KR102190397B1 - Lithium-sulfur battery cathode active material including the multi-armed nanoparticle, and lithium-sulfur battery including the cathode active material, and mechanical synthesis method for multi-armed nanoparticle - Google Patents

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Abstract

A multi-armed nanoparticle sulfur composite can increase the degree of integration between nanoparticles. Therefore, the multi-armed nanoparticle sulfur composite can be effectively applied to a positive electrode of a lithium-sulfur battery.

Description

다지형 나노입자의 황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지의 양극 활물질, 이를 포함하는 리튬-황 전지, 및 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법{LITHIUM-SULFUR BATTERY CATHODE ACTIVE MATERIAL INCLUDING THE MULTI-ARMED NANOPARTICLE, AND LITHIUM-SULFUR BATTERY INCLUDING THE CATHODE ACTIVE MATERIAL, AND MECHANICAL SYNTHESIS METHOD FOR MULTI-ARMED NANOPARTICLE} BACKGROUND ART A positive active material of a lithium-sulfur battery containing a sulfur complex of multi-branched nanoparticles, a lithium-sulfur battery containing the same, and a physical synthesis method of a multi-branched nanoparticle TECHNICAL FIELD [LITHIUM-SULFUR BATTERY AND LITHIUM-SULFUR BATTERY INCLUDING THE CATHODE ACTIVE MATERIAL, AND MECHANICAL SYNTHESIS METHOD FOR MULTI-ARMED NANOPARTICLE}

본 기재는 다지형 나노입자의 황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지의 양극 활물질, 이를 포함하는 리튬-황 전지 및 다지형 나노 입자의 물리적 합성 방법, 다지형 나노 입자의 황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지의 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present disclosure provides a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery including a sulfur composite of multi-branched nanoparticles, a lithium-sulfur battery including the same, and a method for physical synthesis of multi-branched nanoparticles, and a lithium-containing sulfur composite of multi-branched nanoparticles. It relates to a positive electrode active material of a sulfur battery and a lithium-sulfur battery including the same.

최근 전자제품, 전자기기, 통신기기 등의 소형 경량화가 급속히 진행되고 있으며, 환경 문제와 관련하여 전기 자동차의 필요성이 크게 대두됨에 따라 이들 제품의 동력원으로 사용되는 이차전지의 성능 개선에 대한 요구도 증가하는 실정이다. 그 중 리튬 이차전지는 고 에너지밀도 및 높은 표준전극 전위 때문에 고성능 전지로서 상당한 각광을 받고 있다.Recently, small-sized and lightweight electronic products, electronic devices, communication devices, etc. are rapidly progressing, and as the necessity of electric vehicles emerges greatly in relation to environmental issues, the demand for performance improvement of secondary batteries used as power sources of these products is also increasing. It is a reality. Among them, lithium secondary batteries are receiving considerable attention as high-performance batteries because of their high energy density and high standard electrode potential.

특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur - Sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이 차전지이다. 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다. 또한 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 1675mAh/g이며, 이론 에너지밀도가 2,600Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지밀도(Ni-MH 전지: 450Wh/kg, Li-FeS 전지: 480Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000Wh/kg, Na-S 전지: 800Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 가장 유망한 전지이다.In particular, a lithium-sulfur (Li-S) battery is a secondary battery that uses a sulfur-based material having an S-S bond (Sulfur-Sulfur bond) as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of the positive electrode active material, has the advantage of being very rich in resources, non-toxic, and low weight per atom. In addition, the theoretical discharge capacity of the lithium-sulfur battery is 1675mAh/g, and the theoretical energy density is 2,600Wh/kg. : 480Wh/kg, Li-MnO2 battery: 1,000Wh/kg, Na-S battery: 800Wh/kg), so it is the most promising battery among the batteries being developed so far.

리튬-황 전지의 방전 반응 중 음극(Anode)에서는 리튬의 산화 반응이 발생하고, 양극(Cathode)에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 방전 전의 황은 환 형의 S8 구조를 가지고 있는데, 환원 반응(방전) 시 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응(충전) 시 S-S 결합이 다시 형성되면서 S의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장 및 생성한다. 이런 반응 중 황은 환형의 S8에서 환원 반응에 의해 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sx, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되게 되며, 결국 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되면 최종적으로 리튬 설파이드(Lithium sulfide, Li2S)가 생성되게 된다. 각각의 리튬 폴리설파이드로 환원되는 과정에 의해 리튬-황 전지의 방전 거동은 리튬 이온전지와는 달리 단계적으로 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.During the discharge reaction of a lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the anode, and a reduction reaction of sulfur occurs at the cathode. Sulfur before discharge has a cyclic S8 structure, and the oxidation number of S decreases as the SS bond is broken during the reduction reaction (discharge), and the oxidation number of S increases as the SS bond is re-formed during the oxidation reaction (charging). Electric energy is stored and generated using a reduction reaction. During this reaction, sulfur is converted from cyclic S 8 to linear lithium polysulfide (Li 2 Sx, x = 8, 6, 4, 2) by a reduction reaction, and eventually this lithium polysulfide is completely reduced. Then, lithium sulfide (Li2S) is finally produced. Unlike lithium ion batteries, the discharge behavior of lithium-sulfur batteries by the process of reduction to each lithium polysulfide is characterized by stepwise discharge voltages.

그러나 이러한 리튬-황 전지의 경우, 황의 낮은 전기 전도도, 충방전시 리튬 폴리설파이드의 용출 및 부피 팽창 문제와 이로 인한 낮은 쿨롱 효율 및 충방전에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결해야 한다. 또한 대부분의 연구에서는 공간이 제한되어 있는 실용적인 소자 적용을 위한 또 다른 중요한 측정 기준 인 탭 밀도(Tap density)를 간과해왔다. 일반적으로 양극 물질의 큰 내부 동공(large inner cavity)와 큰 입자간 스페이스(greater interparticle space)는 낮은 탭 밀도를 야기하며 이는 전극의 체적 에너지 밀도에 영향을 미치는 중요한 매개 변수이다. 또한 낮은 탭 밀도는 낮은 체적 용량으로 인해 전극이 두껍고 전자 경로가 더 길어진다. 실용적인 관점에서 높은 황 함유량과 조밀하고 규칙적인 나노 구조로 구성된 적은 양의 호스트 물질이 높은 면적/부피 용량을 갖는 황 양극을 달성하는 효과적인 방법이다. 따라서, 탭 밀도를 높일 수 있는 양극 활물질의 개발이 요구된다. However, in the case of such a lithium-sulfur battery, problems such as low electrical conductivity of sulfur, elution and volume expansion of lithium polysulfide during charging and discharging, and low coulomb efficiency and rapid capacity reduction due to charging and discharging must be solved. In addition, most of the studies have overlooked tap density, another important measurement criterion for practical device applications where space is limited. In general, a large inner cavity and a larger interparticle space of the positive electrode material cause a low tap density, which is an important parameter affecting the volume energy density of the electrode. In addition, the low tap density results in a thicker electrode and a longer electron path due to the low volumetric capacity. From a practical point of view, a high sulfur content and a small amount of host material composed of dense and regular nanostructures is an effective way to achieve a sulfur anode having a high area/volume capacity. Therefore, there is a need to develop a positive electrode active material capable of increasing the tap density.

