
공기 노출을 통해, 흑린에 오산화인이 형성되고,
오산화인은 물과 반응하여 인산을 형성함으로써, 탄소나노튜브를 표면적으로 기능화시키는 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
Milling red phosphorus to synthesize black phosphorus;
Mixing the synthesized black phosphorus and carbon nanotubes while being exposed to air;
Milling the air-exposed black lean and carbon nanotube mixture,
Air exposure time is 20-60 minutes,
Through air exposure, the surface of the black lean was oxidized to hydrophilically modify the black lean, which was hydrophobic.
Through air exposure, black phosphorus contains hydrophilic and defective surface layers and lattice defects and adsorbed oxygen atoms,
Through air exposure, phosphorus pentoxide is formed in black phosphorus,
Phosphorous pentoxide reacts with water to form phosphoric acid, thereby functionalizing the carbon nanotubes on the surface thereof.
제1항에 있어서,
흑린 합성 단계에서 적린을 불활성 가스 분위기에서 밀링하는 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing a black phosphorus-carbon nanotube composite, characterized in that the red phosphorus is milled in an inert gas atmosphere in a black phosphorus synthesis step.
제2항에 있어서,
불활성 가스는 아르곤이고, 밀링은 유성형 볼 밀을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 2,
Inert gas is argon, milling method of producing a black lean-carbon nanotube composite, characterized in that performed using a planetary ball mill.
제3항에 있어서,
볼-대-분말(BPR) 질량 비율은 40±10:1이고, 밀링 속도는 450±100 rpm이며, 밀링 시간은 10 내지 80시간인 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
Ball-to-powder (BPR) mass ratio is 40 ± 10: 1, milling speed is 450 ± 100 rpm, milling time is 10 to 80 hours, characterized in that the manufacturing method of the black lean-carbon nanotube composite.
제1항에 있어서,
흑린 및 탄소나노튜브의 혼합 비율은 중량 비율로서 5~9:1~5인 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixing ratio of black phosphorus and carbon nanotubes is a weight ratio of 5 to 9: 1 to 5, characterized in that the manufacturing method of the black phosphorus-carbon nanotube composite.
삭제delete 제1항에 있어서,
흑린 및 탄소나노튜브 혼합물의 밀링 단계에서 유성형 볼 밀을 이용하되, 볼-대-분말(BPR) 질량 비율은 20±10:1이고, 밀링 속도는 300±100 rpm이며, 밀링 시간은 10 내지 80시간인 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
Use a planetary ball mill in the milling step of the black phosphorus and carbon nanotube mixtures, with a ball-to-powder (BPR) mass ratio of 20 ± 10: 1, milling speed of 300 ± 100 rpm, and milling time of 10 to 80 Method for producing a black lean-carbon nanotube complex, characterized in that time.
제1항에 있어서,
밀링을 통해, 무정형 적린이 결정성 흑린으로 전환되는 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
Through milling, amorphous red phosphorus is converted to crystalline black phosphorus, characterized in that the method for producing a black phosphorus-carbon nanotube complex.
제1항에 있어서,
합성된 흑린 중 결정성 상의 함량은 60% 이상인 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The content of the crystalline phase in the synthesized black lean is a method for producing a black lean-carbon nanotube complex, characterized in that more than 60%.
삭제delete 제1항에 있어서,
친수성으로 표면 개질된 흑린은 탄소나노튜브와 강한 P-O-C 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing a black lean-carbon nanotube composite, characterized in that the hydrophilic surface-modified black lean forms a strong POC bond with the carbon nanotube.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
밀링을 통해, 탄소나노튜브의 sp2-타입 탄소를 약화시키고, 탄소나노튜브에 빈격자점, 흡착원자, 에지 및 틈새를 형성하며, 탄소나노튜브의 활성 사이트를 증가시키는 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
Through milling, black phosphorus-weakens sp 2 -type carbon of carbon nanotubes, forms lattice points, adsorption atoms, edges and gaps in carbon nanotubes, and increases the active sites of carbon nanotubes. Method for producing a carbon nanotube composite.
제1항에 있어서,
밀링된 탄소나노튜브의 D 밴드 대 G 밴드(ID/IG 비율)은 1.3 이상이고, G-밴드 주파수는 1591 cm-1 이상이며, sp2-타입 탄소의 백분율은 80% 이하인 것을 특징으로 하는 흑린-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The D-to-G band (I D / I G ratio) of the milled carbon nanotubes is 1.3 or more, the G-band frequency is 1591 cm -1 or more, and the percentage of sp 2 -type carbon is 80% or less. Method of producing a black lean-carbon nanotube composite.
활성 재료로서 제1항에 따라 제조된 흑린-탄소나노튜브 복합체, 도전제 및 바인더를 이용한 전극으로서,
바인더는 이성분 바인더이고,
흑린은 P-O-C 화학 결합 및 탈수 가교 결합을 통해 바인더와 결합하며,
탄소나노튜브 및 바인더 사이에 그리고 바인더간에 가교 결합이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
An electrode using a black phosphorus-carbon nanotube composite, a conductive agent and a binder prepared according to claim 1 as an active material,
The binder is a two-component binder,
Black phosphorus binds to the binder through POC chemical bonding and dehydration crosslinking,
An electrode characterized in that crosslinking is formed between the carbon nanotubes and the binder and between the binders.
삭제delete 제17항에 있어서,
바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 소디움 카르복실 메틸 셀룰로오스, 폴리(아크릴산) 중 적어도 2개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
The method of claim 17,
The binder comprises at least two or more of polyvinylidene fluoride, sodium carboxymethyl cellulose, and poly (acrylic acid).
제17항에 있어서,
도전제는 카본 블랙인 것을 특징으로 하는 전극.
The method of claim 17,
An electrically conductive agent is carbon black.
제17항에 있어서,
복합체:도전제:바인더의 혼합 비율은 중량 비율로서 70±10:15±10:15±10인 것을 특징으로 하는 전극.
The method of claim 17,
The mixing ratio of the composite: conductor: binder is 70 ± 10: 15 ± 10: 15 ± 10 as weight ratio.
삭제delete 삭제delete 제17항에 있어서,
전극은 리튬 이온 전지 또는 나트륨 이온 전지의 애노드로서 사용되는 것을 특징으로 하는 전극.
The method of claim 17,
The electrode is used as an anode of a lithium ion battery or a sodium ion battery.
제24항에 있어서,
리튬 이온 전지에서 전극의 방전 용량은 0.2 C의 전류 밀도에서 400 사이클 후에 1600 mAh/g 이상이고, 1번째 방전 용량을 기준으로 80% 이상의 용량을 유지하는 것을 특징으로 하는 전극.
The method of claim 24,
In a lithium ion battery, the electrode has a discharge capacity of 1600 mAh / g or more after 400 cycles at a current density of 0.2 C and maintains a capacity of 80% or more based on the first discharge capacity.
제24항에 있어서,
나트륨 이온 전지에서 전극의 방전 용량은 0.2 C의 전류 밀도에서 200 사이클 후에 1500 mAh/g 이상이고, 1번째 방전 용량을 기준으로 70% 이상의 용량을 유지하는 것을 특징으로 하는 전극.
The method of claim 24,
In a sodium ion battery, the electrode has a discharge capacity of 1500 mAh / g or more after 200 cycles at a current density of 0.2 C and maintains a capacity of 70% or more based on the first discharge capacity.
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