KR102304760B1 - Nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for sodium ion battery of core-shell structure, manufacturing method thereof and sodium ion battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 소듐이온전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산촉매 반응을 통해 고분자 전구체로부터 얻어진 고분자를 쉘부로 하여 코어부인 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드의 표면을 코팅시키고, 이를 열처리함으로써 균일한 입자 크기를 갖는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 쉘부인 탄화된 다공성 탄소가 복합체의 입자크기를 조절함으로써 이를 소듐이온전지의 음극재료로 적용 시 충방전 과정에서 음극 활물질의 부피팽창 및 음극 표면의 고체전해질계면층 성장을 방지할 수 있으며, 전해질 부반응이 발생하는 것을 억제하여 전지의 충방전 용량, 수명 및 율속과 같은 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure, a method for producing the same, and a sodium ion battery comprising the same, and more particularly, a polymer obtained from a polymer precursor through an acid catalytic reaction into a shell part Thus, a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite having a uniform particle size can be prepared by coating the surface of the nitrogen-doped molybdenum sulfide, which is the core part, and heat-treating it. In addition, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for sodium ion battery of the present invention controls the particle size of the carbonized porous carbon as a shell part of the composite. It is possible to prevent the growth of the solid electrolyte interfacial layer on the surface of the anode, and to suppress the occurrence of electrolyte side reactions, thereby improving the electrochemical properties such as charge/discharge capacity, lifespan and rate of the battery.
Description
본 발명은 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 소듐이온전지에 관한 것이다.The present invention relates to a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure, a manufacturing method thereof, and a sodium ion battery including the same.
이차전지에 대한 수요가 커짐에 따라 스마트폰(Smartphone), 랩탑(Laptop)과 같은 소형 전자기기부터 하이브리드 전기자동차(Hybrid electrical vehicle, HEVs) 및 순수 전기자동차(Electric vehicle, EVs), 대용량 전력저장 시스템 (Energy storage system, ESS)에 이르기까지 많은 분야에서 에너지 저장장치에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 ESS의 에너지원으로써 리튬이온전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 리튬 자원의 지역 편재화와 급격한 가격변동 등의 문제로 이를 대체할 수 있는 차세대 이차전지에 대한 연구가 새로이 주목받고 있다. 그 중 지각에 풍부히 존재하며 리튬 자원보다 가격이 저렴한 소듐 자원을 활용하는 소듐이온전지가 리튬이온전지를 대체할 차세대 이차전지로써 각광받고 있다. As the demand for secondary batteries grows, from small electronic devices such as smartphones and laptops to hybrid electric vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs), large-capacity power storage systems (Energy storage system, ESS) interest in energy storage devices is growing in many fields. In particular, although research on lithium-ion batteries as an energy source for ESS is being actively conducted, research on next-generation secondary batteries that can replace them is attracting new attention due to problems such as regional localization of lithium resources and rapid price fluctuations. Among them, sodium ion batteries, which are abundant in the earth's crust and utilize sodium resources that are cheaper than lithium resources, are spotlighted as next-generation secondary batteries to replace lithium ion batteries.
하지만 리튬 이온 대비 약 1.3배 큰 소듐 이온 반경 때문에, 리튬 이온 전지의 상용화 음극인 흑연은 소듐이온전지에 적용될 수 없어 이를 대체할 소듐이온전지 음극 소재의 개발이 필요한 상황이다. 소듐이온전지용 음극 소재의 대안으로서 안티모니(Sb) 및 주석(Sn)은 소듐이온과 합금 반응에 의한 충/방전 거동을 갖는 금속 소재로 각각 660, 847 mAh/g의 높은 이론 용량을 갖는다는 장점으로 인해 많은 연구가 수행되고 있다.However, due to the sodium ion radius about 1.3 times larger than that of lithium ion, graphite, a commercial anode for lithium ion batteries, cannot be applied to sodium ion batteries, so the development of an anode material for sodium ion batteries is necessary. As an alternative to anode materials for sodium ion batteries, antimony (Sb) and tin (Sn) are metal materials with charge/discharge behavior by alloying with sodium ions, and have high theoretical capacities of 660 and 847 mAh/g, respectively. For this reason, many studies are being conducted.
한편, 또 다른 소듐이온전지용 고용량 음극 소재로서, 몰리브덴 설파이드(MoS2) 또는 안티모니 설파이드(Sb2S3)는 소듐 이온과 전환 반응에 의한 670, 946 mAh/g의 높은 이론 용량을 가질뿐만 아니라 안티모니 및 주석보다 안정성이 우수한 이점이 있다. 하지만 모든 합금계 및 변환계 고용량 음극 소재들은 충/방전 거동 시 발생하는 극심한 부피 팽창의 문제, 물질 표면 고체전해질계면(Solid electrolyte interphase, SEI)층의 성장 및 전해질 부반응과 관련하여 배터리의 수명 안정성을 크게 저해하는 문제들을 여전히 지니고 있다.On the other hand, as another high-capacity negative electrode material for sodium ion batteries, molybdenum sulfide (MoS 2 ) or antimony sulfide (Sb 2 S 3 ) has not only high theoretical capacities of 670, 946 mAh/g by conversion reaction with sodium ions, but also It has the advantage of better stability than antimony and tin. However, all alloy-based and conversion-based high-capacity anode materials have improved battery life stability in relation to the problem of extreme volume expansion that occurs during charge/discharge behavior, the growth of the solid electrolyte interphase (SEI) layer on the material surface, and electrolyte side reactions. It still has problems that greatly hinder it.
이러한 문제들을 개선하기 위한 시도로서 중국 East China 대학의 Chunzhong Li 연구팀은 2017년 나노시트(Nanosheet) 형상의 MoS2를 합성하여 소듐이온전지 음극소재로서 적용한 연구를 발표한 바 있으며, 최근 중국 Qilu 대학의 Xiangeng Meng 연구팀은 2018년 나노튜브(Nanotubes) 형상의 MoS2를 합성하여 소듐이온전지 음극 소재로서 적용한 연구를 발표한 바 있다. 이러한 노력에도 불구하고 선행 연구들은 복합한 공정이 요구되어 공정비용을 상승시키는 문제를 가지고 있으며, MoS2는 소듐 이온전지에서도 여전히 충/방전 중 극심한 부피 팽창이 일어나 고용량 음극 소재로서 그 한계가 큰 단점이 있다. In an attempt to improve these problems, Chunzhong Li's research team at East China University in China announced a study in 2017 that synthesized nanosheet-shaped MoS 2 and applied it as a cathode material for sodium ion batteries. Xiangeng Meng's research team announced a study in 2018 that synthesized MoS 2 in the shape of nanotubes and applied it as a cathode material for sodium ion batteries. Despite these efforts, previous studies have a problem of increasing the process cost because a complex process is required, and MoS 2 still has extreme volume expansion during charging/discharging even in sodium ion batteries, so it has a large limitation as a high-capacity anode material. There is this.