본 개시는 탭 밀도를 높일 수 있는 양극 활물질을 제공하고자 한다. An object of the present disclosure is to provide a positive electrode active material capable of increasing tap density.

본 개시는 탭 밀도를 높일 수 있는 양극 활물질로 구성된 양극을 포함하는 리튬-황 전지를 제공하고자 한다. The present disclosure is to provide a lithium-sulfur battery including a positive electrode composed of a positive electrode active material capable of increasing the tap density.

본 개시는 탭 밀도를 높일 수 있는 양극 활물질을 구성하는 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법을 제공하고자 한다. An object of the present disclosure is to provide a method for physically synthesizing multi-geometric nanoparticles constituting a positive electrode active material capable of increasing tap density.

실시예들에 따른 양극 활물질은 다지형 나노입자/황 복합체를 포함한다.The positive electrode active material according to the embodiments includes a multi-branched nanoparticle/sulfur composite.

실시예들에 따른 리튬-황 전지는 다지형 나노입자/황 복합체로 이루어진 양극을 포함한다. The lithium-sulfur battery according to the embodiments includes a positive electrode made of a multi-branched nanoparticle/sulfur composite.

실시예들에 따른 탭 밀도를 높일 수 있는 양극 활물질을 구성하는 다지형 나노입자를 합성하기 위한 물리적 합성 방법은 오팔 구조의 고분자 주형틀을 준비하고, 나노입자가 수 분산된 나노입자 전구체를 상기 오팔 구조의 고분자 주형틀에 주입하고, 상기 나노입자 전구체가 주입된 구형 고분자 주형틀을 소결하여 제거하여 역전된 오팔 구조체를 수득하고, 상기 역전된 오팔 구조체를 수 분산시킨 후 물리적으로 분쇄하여 다지형 나노입자를 합성한다. The physical synthesis method for synthesizing the multi-geometric nanoparticles constituting the positive electrode active material capable of increasing the tap density according to the embodiments is to prepare a polymer template having an opal structure, and a nanoparticle precursor in which the nanoparticles are dispersed in water is used as the opal. The structure is injected into a polymer mold, and the spherical polymer mold in which the nanoparticle precursor is injected is sintered and removed to obtain an inverted opal structure, and the reversed opal structure is water-dispersed and then physically pulverized. To synthesize the particles.

기타 본 발명의 측면들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다. Other specifics of aspects of the present invention are included in the detailed description below.

실시예들에 따른 다지형 나노입자의 모폴로지는 나노입자간의 집적도가 높은 구조이다. 따라서, 이들 나노입자를 사용하여 리튬-황 전지의 양극을 구성할 경우 높은 탭 밀도를 구현할 수 있다. The morphology of the multi-geometric nanoparticles according to the embodiments has a high degree of integration between the nanoparticles. Therefore, when using these nanoparticles to form a positive electrode of a lithium-sulfur battery, a high tap density can be realized.

따라서 동일 탭 밀도의 다른 물질 대비 박막 형태로 전극을 구성할 수 있으므로 우수한 율속 특성을 달성할 수 있다. Therefore, since the electrode can be formed in the form of a thin film compared to other materials having the same tap density, excellent rate-limiting characteristics can be achieved.

실시예들에 따른 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법은 종래의 화학적 합성방법에 비해 방법이 간단하며 조성이나 물질에 구애받지 않고 동일하게 적용할 수 있다.The method for physically synthesizing the multi-geometric nanoparticles according to the embodiments is simpler than the conventional chemical synthesis method and can be applied in the same manner regardless of composition or material.

도 1은 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법 및 이를 적용하여 양극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2a는 역전된 오팔 구조(Inversed Opal)의 TiO2(IO TiO2)의 전자 현미경이미지이다.
도 2b는 테트라팟 TiO2(T-TiO2)의 전자 현미경 이미지이다.
도 3a 및 도 3b는 테트라팟 TiO2(T-TiO2)의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지들이다.
도 4a 내지 도 4c는 테트라팟 TiO2(T-TiO2)의 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 맵핑 분석 결과를 나타내는 이미지들이다.
도 5는 테트라팟 TiO2(T-TiO2)의 XRD(X-ray diffraction) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 역전된 역전된 오팔 구조의 TiO2 (IO TiO2)와 테트라팟 TiO2(T-TiO2)의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석 결과와 BJH(Barrett-Joyner-Halend) 분석 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 6c 및 도 6d는 각각 테트라팟 TiO2(T-TiO2)와 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)의 BET 분석 결과와 BJH 분석 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 7은 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)의 TGA(ThermoGravimetric Analysis) 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S) 양극 활물질로 이루어진 양극과 비교예에서 제조한 P25/S 양극 활물질로 이루어진 양극의 수명 특성 평가를 진행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S) 양극 활물질로 이루어진 양극과 비교예에서 제조한 P25/S 양극 활물질로 이루어진 양극의 율속 특성을 평가한 그래프이다.
1 is a schematic diagram illustrating a method of physically synthesizing multi-geometric nanoparticles and a method of forming an anode by applying the same.
Figure 2a is an electron microscope image of TiO 2 (IO TiO 2 ) of an inverted opal structure.
2B is an electron microscope image of tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ).
3A and 3B are TEM (Transmission Electron Microscopy) images of tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ).
4A to 4C are images showing the result of EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) mapping analysis of tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ).
5 is a graph showing XRD (X-ray diffraction) results of tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ).
6A and 6B are BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis results and BJH (Barrett-Joyner-) of TiO 2 (IO TiO 2 ) and tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ) having an inverted opal structure, respectively. Halend) These are graphs showing the analysis results.
6C and 6D are graphs showing BET analysis results and BJH analysis results of a sulfur complex (T-TiO 2 /S) of tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ) and T-TiO 2 , respectively.
7 is a graph showing a TGA (ThermoGravimetric Analysis) analysis of the T-TiO 2 of sulfur composites (T-TiO 2 / S) .
8 is a graph showing a result of proceeding the life characteristics of the positive evaluation consisting of a P25 / S cathode active material manufactured in comparison with the positive electrode made of a sulfur complex (T-TiO 2 / S) the positive electrode active material of the T-TiO 2 for example.
Figure 9 is a graph evaluating the rate controlling properties of the positive electrode composed of a P25 / S positive electrode active material produced in Comparative Example and an anode made of a sulfur complex (T-TiO 2 / S) of the positive electrode active material T-TiO 2.

이하 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 실시예는 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구체적인 실시예로만 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. The embodiments may be implemented in various different forms, and are not limited only to the specific embodiments described herein.

도 1은 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법 및 이를 적용하여 양극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 1 is a schematic diagram illustrating a method of physically synthesizing multi-geometric nanoparticles and a method of forming an anode by applying the same.

다지형 나노입자는 오팔 구조의 고분자 주형틀을 사용하여 역전된 오팔 구조체를 제조한 후 이를 물리적으로 분쇄하는 방법을 적용하여 합성할 수 있다. Multi-geometric nanoparticles can be synthesized by applying a method of physically pulverizing the inverted opal structure using a polymer mold having an opal structure.

고분자 주형틀은 폴리머 오팔 주형일 수 있다. 예를 들면 고분자 주형틀은 폴리스티렌 오팔 주형(polystyrene opal template)일 수 있다. 폴리스트렌 오팔 주형은 분산중합방법으로 스티렌 모노머를 중합하여 형성할 수 있다. 중합후 원심분리를 진행하고 건조시켜 면심입방구조로 정렬된 고분자 주형틀을 형성할 수 있다. The polymer mold may be a polymer opal mold. For example, the polymer mold may be a polystyrene opal template. The polystyrene opal mold can be formed by polymerizing styrene monomers by a dispersion polymerization method. After polymerization, centrifugation can be performed and dried to form polymer molds arranged in a face-centered cubic structure.

정렬된 구조의 고분자 주형틀에 나노입자 전구체를 주입한 후 소결 공정을진행하여 고분자 주형틀을 제거하면 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 고도로 정렬된 역전된 오팔(Inversed Opal) 구조체(10)를 형성할 수 있다. 나노입자 TiO2인 경우 TiO2 나노입자가 수 분산된 나노아모(nanoamor)를 고분자 주형틀에 주입한 후 소정 시간의 소결 과정을 진행하여 고분자 주형틀을 제거하여 고도로 정렬되고 역전된 오팔(Inveresed Opal, IO) 구조의 TiO2 (IO TiO2)를 제조할 수 있다. 소결은 500℃ 전후의 온도에서 2시간 전후로 진행할 수 있다. When the nanoparticle precursor is injected into the polymer mold having an aligned structure and then the sintering process is performed to remove the polymer mold, a highly aligned inverted opal structure 10 is formed as shown in FIG. can do. In the case of nanoparticles TiO 2 , a nanoarmo in which TiO 2 nanoparticles are water-dispersed is injected into a polymer mold, followed by a sintering process for a predetermined period of time to remove the polymer mold to form a highly aligned and inverted opal. , IO) structure of TiO 2 (IO TiO 2 ) can be prepared. Sintering can be carried out at a temperature of around 500°C for about 2 hours.

역전된 오팔 구조체를 수 분산시킨 후 물리적으로 분쇄하여 다지형(multi-armed) 나노입자(20)를 합성할 수 있다. 물리적 분쇄는 초음파처리(ultrasonication) 일 수 있으며 처리는 1시간 내외 일 수 있다. The reversed opal structure may be dispersed in water and then physically pulverized to synthesize multi-armed nanoparticles 20. Physical grinding may be ultrasonication, and treatment may be within 1 hour.

물리적 분쇄를 역전된 오팔 구조의 꼭지점 사이의 연결 부분이 끊어지면서 다지형 나노입자가 형성될 수 있다. IO TiO2를 사용한 경우 테트라팟 TiO2 입자(T-TiO2)가 형성될 수 있다. 테트라팟 TiO2 입자는 약 1㎛ 크기일 수 있다. When the connection between the vertices of the opal structure reversed by physical crushing is broken, multi-branched nanoparticles may be formed. When IO TiO 2 is used, tetrapod TiO 2 particles (T-TiO 2 ) may be formed. The tetrapod TiO 2 particles may have a size of about 1 μm.

필요하다면 추가로 원심분리를 진행하여 다지형 나노입자의 크기를 균일하게 형성할 수 있다. 원심분리는 분획(fractionation)의 의미로 진행하는 것이므로 체질(sieving)을 수행하여 다지형 나노입자의 크기를 균일하게 형성할 수도 있다. If necessary, further centrifugation can be performed to uniformly form the size of the multi-branched nanoparticles. Since centrifugation is performed in the sense of fractionation, sieving may be performed to uniformly form the size of the multi-geometric nanoparticles.

제작한 다지형 나노입자를 리튬-황 전지의 양극 활물질로 적용하기 위해 황 복합화를 수행할 수 있다. 황 복합화는 황화 탄소(carbon sulfide)에 황을 용해한 후, 다지형 나노입자를 혼합하고 황화 탄소 용매를 모두 건조시키고, 이후 용융 황 함침법을 진행하여 다지형 나노입자(20)의 황(30) 복합체(40)를 합성할 수 있다. In order to apply the prepared multi-geometric nanoparticles as a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery, a sulfur compounding may be performed. Sulfur complexation is performed by dissolving sulfur in carbon sulfide, mixing multi-geometric nanoparticles, drying all of the sulfide carbon solvent, and then performing a molten sulfur impregnation method to obtain sulfur (30) of multi-geometric nanoparticles (20). The composite 40 can be synthesized.