종래 한국공개특허 제2016-041625호는 염산 용액 하에 이황화몰리브덴(MoS2) 전구체 입자를 형성한 후 탄화수소 가스를 흘려주며 열처리하여 MoS2/카본 나노 복합체를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 문헌의 경우 복합체의 형성과정에서 별도의 염산 용액를 혼합하고, 탄화수소 가스를 흘려주어야 하기 때문에 제조공정이 복잡하며, 상기 탄화수소 가스로는 MoS2/카본 나노 복합체의 입자크기를 제어하는 것이 어렵고, 입자가 응집되는 현상이 발생하여 균일하고 일정한 크기의 복합체를 제조하는데 한계가 있다.Conventional Korean Patent Application Laid-Open No. 2016-041625 discloses a method for manufacturing MoS 2 / carbon nanocomposite by forming molybdenum disulfide (MoS 2 ) precursor particles in a hydrochloric acid solution and then performing heat treatment while flowing hydrocarbon gas. However, in the case of the above document, a separate hydrochloric acid solution is mixed in the process of forming the complex, and the manufacturing process is complicated because a hydrocarbon gas must be flowed, and it is difficult to control the particle size of the MoS 2 / carbon nanocomposite with the hydrocarbon gas. is agglomerated, so there is a limitation in manufacturing a composite having a uniform and uniform size.
따라서, 기존의 소듐이온전지용 음극소재가 가진 극심한 부피팽창의 문제, 음극 표면의 SEI층 성장 및 전해질 부반응과 같은 문제를 해결하는 것이 시급하며, 이를 개선하기 위한 새로운 음극소재에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is urgent to solve problems such as the problem of extreme volume expansion of the existing anode materials for sodium ion batteries, the growth of the SEI layer on the surface of the anode, and the electrolyte side reaction, and research and development for new anode materials is necessary to improve these problems. am.
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 제조공정이 간단하며, 균일한 입자 크기를 갖는 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure having a simple manufacturing process and a uniform particle size. .
또한 본 발명은 전기전도성 및 구조적 안정성이 향상된 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure with improved electrical conductivity and structural stability.
또한 본 발명은 음극 활물질의 부피팽창 및 음극 표면의 SEI층 성장을 방지하는 동시에 전해질 부반응 발생이 억제된 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 포함하는 소듐이온전지용 음극재료를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a negative electrode material for sodium ion batteries comprising the nitrogen-doped molybdenum sulfide / carbon composite in which the occurrence of electrolyte side reactions is suppressed while preventing the volume expansion of the negative electrode active material and the growth of the SEI layer on the surface of the negative electrode. do.
또한 본 발명은 충방전 용량, 수명 및 율속과 같은 전기화학적 특성이 향상된 상기 음극재료를 포함하는 소듐이온전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a sodium ion battery comprising the anode material having improved electrochemical properties such as charge/discharge capacity, lifespan and rate.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means and combinations thereof described in the claims.
본 발명은 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체, 고분자 전구체 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 60~90 ℃에서 14~32 시간 동안 반응시켜 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 열처리하여 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing a mixture by mixing a molybdenum precursor, a precursor containing sulfur and nitrogen, a polymer precursor, and a solvent; preparing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer complex by reacting the mixture at 60 to 90° C. for 14 to 32 hours; and heat-treating the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite to prepare a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite. do.
상기 몰리브덴 전구체는 MoCl5, MoF6, MoCl6, MoO3, Mo(CO)6, Na2MoO4ㆍ2H2O 및 (NH4)6Mo7O24ㆍ4H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The molybdenum precursor is MoCl 5 , MoF 6 , MoCl 6 , MoO 3 , Mo(CO) 6 , Na 2 MoO 4 .2H 2 O and (NH 4 )6Mo 7 O 24 .4H 2 O One selected from the group consisting of may be more than
상기 황 및 질소를 포함하는 전구체는 티오아세트아미드, 티오우레아 및 아미노티오페놀로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The precursor containing sulfur and nitrogen may be at least one selected from the group consisting of thioacetamide, thiourea, and aminothiophenol.
상기 고분자 전구체는 푸르푸랄, 아닐린, 아세틸렌, 피롤 및 티오펜으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The polymer precursor may be at least one selected from the group consisting of furfural, aniline, acetylene, pyrrole, and thiophene.
상기 용매는 에탄올, 프로판올, 메탄올, 부탄올, 펜탄올, 헥사놀, 아세노니트릴, 에틸 아세테이트, 디에틸에테르, 트리클로로에틸렌 및 디글로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of ethanol, propanol, methanol, butanol, pentanol, hexanol, acenonitrile, ethyl acetate, diethyl ether, trichloroethylene and diglomethane.
상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2.2: 7.7: 0.1 내지 0.8: 7.7: 1.5 몰비로 혼합될 수 있다.In the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor containing sulfur and nitrogen, and the polymer precursor may be mixed in a molar ratio of 2.2: 7.7: 0.1 to 0.8: 7.7: 1.5.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 환원 분위기 하에서 700 내지 1000 ℃에서 30분 내지 4 시간 동안 수행할 수 있다.In the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, the heat treatment may be performed at 700 to 1000° C. under a reducing atmosphere for 30 minutes to 4 hours.
상기 환원 분위기는 수소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 및 질소 가스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행할 수 있다.The reducing atmosphere may be performed in at least one inert gas selected from the group consisting of hydrogen gas, argon gas, helium gas, and nitrogen gas.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드 화합물을 포함하는 코어부; 및 탄화된 다공성 탄소를 포함하는 쉘부;를 포함하고, 상기 코어부는 표면의 전부 또는 적어도 일부가 쉘부에 의해 피복되어 있는 코어-쉘 구조일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may include a core including a nitrogen-doped molybdenum sulfide compound; and a shell portion including carbonized porous carbon, wherein the core portion may have a core-shell structure in which all or at least a portion of a surface of the core portion is covered by the shell portion.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 400~800 nm일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have an average particle size of 400 to 800 nm.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.1~10 중량%를 포함할 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may include 0.1 to 10% by weight of carbon based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 3~20 m2/g이고, 평균기공 크기가 10~40 nm일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have a specific surface area (BET) of 3 to 20 m 2 /g and an average pore size of 10 to 40 nm.
상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2.1: 7.7: 0.2 내지 1: 7.7: 1.3 몰비로 혼합되며, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 환원 분위기 하에서 750 내지 890 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행하며, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 480~700 nm이고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.5~8 중량%를 포함하고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 7~13 m2/g이고, 평균기공 크기가 20~32 nm일 수 있다.In the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor containing sulfur and nitrogen, and the polymer precursor are mixed in a molar ratio of 2.1: 7.7: 0.2 to 1: 7.7: 1.3, preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite In the heat treatment is performed at 750 to 890 ° C. for 1 to 3 hours under a reducing atmosphere, the nitrogen doped molybdenum sulfide / carbon composite has an average particle size of 480 to 700 nm, and the nitrogen doped molybdenum sulfide / carbon composite is nitrogen Contains 0.5 to 8% by weight of carbon based on the total weight of the doped molybdenum sulfide/carbon composite, and the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has a specific surface area (BET) of 7 to 13 m 2 /g, and an average pore size It may be 20-32 nm.