합성된 다지형 나노입자(20)의 황(30) 복합체(40)는 통상의 공정을 사용하여 리튬-황 전지의 양극(50)으로 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 양극(50)의 경우 다지형 나노입자(20)의 황(30) 복합체(40)로 인해 높은 탭 밀도를 나타낼 수 있다. 따라서, 밀집도를 높이면 부피를 작게할 수 있고 부피당 에너지를 높일 수 있다. 즉, 저장 에너지 량을 높이지 않고도 종래의 양극 대비 박막으로 형성하여 부피당 에너지를 높일 수 있다. 따라서 양극(50)의 수명 특성을 향상시킬 수 있으며 향상된 율속 성능 특성을 나타낼 수 있다. The sulfur (30) composite 40 of the synthesized multi-geometric nanoparticles 20 may be formed as the positive electrode 50 of a lithium-sulfur battery using a conventional process. In the case of the anode 50 formed in this way, a high tap density may be exhibited due to the sulfur 30 composite 40 of the multi-branched nanoparticles 20. Therefore, if the density is increased, the volume can be reduced and the energy per volume can be increased. That is, energy per volume can be increased by forming a thin film compared to a conventional anode without increasing the amount of stored energy. Accordingly, it is possible to improve the life characteristics of the anode 50 and exhibit improved rate performance characteristics.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예들을 제시하나, 하기 실험예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred experimental examples are presented to aid the understanding of the present invention, but the following experimental examples are only illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실험예Experimental example

테트라팟Tetrapod TiOTiO 22 (T- (T- TiOTiO 22 ) 나노 입자의 물리적 합성 ) Physical synthesis of nanoparticles

먼저 폴리스티렌 오팔 주형(polystyrene opal template)을 사용하여 역전된 오팔 구조(Inversed Opal)의 TiO2 구조(IO TiO2)를 준비하였다. 폴리스티렌 오팔 주형은 600ml DI water에 60mL의 스티렌 모노머(styrene monomer) (Samchun, Acs reagent, 99.5%, KOR)을 넣고, 강하게 저어줌(stirring)과 동시에 온도를 80℃로 높여주고 30분동안 질소 퍼징을 진행한다. 용액이 80℃로 충분히 안정화된 상태에서, 반응기에 개시제로서 0.54g 의 2,2'-Azobis(2-methylpropionitirle)(Junsei, Acs reagent, 98%, Japan)를 넣어 준 후 300RPM으로 80℃에서 12시간 동안 교반하여 중합하였다.First, a TiO 2 structure (IO TiO 2 ) having an inverted opal structure was prepared using a polystyrene opal template. For polystyrene opal mold, 60 mL of styrene monomer (Samchun, Acs reagent, 99.5%, KOR) was added to 600 mL of DI water, and the temperature was raised to 80° C. and purged with nitrogen for 30 minutes. Proceed. With the solution sufficiently stabilized at 80°C, 0.54g of 2,2'-Azobis(2-methylpropionitirle) (Junsei, Acs reagent, 98%, Japan) was added to the reactor as an initiator, and then at 80°C for 12 at 300RPM. Polymerization was carried out by stirring for hours.

그 다음, 제작한 폴리스티렌을 8000 RPM으로 15분 동안 원심분리를 진행한 뒤 상온에서 하루 동안 건조하여 면심입방구조로 배열시킨 구형 고분자 주형틀을 제작하였다.Then, the produced polystyrene was centrifuged at 8000 RPM for 15 minutes, and then dried at room temperature for one day to prepare a spherical polymer mold having a face-centered cubic structure.

그 다음, TiO2 나노입자가 수 분산된 평균 크기 15nm의 나노아모(Nanoamor)를 주입한 뒤 500℃, 2시간의 소결 과정을 거쳐 폴리스티렌 입자를 제거, 역전된 오팔 구조의 TiO2 (IO TiO2) 구조체를 얻었다. Then, after injecting a nanoamor having an average size of 15 nm in which TiO 2 nanoparticles are water-dispersed, polystyrene particles are removed through a sintering process at 500°C for 2 hours, and TiO 2 (IO TiO 2) having an inverted opal structure ) The structure was obtained.

역전된 오팔 구조의 TiO2(IO TiO2)구조체를 5wt%의 농도로 물에 분산시킨 후 초음파(ultrasonication)를 1시간 처리하였다. After dispersing the inverted opal-structured TiO2 (IO TiO 2 ) structure in water at a concentration of 5wt%, ultrasonication was performed for 1 hour.

도 2a는 IO TiO2의 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다. 주형으로 사용된 폴리스티렌 입자의 크기는 약 1.1㎛ 이었으며 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이 제작된 IO TiO2의 크기는 약 900 ㎚로 제작되었고, 내부 동공(cavity)의 사이즈는 약 200~300 ㎚였다. 2A shows an electron microscope (SEM) image of IO TiO 2 . The size of the polystyrene particles used as a template was about 1.1 μm, the size of the IO TiO 2 produced as shown in FIG. 2A was about 900 nm, and the size of the inner cavity was about 200 to 300 nm. .

제작한 IO TiO2 를 5wt% 수준으로 물 분산한 후 초음파(ultrasonication) 공정을 통해 물리적인 분쇄를 진행하여 테트라팟 TiO2 입자(T-TiO2)를 합성하였다. The prepared IO TiO 2 was dispersed in water at a level of 5 wt% and then physically pulverized through an ultrasonication process to synthesize tetrapod TiO 2 particles (T-TiO 2 ).

도 2b는 테트라팟 TiO2 입자 (T-TiO2)의 전자 현미경 이미지이다. 물리적 분쇄를 통해 IO TiO2 구조의 꼭지점 사이의 연결 부분이 끊어지면서 다지형(테트라팟)의 형태로 제작되었음을 도 2b의 이미지로부터 확인할 수 있다. 2B is an electron microscope image of tetrapod TiO 2 particles (T-TiO 2 ). IO TiO 2 via physical grinding It can be seen from the image of FIG. 2B that the connection between the vertices of the structure is cut off and that it is manufactured in the form of a multi-geometric (tetrapod).