상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2: 7.7: 0.3 내지 1.3: 7.7: 1 몰비로 혼합되며, 상기 몰리브덴 전구체는 MoCl5이고, 상기 황 및 질소를 포함하는 전구체는 티오아세트아미드이고, 상기 고분자 전구체는 푸르푸랄이고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 환원 분위기 하에서 780 내지 850 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 동안 수행하며, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 500~600 nm이고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 1~5 중량%를 포함하고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 8.5~12 m2/g이고, 평균기공 크기가 26~30 nm일 수 있다.In the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor containing sulfur and nitrogen, and the polymer precursor are mixed in a molar ratio of 2: 7.7: 0.3 to 1.3: 7.7: 1, the molybdenum precursor is MoCl 5 , and the sulfur and nitrogen are mixed The precursor comprising is thioacetamide, the polymer precursor is furfural, and in the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, the heat treatment is performed at 780 to 850 ° C. under a reducing atmosphere for 1.5 to 2.5 hours, and the The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has an average particle size of 500 to 600 nm, and the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite contains 1 to 5% by weight of carbon based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, , The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have a specific surface area (BET) of 8.5 to 12 m 2 /g, and an average pore size of 26 to 30 nm.
한편, 본 발명은 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드 화합물을 포함하는 코어부; 및 탄화된 다공성 탄소를 포함하는 쉘부;를 포함하고, 상기 코어부는 표면의 전부 또는 적어도 일부가 쉘부에 의해 피복되어 있는 코어-쉘 구조인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제공한다.On the other hand, the present invention is a core comprising a nitrogen-doped molybdenum sulfide compound; and a shell portion comprising carbonized porous carbon, wherein the core portion has a core-shell structure in which all or at least a portion of the surface is covered by the shell portion. /Provides a carbon complex.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 400~800 nm일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have an average particle size of 400 to 800 nm.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 3~20 m2/g이고, 평균기공 크기가 10~40 nm일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have a specific surface area (BET) of 3 to 20 m 2 /g and an average pore size of 10 to 40 nm.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.1~10 중량%를 포함할 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may include 0.1 to 10% by weight of carbon based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite.
또한 본 발명은 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 포함하는 소듐이온전지용 음극재료를 제공한다.The present invention also provides an anode material for a sodium ion battery comprising the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite.
또한 본 발명은 상기 음극재료를 포함하는 소듐이온전지를 제공한다.The present invention also provides a sodium ion battery comprising the negative electrode material.
본 발명은 산촉매 반응을 통해 고분자 전구체로부터 얻어진 고분자를 쉘부로 하여 코어부인 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드의 표면을 코팅시키고, 이를 열처리함으로써 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드를 결정화하고, 동시에 고분자를 탄화시켜 균일한 입자 크기를 갖는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조할 수 있다.The present invention uses a polymer obtained from a polymer precursor through an acid catalytic reaction as a shell part, coats the surface of nitrogen-doped molybdenum sulfide as a core part, and heat-treats it to crystallize nitrogen-doped molybdenum sulfide, and simultaneously carbonize the polymer to have a uniform particle size A nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite having
또한 본 발명에 따른 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 쉘부인 탄화된 다공성 탄소가 복합체의 입자크기를 조절함으로써 충방전 과정에서 음극 활물질의 부피팽창 및 음극 표면의 고체전해질계면층 성장을 방지할 수 있으며, 전해질 부반응이 발생하는 것을 억제하여 전지의 수명을 증대시킬 수 있다.In addition, in the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for sodium ion battery according to the present invention, the volume expansion of the negative electrode active material and the growth of the solid electrolyte interfacial layer on the surface of the negative electrode during the charging and discharging process by controlling the particle size of the carbonized porous carbon as the shell part It can be prevented, and it is possible to increase the life of the battery by suppressing the occurrence of an electrolyte side reaction.
또한 본 발명에 따른 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 제조공정이 간단하며, 코어-쉘 구조의 안정성 개선으로 소듐이온전지의 음극재료로 적용 시 충방전 용량, 수명 및 율속과 같은 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for sodium ion battery according to the present invention has a simple manufacturing process, and when applied as a negative electrode material for sodium ion battery by improving the stability of the core-shell structure, electricity such as charge/discharge capacity, lifespan and rate Chemical properties can be improved.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.
도 1은 본 발명의 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1(a), 비교예 2(b) 및 실시예 1(c)에서 제조된 MoS2, N-MoS2 및 N-MoS2/C 복합체의 주사전자현미경(FE-SEM) 및 투과전자현미경(TEM) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 X선 회절(XRD) 및 X선 광전자 분광스펙트럼(XPS) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 표면적(BET) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2를 이용하여 제조한 소듐이차전지의 1회 충/방전 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2를 이용하여 제조한 소듐이차전지의 충/방전 사이클수에 따른 충전용량 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2를 이용하여 제조한 소듐이차전지의 율 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram schematically illustrating a method for preparing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure of the present invention.
2 is a scanning electron microscope (FE ) of the MoS 2 , N-MoS 2 and N-MoS 2 /C composite prepared in Comparative Example 1 (a), Comparative Example 2 (b) and Example 1 (c) of the present invention. -SEM) and transmission electron microscope (TEM) analysis results are shown.
3 is an X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the N-MoS 2 /C composite prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention , MoS 2 and N-MoS 2 This is a graph showing the results.
4 is a graph showing the surface area (BET) analysis results of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
5 is a graph showing the thermogravimetric analysis (TGA) results of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
6 is a one-time charge/discharge evaluation result of a sodium secondary battery prepared using the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention. This is the graph shown.
7 is a N-MoS 2 /C composite prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention , MoS 2 and N-MoS 2 Charging according to the number of charge/discharge cycles of a sodium secondary battery prepared using N-MoS 2 It is a graph showing the dose evaluation result.
8 is a graph showing the evaluation results of the rate characteristics of the sodium secondary battery prepared using the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention. .
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of one embodiment.
본 발명은 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 소듐이온전지에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체, 고분자 전구체 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 60~90 ℃에서 14~32 시간 동안 반응시켜 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 열처리하여 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure, a manufacturing method thereof, and a sodium ion battery including the same. Specifically, the present invention comprises the steps of preparing a mixture by mixing a molybdenum precursor, a precursor containing sulfur and nitrogen, a polymer precursor, and a solvent; preparing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer complex by reacting the mixture at 60 to 90° C. for 14 to 32 hours; and heat-treating the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite to prepare a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite. do.