테트라팟 TiO2 입자 (T-TiO2)의 크기는 약 1 ㎛ 수준으로 제작되었고, 제작된 입자의 모폴로지는 입자간의 집적도가 높은 구조로서 높은 탭 밀도를 기대할 수 있다. The size of the tetrapod TiO 2 particles (T-TiO 2 ) was manufactured at a level of about 1 μm, and the morphology of the manufactured particles is a structure with a high degree of integration between particles, and a high tap density can be expected.

이후 5000 RPM으로 10분 동안 원심분리를 진행하여, 단분산된 테트라팟 TiO2 입자로 조립할 수 있었다. Thereafter, centrifugation was performed at 5000 RPM for 10 minutes, and the particles were assembled into monodispersed tetrapod TiO 2 particles.

테트라팟Tetrapod TiOTiO 2 2 입자의Particle 황 복합체(T- Sulfur complex (T- TiOTiO 22 /S)의 제조/S)

합성된 테트라팟 TiO2 입자(T-TiO2)를 리튬-황 전지의 양극 활물질로 적용하기 위해 황 복합화를 진행했다. 황 복합화는 황화 탄소(carbon sulfide) 용매에 황을 0.65g을 용해한 후, 테트라팟 TiO2 입자(T-TiO2)을 0.35g 혼합했다. 3시간 동안 혼합 후 황화 탄소 용매가 모두 건조될 때까지 40℃의 온도를 가했다. 그 후 오토클레이브(autoclave)를 사용하여 155℃에서 6시간 동안 용융 황 함침법(melt diffusion)을 통해 테트라팟 TiO2 입자의 황 복합체(T-TiO2/S) 를 합성하였다.In order to apply the synthesized tetrapod TiO 2 particles (T-TiO 2 ) as a positive electrode active material of a lithium-sulfur battery, a sulfur compounding was performed. In the sulfur complexation, 0.65 g of sulfur was dissolved in a carbon sulfide solvent, and then 0.35 g of tetrapod TiO 2 particles (T-TiO 2 ) were mixed. After mixing for 3 hours, a temperature of 40° C. was applied until all of the carbon sulfide solvent was dried. Thereafter, a sulfur complex (T-TiO 2 /S) of tetrapod TiO 2 particles was synthesized through melt diffusion at 155° C. for 6 hours using an autoclave.

비교예Comparative example : 나노 입자 P25 황 복합체 P25/S 입자의 제조: Preparation of nanoparticles P25 sulfur composite P25/S particles

P25를 마노유발을 사용하여 고운파우더로 만들었다. 황 복합화는 황화 탄소용매에 황을 0.65g을 용해한 후, P25 파우더를 0.35g 혼합했다. 3시간 동안 혼합 후 황화 탄소 용매가 모두 건조될 때까지 40℃의 온도를 가했다. 그 후 오토클레이브를 사용하여 155℃에서 6시간 동안 용융 황 함침법(melt diffusion)을 통해 P25황 복합체(P25/S)를 합성하였다. P25 was made into fine powder using agate induction. In the sulfur complexation, 0.65 g of sulfur was dissolved in a sulfide carbon solvent, and then 0.35 g of P25 powder was mixed. After mixing for 3 hours, a temperature of 40° C. was applied until all of the carbon sulfide solvent was dried. Thereafter, a P25 sulfur complex (P25/S) was synthesized through melt diffusion at 155° C. for 6 hours using an autoclave.

다지형Multi-terrain 나노입자의 물성 분석 Analysis of physical properties of nanoparticles

TEMTEM (Transmission Electron Microscopy) 분석(Transmission Electron Microscopy) analysis

제작한 테트라팟 TiO2(T-TiO2)의 미세구조를 확인하기 위해 TEM (transmission electron microscopy) 분석을 실시하였다. 제작한 테트라팟의 구조는 도 3a 및 도 3b에서 확인할 수 있는데, 다지형의 구조로서 제작되었음을 확인할 수 있다. 제작된 테트라팟 구조는 등방성, 다지형의 모폴로지로 인해 퍼콜레이션 임계치(percolation threshold)가 매우 낮기 때문에 고집적된 형태로 이루어져 있어 높은 전기전도도의 특성 구현이 가능한 것으로 알려져 있다.TEM (transmission electron microscopy) analysis was performed to confirm the microstructure of the prepared tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ). The structure of the produced tetrapod can be confirmed in FIGS. 3A and 3B, and it can be confirmed that it was manufactured as a multi-branched structure. The fabricated tetrapod structure has a very low percolation threshold due to an isotropic, multi-geometric morphology, so it is known that it is highly integrated and can realize high electrical conductivity characteristics.

EDS(Energy EDS(Energy DispersiveDispersive Spectroscopy) Spectroscopy) 맵핑Mapping 분석 analysis

TEM 분석 중 TEM 이미지를 촬영하고 해당 위치에서 EDS 분석기능을 통해 테트라팟 입자의 TiO2 및 황 원소에 대한 EDS 맵핑 분석을 실시하여, 그 결과를 도 4a 내지 도 4c에 나타내었다.During the TEM analysis, a TEM image was taken, and EDS mapping analysis was performed on the TiO 2 and sulfur elements of the tetrapod particles through the EDS analysis function at the corresponding location, and the results are shown in FIGS. 4A to 4C.

도 4a 및 도 4c에서 확인할 수 있듯이, 실시예의 테트라팟 TiO2 입자에 황이 혼재되어 존재하며, 균일하게 분포되어 있는 것을 EDS 이미지에서 확인하였다. As can be seen in FIGS. 4A and 4C, it was confirmed from the EDS image that sulfur was present in the tetrapod TiO 2 particles of the example, and uniformly distributed.

XRDXRD (X-ray diffraction) 분석(X-ray diffraction) analysis

테트라팟 TiO2 입자, 황, 테트라팟 TiO2/S 복합체를 그리드에 도포한 뒤, X-ray 빔을 조사하면서 빔의 앵글을 2 θ/min으로 변경하면서 빔의 회절을 측정하여 해당 입자의 결정성을 분석하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.After applying the tetrapod TiO 2 particles, sulfur, and tetrapod TiO 2 /S composite to the grid, while irradiating the X-ray beam, changing the angle of the beam to 2 θ/min and measuring the diffraction of the beam to determine the particle The sex was analyzed and the results are shown in FIG. 5.