도 1은 본 발명의 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 상기 도 1을 참조하면, 고분자 전구체가 함유된 용매에 몰리브덴 전구체와 황 및 질소를 포함하는 전구체를 혼합한 후 이를 적정 온도 및 시간 동안 반응시켜 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 제조한다. 그 다음 환원분위기 하에 고온에서 일정 시간 동안 상기 복합체를 열처리하여 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 과정을 나타낸다. 이때, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드를 코어부로 하고, 탄화된 다공성 탄소를 쉘부로 하여 상기 코어부의 표면 전부 또는 적어도 일부가 쉘부에 의해 피복된 코어-쉘 구조를 가지는 것을 보여준다.1 is a schematic diagram schematically illustrating a method for preparing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure of the present invention. Referring to FIG. 1, a nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite is prepared by mixing a molybdenum precursor with a precursor containing sulfur and nitrogen in a solvent containing a polymer precursor and reacting it for an appropriate temperature and time. Next, a process for preparing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite by heat-treating the composite at a high temperature under a reducing atmosphere for a certain time is shown. At this time, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite uses nitrogen-doped molybdenum sulfide as a core part and carbonized porous carbon as a shell part, so that all or at least a part of the surface of the core part is covered by the shell part It has a core-shell structure show that
상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체는 MoCl5, MoF6, MoCl6, MoO3, Mo(CO)6, Na2MoO4ㆍ2H2O 및 (NH4)6Mo7O24ㆍ4H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 MoCl5, Mo(CO)6 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 가장 바람직하게는 MoCl5일 수 있다. In the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor is MoCl 5, MoF 6 , MoCl 6 , MoO 3 , Mo(CO) 6 , Na 2 MoO 4 ·2H 2 O and (NH 4 )6Mo 7 O 24 ·4H 2 O It may be one or more selected from the group consisting of, preferably MoCl 5, Mo(CO) 6 or a mixture thereof, and most preferably MoCl 5 may be.
상기 황 및 질소를 포함하는 전구체는 상기 몰리브덴 전구체와 반응하여 이황화몰리브덴(MoS2)을 합성하는 동시에 상기 이황화몰리브덴 구조 내부로 질소를 도핑시켜 간단한 방법으로 질소가 도핑된 몰리브덴 설파이드를 합성할 수 있다. 상기 황 및 질소를 포함하는 전구체는 구체적으로 티오아세트아미드, 티오우레아 및 아미노티오페놀로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 티오아세트아미드, 티오우레아 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 가장 바람직하게는 티오아세트아미드일 수 있다.The precursor containing sulfur and nitrogen reacts with the molybdenum precursor to synthesize molybdenum disulfide (MoS 2 ) and at the same time doping nitrogen into the molybdenum disulfide structure to synthesize nitrogen-doped molybdenum sulfide in a simple way. The precursor including sulfur and nitrogen may be at least one selected from the group consisting of specifically thioacetamide, thiourea, and aminothiophenol. Preferably, it may be thioacetamide, thiourea, or a mixture thereof, and most preferably, it may be thioacetamide.
상기 질소가 도핑된 몰리브덴 설파이드를 합성하는 과정에서 생성되는 산을 이용하여 상기 고분자 전구체는 상기 질소가 도핑된 몰리브덴 설파이드의 표면 전부 또는 적어도 일부를 피복하여 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 형성하기 위해 혼합될 수 있다. 상기 고분자 전구체는 구체적으로 푸르푸랄, 아닐린, 아세틸렌, 피롤 및 티오펜으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 푸르푸랄, 아닐린 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 가장 바람직하게는 푸르푸랄일 수 있다.Using an acid generated in the process of synthesizing the nitrogen-doped molybdenum sulfide, the polymer precursor covers all or at least a part of the surface of the nitrogen-doped molybdenum sulfide to form a nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer complex. can be mixed. Specifically, the polymer precursor may be at least one selected from the group consisting of furfural, aniline, acetylene, pyrrole, and thiophene. Preferably, it may be furfural, aniline, or a mixture thereof, and most preferably, it may be furfural.
상기 용매는 에탄올, 프로판올, 메탄올, 부탄올, 펜탄올, 헥사놀, 아세노니트릴, 에틸 아세테이트, 디에틸에테르, 트리클로로에틸렌 및 디글로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 에탄올, 프로판올 및 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 에탄올일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of ethanol, propanol, methanol, butanol, pentanol, hexanol, acenonitrile, ethyl acetate, diethyl ether, trichloroethylene and diglomethane. Preferably, it may be at least one selected from the group consisting of ethanol, propanol, and methanol, and most preferably, ethanol.
상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2.2: 7.7: 0.1 내지 0.8: 7.7: 1.5 몰비, 바람직하게는 2.1: 7.7: 0.2 내지 1: 7.7: 1.3 몰비, 보다 바람직하게는 2: 7.7: 0.3 내지 1.3: 7.7: 1 몰비, 가장 바람직하게는 1.9: 7.7: 0.4 몰비로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 고분자 전구체의 비율이 0.1 몰 미만이면 고분자의 함량이 너무 적어 코어-쉘 구조의 복합체를 형성하는 것이 어려울 뿐만 아니라 복합체의 입자크기를 제어하지 못할 수 있다. 반대로, 상기 고분자 전구체의 비율이 1.5 몰 초과이면 고분자의 함량이 너무 많아 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 음극재료로 적용 시 소듐 이온의 이동을 방해하여 충방전 성능이 저하될 수 있다.In the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor containing sulfur and nitrogen, and the polymer precursor are 2.2: 7.7: 0.1 to 0.8: 7.7: 1.5 molar ratio, preferably 2.1: 7.7: 0.2 to 1: 7.7: 1.3 molar ratio, More preferably, it may be mixed in a molar ratio of 2: 7.7: 0.3 to 1.3: 7.7: 1, and most preferably in a molar ratio of 1.9: 7.7: 0.4. At this time, if the ratio of the polymer precursor is less than 0.1 mol, the content of the polymer is too small, so it is difficult to form a composite having a core-shell structure, and it may not be possible to control the particle size of the composite. Conversely, if the ratio of the polymer precursor exceeds 1.5 mol, the content of the polymer is too high, and thus, when the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is applied as an anode material, the movement of sodium ions may be hindered, thereby reducing charge/discharge performance.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 제조하는 단계에서는 상기 몰리브덴 전구체와 황 및 질소를 포함하는 전구체의 혼합으로 이황화몰리브덴(MoS2)을 합성하는 동시에 상기 이황화몰리브덴 구조 내부로 질소를 도핑시켜 간단한 방법으로 질소가 도핑된 몰리브덴 설파이드를 합성할 수 있다. 또한 상기 질소가 도핑된 몰리브덴 설파이드 합성 과정에서 생성되는 산을 이용하여 고분자 전구체가 상기 질소가 도핑된 몰리브덴 설파이드의 표면 전부 또는 적어도 일부를 피복하여 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 혼합할 수 있다.In the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite, molybdenum disulfide (MoS 2 ) is synthesized by mixing the molybdenum precursor with a precursor containing sulfur and nitrogen, and at the same time, nitrogen is doped into the molybdenum disulfide structure. Nitrogen-doped molybdenum sulfide can be synthesized. In addition, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer complex can be mixed by using an acid generated in the process of synthesizing the nitrogen-doped molybdenum sulfide to cover all or at least a part of the surface of the nitrogen-doped molybdenum sulfide with a polymer precursor.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 제조하는 단계는 상기 혼합물을 60~90 ℃에서 14~32 시간, 바람직하게는 70~80 ℃에서 20~28 시간, 보다 바람직하게는 73~78 ℃에서 22~26 시간, 가장 바람직하게는 70 ℃에서 24 시간 동안 반응시킬 수 있다. 이때, 반응온도 및 반응시간 조건을 벗어나게 되면 질소 도핑된 몰리브덴이 제대로 형성되지 않을 수 있고, 상기 고분자 전구체가 열에 의해 변성되어 상기 질소 도핑된 몰리브덴의 표면을 고분자로 피복시키지 못할 수 있다.The step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite is performed by heating the mixture at 60-90° C. for 14-32 hours, preferably at 70-80° C. for 20-28 hours, more preferably at 73-78° C. 22 The reaction can be carried out for ˜26 hours, most preferably at 70° C. for 24 hours. At this time, if the reaction temperature and reaction time conditions are exceeded, nitrogen-doped molybdenum may not be properly formed, and the polymer precursor may be denatured by heat, so that the surface of the nitrogen-doped molybdenum may not be coated with a polymer.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계는 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 열처리함으로써 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드를 결정화(crystallization)하고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드의 표면을 피복하는 고분자를 다공성 탄소로 탄화(carbonization)시켜 최종 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조할 수 있다. 