도 5에서 확인할 수 있듯이, 확인된 테트라팟 TiO2 피크는 25.4o, 37.9o, 48.1o, 54.2o, 55.2o에서 확인되며 이는 (105), (211), (204), (116), (220)에 대응한다. 확인된 테트라팟 TiO2 피크는 아나타제(anatase) TiO2 (JCPDS card no. 21-1272)에 색인 됨을 확인하였다. 황을 나타내는 회절 피크는 23.3o, 26.15o, 27.6o, 29o, 42.8o, 48o, 51.3o에서 확인할 수 있다. 테트라팟 TiO2/S 복합체는 테트라팟 TiO2 피크와 황 피크가 혼재되어 나타남을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 5, the confirmed tetrapod TiO 2 peaks are confirmed at 25.4 o , 37.9 o , 48.1 o , 54.2 o , and 55.2 o , which are (105), (211), (204), (116), ( 220). It was confirmed that the confirmed tetrapod TiO 2 peak was indexed into anatase TiO 2 (JCPDS card no. 21-1272). The diffraction peaks representing sulfur can be found at 23.3 o , 26.15 o , 27.6 o , 29 o , 42.8 o , 48 o and 51.3 o . It can be seen that the tetrapod TiO 2 /S complex appears as a mixture of the tetrapod TiO 2 peak and the sulfur peak.

BET & BET & BJHBJH ( ( BrunauerBrunauer , Emmett and Teller & , Emmett and Teller & BarrettBarrett -- JoynerJoyner -- HalendaHalenda ) 분석) analysis

역전된 오팔 구조의 TiO2 (IO TiO2)와 물리적 분쇄를 통해 제작된 테트라팟 TiO2(T-TiO2)의 N2 흡착-탈착 분석(adsorption-desorption analysis)을 위해 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석을 진행하였다. 그 결과가 도 6a에 예시되어 있다. IO TiO2의 비표면적은 51.8 m2/g이며, 테트라팟 TiO2(T-TiO2)는 91.13 m2/g의 비표면적을 나타내는데, 이는 물리적인 분쇄 후에 절단된 꼭지점이 표면적으로 잡히면서 증가한 것으로 보인다. The reverse opal structure of TiO 2 (IO TiO 2) and a physical grinding the tetra pot TiO 2 (T-TiO 2) N 2 adsorption in the production through-desorption analysis (adsorption-desorption analysis) BET ( Brunauer-Emmett- for Teller) analysis was performed. The results are illustrated in Fig. 6A. The specific surface area of IO TiO 2 is 51.8 m 2 /g, and the tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ) has a specific surface area of 91.13 m 2 /g, which is increased as the cut vertices are caught in the surface area after physical grinding. see.

또한 BJH(Barrett-Joyner-Halend) 분석을 수행한 후 그 결과를 도 6b에 나타내었다. 도 6b로부터 테트라팟 TiO2(T-TiO2)가 IO TiO2 보다 약 10배의 4 nm 포어(pore)를 가지고 있음을 확인했다. 마찬가지로 4 nm 이하의 메조포어 영역(mesopore area)에서도 2배 이상의 기공을 관찰할 수 있었다. 이는 IO TiO2가 물리적으로 분쇄되면서 테트라팟 TiO2(T-TiO2) 구조의 입자간의 높은 집적도에 기인하여 아암(arm)과 아암 사이에 생성된 기공의 증 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)가로 보인다. In addition, after performing BJH (Barrett-Joyner-Halend) analysis, the results are shown in FIG. 6B. From FIG. 6B, it was confirmed that the tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ) had a 4 nm pore that was about 10 times that of IO TiO 2 . Similarly, more than twice the pores could be observed in the mesopore area of 4 nm or less. This is due to the high degree of integration between the particles of the tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ) structure as IO TiO 2 is physically pulverized, and the increase of the pores formed between the arms and the T-TiO 2 sulfur complex (T -TiO 2 /S) seems to be.

형성 후 BET 를 측정한 결과 표면적(surface area)는 도 5c에 나타낸 것과 같이 6.25 m2/g으로 감소함을 확인하였다. 또한 도 5d에 나타낸 것과 같이 BJH 분석으로 볼 수 있듯이 4 nm 피크가 거의 사라졌다는 것을 볼 수 있다. 결과적으로 테트라팟 TiO2가 고밀도의 물질이기 때문에 연결된 아암과 아암의 스캐폴드(scaffold)를 통해 미세 기공으로의 황 확산을 촉진시킨다는 것을 알 수 있다. 이를 통해 내부 미세 기공에 황(sulfur)이 충분히 담지 되고, 그 결과 충·방전 동안 폴리설파이드(polysulfide) 중간체가 전해질로 용출되는 것을 방지할 것으로 예상할 수 있다. As a result of measuring BET after formation, it was confirmed that the surface area decreased to 6.25 m 2 /g as shown in FIG. 5C. In addition, as shown in Fig. 5d, it can be seen that the 4 nm peak almost disappeared as can be seen by BJH analysis. As a result, it can be seen that since the tetrapod TiO 2 is a high-density material, it promotes the diffusion of sulfur into the micropores through the connected arms and the scaffold of the arms. Through this, it can be expected that sulfur is sufficiently supported in the inner micropores, and as a result, the polysulfide intermediate is prevented from eluting into the electrolyte during charging and discharging.

열 중량 분석 (Thermogravimetric Analysis ( ThermogravimetricThermogravimetric analysis) analysis)

T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)의 황의 중량을 확인하기 위해 TGA(ThermoGravimetric Analysis) 분석을 진행하고 그 결과를 도 7에 도시하였다. T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)가 약 300℃에서 64%의 중량 감소가 있음을 알 수 있다. 이를 통해 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)에서 황이 64% 복합화 되어 있음을 확인할 수 있었다.The results proceed to TGA (ThermoGravimetric Analysis) and analyzed for sulfur to determine the weight of TiO 2 of the T-sulfur complex (T-TiO 2 / S) is shown in Fig. The T-TiO 2 of sulfur composites (T-TiO 2 / S) it can be seen that the weight loss at about 300 ℃ 64%. This was confirmed that the sulfur is 64% complexed in the sulfur composite (T-TiO 2 / S) of the T-TiO 2.

리튬-황 전지의 양극 전극에 적용시의 물성 평가Evaluation of physical properties when applied to positive electrode of lithium-sulfur battery

T-T- TiOTiO 22 of 황 복합체(T- Sulfur complex (T- TiOTiO 22 /S)로 이루어진 양극의 수명 특성 평가/S) to evaluate the life characteristics of the positive electrode

T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)로 이루어진 양극 활물질을 사용하여 형성한양극의 우수한 수명을 입증하기 위해 장기간 수명 특성 평가를 확인하였다. 그 결과가 도 8에 예시되어 있다. 1C의 전류 밀도 조건에서 T-TiO2/S 전극에 대해 대해 평가를 진행하였고 초기 용량은 860 mAh/g을 나타냈다. 각각 200 cycles 후의 방전 용량은 757 mAh/g(88% 유지율)을 나타냈으며, 평균 쿨롱 효율은 각각 99% 와 98%를 보였다. To demonstrate the superior life of the positive electrode formed by using the positive electrode active material consisting of sulfur composites (T-TiO 2 / S) of the T-TiO 2 it was confirmed evaluate the long-term service life properties. The results are illustrated in FIG. 8. Evaluation was performed on the T-TiO 2 /S electrode under the current density condition of 1C, and the initial capacity was 860 mAh/g. The discharge capacity after each 200 cycles was 757 mAh/g (88% retention rate), and the average Coulomb efficiency was 99% and 98%, respectively.

한편, 비교예에서 제작한 P25/S의 수명 특성 평가를 1 C 조건에서 평가하였다. 200 cycles 동안 454 mAh/g(44% 유지율)을 나타냈다. 이러한 전기 화학 성능의 차이는 테트라팟 TiO2(T-TiO2)입자의 고집적 구조로서 나타나는 효과에 기인하는 것으로 해석된다. 고집적의 높은 탭 밀도의 전극은 짧은 전자 이동경로로를 제공할 수 있다. 즉, 테트라팟 TiO2(T-TiO2)와 황(sulfur) 사이에 밀접한 접촉을 유발하여 액티브(active)한 황 종이 충방전시 효과적으로 활용될 수 있다. 동시에 제작한 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S) 전극에서 사용된 아나타제 TiO2는 폴리설파이드(polysulfide)와의 강한 화학 결합 작용을 통해 전해질로서의 지속적인 용출을 방지하여 폴리설파이드(polysulfide)의 셔틀 효과를 억제하므로, 전극의 전기 화학적 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있다. On the other hand, evaluation of the life characteristics of P25/S produced in Comparative Example was evaluated under 1 C condition. It exhibited 454 mAh/g (44% retention) over 200 cycles. This difference in electrochemical performance is interpreted to be due to the effect that appears as a highly integrated structure of tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ) particles. Highly integrated, high tap density electrodes can provide a short electron transfer path. That is, by inducing close contact between tetrapod TiO 2 (T-TiO 2 ) and sulfur, active sulfur species can be effectively utilized during charging and discharging. At the same time, the anatase TiO 2 used in the T-TiO 2 sulfur composite (T-TiO 2 /S) electrode prevents continuous elution as an electrolyte through a strong chemical bonding action with polysulfide, which is a polysulfide. Suppressing the shuttle effect of the electrode, it is possible to improve the electrochemical performance and stability of the electrode.

T-T- TiOTiO 22 of 황 복합체(T- Sulfur complex (T- TiOTiO 22 /S)로 이루어진 양극의 /S) of the positive electrode 율속Rate 특성 평가 Property evaluation

실험예에서 합성한 T-TiO2의 황 복합체(T-TiO2/S)로 이루어진 전극과 비교예에서 합성한 P25/S로 이루어진 전극에서 0.1C rate에서 2C rate 까지 충·방전 전류 밀도를 증가시킴으로써 비교하였다. 그 결과가 도 8에 예시되어 있다. T-TiO2/S 로 이루어진 전극이 P25/S로 이루어진 전극에 비해 훨씬 더 높은 방전 용량을 나타내었으며, 다양한 전류 밀도 조건에서 더 우수함을 알 수 있다. T-TiO2/S 로 이루어진 전극은 0.1, 0.2, 0.5, 1 및 2 C 에서의 방전 용량이 각각 1039, 926, 806, 698 및 601 mAh/g 로 나타났다. 반면에 P25/S로 이루어진 전극의 방전 용량은 각각 942, 809, 663, 551 및 451 mAh/g로 나타났다. 0.1C 속도에서의 용량과 비교하여, T-TiO2/S 전극은 2 C 속도에서도 58%를 유지하지만, P25/S 전극은 47%의 낮은 유지율을 보인다. 전체 전극에서의 고속 전하 캐리어 수송은 전지 성능에 결정적인 요소인데, 전자 및 리튬 이온에 대한 짧은 이송 거리는 우수한 율속 성능을 달성할 수 있다. T-TiO2/S 는 앞에서도 설명한 바와 같이 높은 탭 밀도에 의해 같은 중량당 P25/S에 비해 얇은 전극으로 구현이 될 수 있다. 따라서 제작한 전극은 전자 및 리튬 이온의 짧은 이송 거리를 제공하기 때문에 향상된 율속 성능 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 상기에서는 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 권리범위는 이에 의해 한정되는 것이 아니다. 구현되는 형태는 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 권리 범위에 속하는 것은 당연하다.Increase the charge/discharge current density from 0.1C rate to 2C rate in the electrode made of the sulfur composite (T-TiO 2 /S) of T-TiO 2 synthesized in the experimental example and the electrode made of P25/S synthesized in the comparative example. Compared by doing. The results are illustrated in FIG. 8. It can be seen that the electrode made of T-TiO 2 /S exhibited a much higher discharge capacity than the electrode made of P25/S, and was better under various current density conditions. Electrodes made of T-TiO 2 /S showed discharge capacities at 0.1, 0.2, 0.5, 1 and 2 C of 1039, 926, 806, 698 and 601 mAh/g, respectively. On the other hand, the discharge capacities of the electrodes made of P25/S were 942, 809, 663, 551 and 451 mAh/g, respectively. Compared to the capacity at the 0.1C rate, the T-TiO 2 /S electrode maintains 58% even at the 2C rate, while the P25/S electrode shows a low retention rate of 47%. High-speed charge carrier transport in the entire electrode is a decisive factor in battery performance, and a short transport distance for electrons and lithium ions can achieve excellent rate performance. T-TiO 2 /S can be implemented as an electrode thinner than P25/S per weight due to high tap density as described above. Therefore, it can be seen that the fabricated electrode provides a short transport distance for electrons and lithium ions, and thus exhibits improved rate performance characteristics. Although various embodiments have been described above, the scope of the rights is not limited thereto. The implementation form can be implemented in various ways within the scope of the detailed description of the invention and the accompanying drawings, and it is natural that this also belongs to the scope of the rights.