이때, 상기 열처리는 환원 분위기 하에서 700 내지 1000 ℃에서 30분 내지 4 시간 동안 수행할 수 있다. 바람직하게는 750 내지 890 ℃에서 1 내지 3 시간, 보다 바람직하게는 780 내지 850 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간, 가장 바람직하게는 800 ℃에서 2 시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 열처리 온도가 700 ℃ 미만이거나, 시간이 30분 미만이면 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체 내 고분자가 제대로 탄화되지 않아 이를 음극재료로 적용 시 충전 및 방전 성능이 저하될 수 있다. 반대로, 상기 열처리 온도가 1000 ℃ 초과이거나, 시간이 4 시간 초과이면 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체가 고온으로 열화될 수 있다. In the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, the nitrogen-doped molybdenum sulfide is crystallized (crystallization) by heat treatment of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite, and a polymer covering the surface of the nitrogen-doped molybdenum sulfide. can be carbonized to porous carbon to prepare a final nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite. In this case, the heat treatment may be performed at 700 to 1000° C. for 30 minutes to 4 hours in a reducing atmosphere. Preferably it can be carried out at 750 to 890 °C for 1 to 3 hours, more preferably at 780 to 850 °C for 1.5 to 2.5 hours, and most preferably at 800 °C for 2 hours. At this time, if the heat treatment temperature is less than 700 ° C. or the time is less than 30 minutes, the polymer in the nitrogen-doped molybdenum sulfide / polymer composite is not carbonized properly, and charging and discharging performance may be reduced when applied as an anode material. Conversely, if the heat treatment temperature is greater than 1000° C. or the time is greater than 4 hours, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite may be deteriorated at a high temperature.
상기 환원 분위기는 수소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 및 질소 가스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행되는 것일 수 있다. 바람직하게는 수소 가스 또는 아르곤 가스를 사용할 수 있고, 가장 바람직하게는 수소 가스를 사용할 수 있다.The reducing atmosphere may be performed in one or more inert gases selected from the group consisting of hydrogen gas, argon gas, helium gas, and nitrogen gas. Preferably, hydrogen gas or argon gas may be used, and most preferably hydrogen gas may be used.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드 화합물을 포함하는 코어부; 및 탄화된 다공성 탄소를 포함하는 쉘부;를 포함하고, 상기 코어부는 표면의 전부 또는 적어도 일부가 쉘부에 의해 피복되어 있는 코어-쉘 구조인 것일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may include a core including a nitrogen-doped molybdenum sulfide compound; and a shell portion including carbonized porous carbon, wherein the core portion may have a core-shell structure in which all or at least a portion of the surface of the core portion is covered by the shell portion.
상기 탄화된 다공성 탄소는 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 입자크기를 제어하는 역할을 할 수 있고, 상기 복합체를 음극재료로 이용할 경우 충방전 시 음극 활물질의 부피가 팽창하는 것을 억제하여 구조 안정성을 향상시킬 수 있고, 음극 표면에 고체전해질계면(SEI)층이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한 전해질과 부반응을 억제하여 전지의 수명을 증대시킬 수 있다. The carbonized porous carbon may serve to control the particle size of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, and when the composite is used as an anode material, the volume of the anode active material during charging and discharging is inhibited from expanding, resulting in structural stability can be improved, and it is possible to prevent the formation of a solid electrolyte interface (SEI) layer on the surface of the anode. In addition, it is possible to increase the life of the battery by suppressing the side reaction with the electrolyte.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 400~800 nm, 바람직하게는 450~750 nm, 보다 바람직하게는 480~700 nm, 가장 바람직하게는 500~600 nm일 수 있다. 이때, 상기 평균입자 크기가 400 nm 미만이면, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 음극재료로 적용 시 음극재료의 비표면적이 너무 커져 소듐 이온의 비가역 반응으로 인한 용량 손실이 발생할 수 있고, 반대로 평균입자 크기가 800 nm 초과이면 전극을 제작하는 것이 어렵고 제대로 압연되지 않을 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have an average particle size of 400 to 800 nm, preferably 450 to 750 nm, more preferably 480 to 700 nm, and most preferably 500 to 600 nm. At this time, if the average particle size is less than 400 nm, when the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is applied as a negative electrode material, the specific surface area of the negative electrode material becomes too large, and capacity loss due to irreversible reaction of sodium ions may occur, and vice versa If the average particle size is more than 800 nm, it is difficult to fabricate the electrode and may not be rolled properly.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.1~10 중량%, 바람직하게는 0.5~8 중량%, 보다 바람직하게는 1~5 중량%, 가장 바람직하게는 3.04 중량%를 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄소 함량이 0.1 중량% 미만이면 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 입자크기를 제어하는 것이 어려울 수 있고, 이를 음극재료로 적용할 때 전지의 충방전 시 음극 활물질의 부피 팽창을 억제하지 못할 수 있다. 반대로, 상기 탄소 함량이 10 중량% 초과이면 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 음극재료로 적용 시 소듐 이온의 이동을 방해하여 충방전 성능이 저하될 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is 0.1 to 10% by weight of carbon, preferably 0.5 to 8% by weight, more preferably 1 to 5% by weight, most preferably based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite For example, it may contain 3.04% by weight. At this time, if the carbon content is less than 0.1% by weight, it may be difficult to control the particle size of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, and when this is applied as a negative electrode material, the volume expansion of the negative electrode active material during charging and discharging of the battery is suppressed may not be able to Conversely, when the carbon content is more than 10% by weight, when the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is applied as an anode material, the movement of sodium ions may be hindered, thereby reducing charge/discharge performance.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 3~20 m2/g, 바람직하게는 5~15 m2/g, 보다 바람직하게는 7~13 m2/g, 보다 더 바람직하게는 8.5~12 m2/g, 가장 바람직하게는 10.22 m2/g일 수 있다. 또한 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균기공 크기가 10~40 nm, 바람직하게는 18~35 nm, 보다 바람직하게는 20~32 nm, 보다 더 바람직하게는 26~30 nm, 가장 바람직하게는 28.4 nm일 수 있다. 이때, 상기 비표면적이 3 m2/g 미만이거나, 평균기공 크기가 10 nm 미만이면 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 음극재료로 적용할 때 소듐 이온의 이동 통로를 막아 충전 및 방전이 반복될 때 전지가 열화될 수 있다. 반대로 상기 비표면적이 20 m2/g 초과이거나, 평균기공 크기가 40 nm 초과이면 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 음극재료로 적용할 때 충전 및 방전 시 음극재료 표면에서 전해액과 소듐 이온이 비가역 반응을 하여 소듐 이온의 소모를 발생시킬 수 있다. 이로 인해 전지의 초기 충방전 효율이 감소할 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has a specific surface area (BET) of 3 to 20 m 2 /g, preferably 5 to 15 m 2 /g, more preferably 7 to 13 m 2 /g, even more preferably it may be 8.5 ~ 12 m 2 / g, most preferably 10.22 m 2 / g. In addition, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has an average pore size of 10-40 nm, preferably 18-35 nm, more preferably 20-32 nm, even more preferably 26-30 nm, most preferably may be 28.4 nm. At this time, if the specific surface area is less than 3 m 2 /g or the average pore size is less than 10 nm, when the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is applied as an anode material, the passage of sodium ions is blocked and charging and discharging are repeated. The battery may deteriorate when Conversely, if the specific surface area is more than 20 m 2 /g or the average pore size is more than 40 nm, when the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is applied as a negative electrode material, the electrolyte and sodium ions are formed on the surface of the negative electrode material during charging and discharging. An irreversible reaction may result in the consumption of sodium ions. As a result, the initial charge/discharge efficiency of the battery may decrease.
바람직하게는 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법은 상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2.1: 7.7: 0.2 내지 1: 7.7: 1.3 몰비로 혼합되며, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 환원 분위기 하에서 750 내지 890 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행하며, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 480~700 nm이고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.5~8 중량%를 포함하고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 7~13 m2/g이고, 평균기공 크기가 20~32 nm인 것일 수 있다.Preferably, in the method for preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, in the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor containing sulfur and nitrogen, and the polymer precursor are 2.1: 7.7: 0.2 to 1: 7.7: 1.3 in a molar ratio. In the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, the heat treatment is performed at 750 to 890° C. for 1 to 3 hours under a reducing atmosphere, and the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has an average particle size of 480 ~700 nm, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite contains 0.5 to 8% by weight of carbon based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, and the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has a specific surface area ( BET) may be 7-13 m 2 /g, and the average pore size may be 20-32 nm.
상기 혼합물의 몰비와 열처리 조건, 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 탄소함량, 평균입자 크기, 평균기공 크기 및 비표면적 범위를 모두 만족할 경우, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 결정화를 증대시켜 입자응집 또는 조대화되는 것을 방지하고, 균일하고 고른 입자를 형성하도록 할 수 있다. 이로 인해 결과적으로 전지의 물리적 및 화학적 안정성을 향상시키는 동시에 전지용량, 수명특성 및 전지 안정성을 동시에 증대시킬 수 있다. 만일, 상기 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 입자가 응집 또는 조대화되어 전지의 용량, 수명 및 전지 안정성을 동시에 향상시키는 효과는 전혀 기대할 수 없다. 또한 충방전 횟수가 증가할수록 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체에 따른 소듐 이온의 이동 통로가 막히면서 전지가 열화되는 현상이 발생할 수 있다. When the molar ratio of the mixture and the heat treatment conditions, the carbon content of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, the average particle size, the average pore size and the specific surface area are all satisfied, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is crystallized by increasing the It is possible to prevent particle aggregation or coarsening, and to form uniform and even particles. As a result, it is possible to improve the physical and chemical stability of the battery and simultaneously increase the battery capacity, lifespan characteristics, and battery stability. If any one of the above conditions is not satisfied, the particles of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite are agglomerated or coarsened, so that the effect of simultaneously improving the capacity, lifespan, and battery stability of the battery cannot be expected at all. In addition, as the number of charge/discharge increases, the passage of sodium ions according to the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is blocked and the battery deteriorates.
보다 바람직하게는 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법은 상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2: 7.7: 0.3 내지 1.3: 7.7: 1 몰비로 혼합되며, 상기 몰리브덴 전구체는 MoCl5이고, 상기 황 및 질소를 포함하는 전구체는 티오아세트아미드이고, 상기 고분자 전구체는 푸르푸랄이고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 환원 분위기 하에서 780 내지 850 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 동안 수행하며, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 500~600 nm이고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 1~5 중량%를 포함하고, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 8.5~12 m2/g이고, 평균기공 크기가 26~30 nm인 것일 수 있다.More preferably, in the method for preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, in the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor containing sulfur and nitrogen, and the polymer precursor are 2: 7.7: 0.3 to 1.3: 7.7: 1 molar ratio is mixed with, the molybdenum precursor is MoCl 5 , the precursor containing sulfur and nitrogen is thioacetamide, the polymer precursor is furfural, and the heat treatment in the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide / carbon composite is Carried out for 1.5 to 2.5 hours at 780 to 850 ° C. under a reducing atmosphere, the nitrogen doped molybdenum sulfide / carbon composite has an average particle size of 500 to 600 nm, and the nitrogen doped molybdenum sulfide / carbon composite is nitrogen doped molybdenum Containing 1 to 5% by weight of carbon based on the total weight of the sulfide/carbon composite, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has a specific surface area (BET) of 8.5 to 12 m 2 /g, and an average pore size of 26 to 30 It may be nm.
상기 혼합물의 몰비, 각 전구체 성분, 열처리 조건, 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 탄소함량, 평균입자 크기, 평균기공 크기 및 비표면적의 최적화된 범위를 모두 만족할 경우, 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 음극재료로 적용 시 음극 활물질의 전반적인 가역성을 향상시키고, 충전 및 방전이 반복될 때 저온 및 고온에서의 열안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.When all the optimized ranges of the molar ratio of the mixture, each precursor component, heat treatment conditions, carbon content of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, average particle size, average pore size and specific surface area are satisfied, the nitrogen-doped molybdenum sulfide / When the carbon composite is applied as a negative electrode material, the overall reversibility of the negative electrode active material can be improved, and thermal stability and durability at low and high temperatures can be improved when charging and discharging are repeated.