Claims (16)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 오팔 구조의 고분자 주형틀을 준비하고,
나노입자가 수 분산된 나노입자 전구체를 상기 오팔 구조의 고분자 주형틀에 주입하고,
상기 나노입자 전구체가 주입된 구형 고분자 주형틀을 소결하여 제거하여 역전된 오팔 구조체를 수득하고,
상기 역전된 오팔 구조체를 수 분산시킨 후 물리적으로 분쇄하여 다지형 나노입자를 합성하는 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법.
Prepare a polymer mold with an opal structure,
Injecting a nanoparticle precursor in which nanoparticles are water-dispersed into a polymer mold having the opal structure,
Sintering and removing the spherical polymer mold in which the nanoparticle precursor was injected to obtain an inverted opal structure,
A method of physically synthesizing multi-branched nanoparticles by dispersing the inverted opal structure in water and then physically pulverizing it to synthesize the multi-branched nanoparticle.
제5 항에 있어서,
상기 물리적으로 분쇄하는 것은 초음파 처리에 의해 분쇄하는 것인 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법.
The method of claim 5,
The physically pulverizing is a physical synthesis method of multi-branched nanoparticles pulverized by ultrasonic treatment.
제5 항에 있어서,
상기 나노입자는 TiO2이고,
상기 다지형 나노입자는 테트라팟 구조의 TiO2인 다지형 나노입자의 물리적합성 방법.
The method of claim 5,
The nanoparticles are TiO 2 ,
The multi-branched nanoparticle is a method for physical synthesis of a multi-branched nanoparticle of TiO 2 having a tetrapod structure.
제5 항에 있어서,
상기 오팔 구조의 고분자 주형틀은 폴리스티렌 오팔 주형인 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법.
The method of claim 5,
The opal-structured polymer mold is a method for physically synthesizing multi-branched nanoparticles that are polystyrene opal molds.
제5 항에 있어서,
상기 역전된 오팔 구조체를 수 분산시킨 후 물리적으로 분쇄하여 다지형 나노입자를 합성한 후,
원심분리 또는 체질(sieving)을 추가로 진행하여 단분산된 상기 다지형 나노입자로 조립되도록하는 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법.
The method of claim 5,
After dispersing the inverted opal structure in water and pulverizing it physically to synthesize multi-branched nanoparticles,
A physical synthesis method of multi-branched nanoparticles in which the multi-branched nanoparticles are assembled into monodispersed multi-branched nanoparticles by additional centrifugation or sieving.
제5 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 의해 합성된 다지형 나노입자를 황 복합화하여 형성한 다지형 나노입자 황 복합체로 이루어진 리튬-황 전지의 양극 활물질. A positive electrode active material for a lithium-sulfur battery comprising a multi-regional nanoparticle-sulfur composite formed by compounding the multi-regional nanoparticles synthesized according to any one of claims 5 to 9. 제10 항의 양극 활물질로 이루어진 양극을 포함하는 리튬-황 전지. A lithium-sulfur battery comprising a positive electrode made of the positive electrode active material of claim 10. 폴리스티렌 오팔 주형틀을 준비하고,
상기 폴리스티렌 오팔 주형틀에 TiO2 전구체를 주입하고,
상기 폴리스티렌 오팔 주형틀을 소결하여 역전된 오팔 구조의 TiO2 구조체를 수득하고,
상기 역전된 오팔 구조의 TiO2 구조체를 수 분산시킨 후 물리적으로 분쇄하여 테트라팟 TiO2 입자를 합성하는 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법.
Prepare a polystyrene opal mold,
TiO 2 in the polystyrene opal mold Inject the precursor,
TiO 2 having an inverted opal structure by sintering the polystyrene opal mold To obtain a structure,
TiO 2 of the reversed opal structure A physical synthesis method of multi-branched nanoparticles in which the structure is dispersed in water and then physically pulverized to synthesize tetrapod TiO 2 particles.
제12 항에 있어서,
상기 물리적으로 분쇄하는 것은 초음파 처리에 의해 분쇄하는 것인 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법.
The method of claim 12,
The physically pulverizing is a physical synthesis method of multi-branched nanoparticles pulverized by ultrasonic treatment.
제12 항에 있어서,
상기 역전된 오팔 구조의 TiO2 구조체를 수 분산시킨 후 물리적으로 분쇄하여 테트라팟 TiO2 입자를 합성한 후,
원심분리 또는 체질(sieving)을 추가로 진행하여 단분산된 테트라팟 TiO2 입자로 조립되도록 하는 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법.
The method of claim 12,
TiO 2 of the reversed opal structure After dispersing the structure in water, it was physically pulverized to synthesize tetrapod TiO 2 particles,
A physical synthesis method of multi-branched nanoparticles that is further subjected to centrifugation or sieving to be assembled into monodispersed tetrapod TiO 2 particles.
제12 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 의해 합성된 테트라팟 TiO2 입자를 황 복합화하여 형성한 테트라팟 TiO2 황 복합체로 이루어진 리튬-황 전지의 양극 활물질. Of claim 12 to claim 14 to form a Tetra pot TiO 2 particles synthesized by any one of the composite of sulfur wherein the tetra-pot TiO 2 A cathode active material for a lithium-sulfur battery made of a sulfur composite. 제15 항의 양극 활물질로 이루어진 양극을 포함하는 리튬-황 전지. A lithium-sulfur battery comprising a positive electrode made of the positive electrode active material of claim 15.
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KR20180132765A (en) * 2016-04-01 2018-12-12 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 Formation of high quality, titania, alumina and other metal oxide casting materials through ball assembly

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R. Yang et al., "ZnO nanoparticles filled tetrapod-shaped carbon shell for lithium-sulfur batteries", Carbon 141 (2019) 258-265* *
X. Z Ma et al., "S-TiO2 composite cathode materials for lithium/sulfur batteries", Journal of Electroanalytical Chemistry 736 (2015) 127-131* *

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