한편, 본 발명은 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드 화합물을 포함하는 코어부; 및 탄화된 다공성 탄소를 포함하는 쉘부;를 포함하고, 상기 코어부는 표면의 전부 또는 적어도 일부가 쉘부에 의해 피복되어 있는 코어-쉘 구조인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제공한다. 바람직하게는 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 코어부의 표면 전부가 쉘부에 의해 피복되어 있는 코어-쉘 구조인 것일 수 있다.On the other hand, the present invention is a core comprising a nitrogen-doped molybdenum sulfide compound; and a shell portion comprising carbonized porous carbon, wherein the core portion has a core-shell structure in which all or at least a portion of the surface is covered by the shell portion. /Provides a carbon complex. Preferably, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have a core-shell structure in which the entire surface of the core part is covered by the shell part.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 400~800 nm, 바람직하게는 450~750 nm, 보다 바람직하게는 480~700 nm, 가장 바람직하게는 500~600 nm일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may have an average particle size of 400 to 800 nm, preferably 450 to 750 nm, more preferably 480 to 700 nm, and most preferably 500 to 600 nm.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 3~20 m2/g, 바람직하게는 5~15 m2/g, 보다 바람직하게는 7~13 m2/g, 보다 더 바람직하게는 8.5~12 m2/g, 가장 바람직하게는 10.22 m2/g일 수 있다. 또한 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균기공 크기가 10~40 nm, 바람직하게는 18~35 nm, 보다 바람직하게는 20~32 nm, 보다 더 바람직하게는 26~30 nm, 가장 바람직하게는 28.4 nm일 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has a specific surface area (BET) of 3 to 20 m 2 /g, preferably 5 to 15 m 2 /g, more preferably 7 to 13 m 2 /g, even more preferably it may be 8.5 ~ 12 m 2 / g, most preferably 10.22 m 2 / g. In addition, the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has an average pore size of 10-40 nm, preferably 18-35 nm, more preferably 20-32 nm, even more preferably 26-30 nm, most preferably may be 28.4 nm.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.1~10 중량%, 바람직하게는 0.5~8 중량%, 보다 바람직하게는 1~5 중량%, 가장 바람직하게는 3.04 중량%를 포함할 수 있다.The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is 0.1 to 10% by weight of carbon, preferably 0.5 to 8% by weight, more preferably 1 to 5% by weight, most preferably based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite For example, it may contain 3.04% by weight.
또한, 본 발명은 상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 포함하는 소듐이온전지용 음극재료를 제공한다.In addition, the present invention provides an anode material for a sodium ion battery comprising the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite.
또한, 본 발명은 상기 음극재료를 포함하는 소듐이온전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a sodium ion battery comprising the negative electrode material.
이상과 같이, 본 발명은 산촉매 반응을 통해 고분자 전구체로부터 얻어진 고분자를 쉘부로 하여 코어부인 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드의 표면을 코팅시키고, 이를 열처리함으로써 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드를 결정화하고, 동시에 고분자를 탄화시켜 균일한 입자 크기를 갖는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조할 수 있다. As described above, the present invention uses a polymer obtained from a polymer precursor through an acid catalytic reaction as a shell portion to coat the surface of nitrogen-doped molybdenum sulfide, which is a core portion, and heat-treating it to crystallize nitrogen-doped molybdenum sulfide, and simultaneously carbonize the polymer. A nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite having a uniform particle size can be prepared.
이러한 방법으로 제조된 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 쉘부인 탄화된 다공성 탄소가 복합체의 입자크기를 조절함으로써 이를 소듐이온전지의 음극재료로 적용 시 충방전 과정에서 음극 활물질의 부피팽창 및 음극 표면의 고체전해질계면층 성장을 방지할 수 있으며, 전해질 부반응이 발생하는 것을 억제하여 전지의 수명을 증대시킬 수 있다. 또한 상기 복합체는 제조공정이 간단하며, 코어-쉘 구조의 안정성 개선으로 소듐이온전지의 충방전 용량, 수명 및 율속과 같은 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.In the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for sodium ion battery prepared in this way, the carbonized porous carbon, which is the shell part, controls the particle size of the composite. And it is possible to prevent the growth of the interfacial layer of the solid electrolyte on the surface of the negative electrode, it is possible to suppress the occurrence of the electrolyte side reaction to increase the life of the battery. In addition, the composite has a simple manufacturing process, and by improving the stability of the core-shell structure, electrochemical properties such as charge/discharge capacity, lifespan and rate of the sodium ion battery can be improved.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1: N-MoSExample 1: N-MoS 22 /C 복합체 제조/C complex manufacturing
N-MoS2/C 복합체 제조를 위해 염화몰리브덴(MoCl5), Thioacetamide(CH3CSNH2), Furfural(C5H4O2), 에탄올 99.9%(C2H5OH)이 시작 물질로 사용하였다. 우선, 염화몰리브덴 5 mmol(1.37g)과 과량의 Thioacetamide 20 mmol(1.50g)을 에탄올 50 ml에 용해시켰다. 그 다음 상기 용액에 Furfural 1 mmol(0.1g)을 첨가하여 교반시켰다. 상온에서 30 분간 교반한 후 혼합 용액을 70 ℃로 24 시간 반응시키고, 원심분리를 통해 무정형 N-MoS2/고분자 복합체를 회수하였다. 회수된 무정형 N-MoS2/고분자 복합체를 증류수와 에탄올로 세척한 후 80 ℃로 오븐에서 10 시간 동안 건조시켰다. 그 다음 건조된 무정형 N-MoS2/고분자 복합체를 Ar 가스의 환원 분위기 하 800 ℃에서 2시간 동안 열처리하여 상기 N-MoS2/고분자 복합체 내 고분자를 탄화시킴으로써 최종 N-MoS2/C 복합체 분말을 얻었다.Molybdenum chloride (MoCl 5 ), Thioacetamide (CH 3 CSNH 2 ), Furfural (C 5 H 4 O 2 ), and ethanol 99.9% (C 2 H 5 OH) were used as starting materials for the preparation of N-MoS 2 /C complex. did. First, 5 mmol (1.37 g) of molybdenum chloride and 20 mmol (1.50 g) of excess Thioacetamide were dissolved in 50 ml of ethanol. Then, 1 mmol (0.1 g) of Furfural was added to the solution and stirred. After stirring at room temperature for 30 minutes, the mixed solution was reacted at 70 °C for 24 hours, and the amorphous N-MoS 2 /polymer complex was recovered through centrifugation. The recovered amorphous N-MoS 2 /polymer complex was washed with distilled water and ethanol, and then dried in an oven at 80 °C for 10 hours. Then, the dried amorphous N-MoS 2 / polymer composite is heat treated at 800 ° C. for 2 hours in a reducing atmosphere of Ar gas to carbonize the polymer in the N-MoS 2 / polymer composite to obtain the final N-MoS 2 /C composite powder. got it
비교예 1: MoSComparative Example 1: MoS 22 준비 Ready
비교를 위해 Sigma-aldrich 사에서 구매한 상용 MoS2 분말을 준비하였다.For comparison, commercial MoS 2 powder purchased from Sigma-aldrich was prepared.
비교예 2: N-MoSComparative Example 2: N-MoS 22 제조 Produce
염화몰리브덴(MoCl5), Thioacetamide(CH3CSNH2), 99.9% 에탄올(C2H5OH)을 시작 물질로 사용하였다. 우선, 염화몰리브덴 5 mmol(1.37g)과 과량의 Thioacetamide 20 mmol(1.50g)을 에탄올(50ml)에 용해시켰다. 그 다음 상온에서 30 분간 교반한 후에 혼합 용액을 70 ℃로 24 시간 반응시킨 후, 원심분리를 통해 무정형 N-MoS2 침전물을 회수하였다. 회수된 무정형 N-MoS2 침전물을 증류수와 에탄올로 세척한 후 80 ℃로 오븐에서 10시간 동안 건조시켰다. 그 다음 Ar 가스의 환원 분위기 하 800 ℃에서 2시간 동안 열처리하는 결정화(crystallization) 과정을 거쳐 최종 N-MoS2 분말을 얻었다.Molybdenum chloride (MoCl 5 ), Thioacetamide (CH 3 CSNH 2 ), 99.9% ethanol (C 2 H 5 OH) were used as starting materials. First, 5 mmol (1.37 g) of molybdenum chloride and 20 mmol (1.50 g) of excess Thioacetamide were dissolved in ethanol (50 ml). Then, after stirring at room temperature for 30 minutes, the mixed solution was reacted at 70 ° C. for 24 hours, and then the amorphous N-MoS 2 precipitate was recovered through centrifugation. The recovered amorphous N-MoS 2 precipitate was washed with distilled water and ethanol and dried in an oven at 80 °C for 10 hours. Then, the final N-MoS 2 powder was obtained through a crystallization process of heat treatment at 800° C. for 2 hours in a reducing atmosphere of Ar gas.
실험예 1: 주사전자현미경(FE-SEM) 및 투과전자현미경(TEM) 분석Experimental Example 1: Scanning electron microscope (FE-SEM) and transmission electron microscope (TEM) analysis
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 형상 및 내부 미세구조를 확인하기 위하여 FE-SEM 및 TEM 분석을 실시하였으며, 그 결과는 도 2에 나타내었다. FE-SEM and TEM analysis were performed to confirm the shape and internal microstructure of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, and the results is shown in FIG. 2 .
도 2는 상기 비교예 1(a), 비교예 2(b) 및 실시예 1(c)에서 제조된 MoS2, N-MoS2 및 N-MoS2/C 복합체의 주사전자현미경(FE-SEM) 및 투과전자현미경(TEM) 분석 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 2의 (a)의 경우 상기 비교예 1의 MoS2가 1 ㎛ 이상 크기의 판상(sheet) 형상을 가지는 입자들을 가지는 것을 확인하였다. 또한 (b)의 경우 상기 비교예 2의 N-MoS2는 불균일한 입자크기 분포를 가지며, 나노입자(nanoparticles)간에 뭉침현상(agglomeration)이 발생하여 500~600 nm 크기의 N-MoS2 덩어리가 관찰되었다. 2 is a scanning electron microscope (FE-SEM ) of the MoS 2 , N-MoS 2 and N-MoS 2 /C composites prepared in Comparative Example 1 (a), Comparative Example 2 (b) and Example 1 (c). ) and transmission electron microscopy (TEM) analysis results are shown. In the case of (a) of FIG. 2 , it was confirmed that MoS 2 of Comparative Example 1 had particles having a sheet shape with a size of 1 μm or more. In addition, (b) the N-MoS of the Comparative Example 2 2 has a non-uniform particle size distribution, between the nano-particles (nanoparticles) aggregation phenomenon (agglomeration) is caused by the size of 500 ~ 600 nm N-MoS 2 stumps observed.
이에 반해, (c)는 상기 실시예 1의 N-MoS2/C 복합체가 500~600nm의 균일한 입자 크기 분포를 가지는 구형 분말이 형성된 것을 확인하였다. 이는 상기 (b)의 결과와 비교하였을 때, 푸르푸랄이 탄소 전구체로의 역할을 하면서 동시에 N-MoS2/C 복합체의 형상을 제어하는 역할을 하였음을 알 수 있었다.In contrast, in (c), it was confirmed that the N-MoS 2 /C composite of Example 1 formed a spherical powder having a uniform particle size distribution of 500 to 600 nm. Compared with the result of (b), it was found that furfural served as a carbon precursor and at the same time played a role in controlling the shape of the N-MoS 2 /C complex.
실험예 2: X선 회절(XRD) 및 X-선 광전자 분광스펙트럼(XPS) 분석Experimental Example 2: X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 결정구조 및 표면조성을 확인하기 위하여 XRD 분석 및 XPS 분석을 수행하였고, 그 결과는 도 3에 나타내었다. XRD analysis and XPS analysis were performed to confirm the crystal structure and surface composition of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, and the results are shown in FIG. 3 is shown.
도 3은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 X선 회절(XRD) 및 X선 광전자 분광스펙트럼(XPS) 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 3의 (a)는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2의 XRD 패턴을 나타낸 것으로 각 피크(peak)의 위치가 JCPDS card #37-1492에 해당하는 MoS2 구조와 일치하였다. 이는 불순물 없이 사방정계(hexagonal) 2H-MoS2 구조를 형성하기 위한 소성이 잘 완료된 것을 알 수 있으며, 불순물 또는 미반응물 없이 반응이 잘 이루어진 것임을 알 수 있었다.3 is an X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2; This is the graph shown. 3A shows the XRD patterns of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, and the position of each peak coincided with the MoS 2 structure corresponding to JCPDS card #37-1492. It can be seen that sintering to form a hexagonal 2H-MoS 2 structure without impurities is well completed, and it can be seen that the reaction is well performed without impurities or unreacted substances.
또한 (b)는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2의 XPS 결과를 나타낸 것으로, 상기 비교예 1의 MoS2 와는 달리 상기 비교예 2의 N-MoS2와 상기 실시예 1의 N-MoS2/C 복합체에서는 N1s 에 대한 396.6 eV에서 피크를 식별하였다. 이는 Mo-N의 bonding linkages 형성에 대한 피크이며, 산촉매 합성법을 통해 얻어진 상기 비교예 2의 N-MoS2와 상기 실시예 1의 N-MoS2/C 복합체에는 질소가 Mo와 결합해 잘 도핑되어 있음을 알 수 있었다. 또한 C1s 피크를 비교해보면 상기 비교예 1(MoS2) 및 비교예 2(N-MoS2)와는 달리 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)에서는 284.4, 285.9 및 287.0 eV에 위치한 세 개의 피크를 분리할 수 있는데 이들은 각각 C-C, C-N 및 C-O bond에 해당한다. 이를 통해 산촉매 합성법과 결정화 및 탄화를 위한 열처리 과정을 통해 질소가 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체가 잘 합성되었음을 확인할 수 있었다.And (b) is described in Example 1 and Comparative Example 1, shows an XPS results of Figure 2, unlike MoS 2 of the comparative example 1 of the Comparative Example 2 of the N-MoS 2 in the Example 1 N-MoS 2 The /C complex identified a peak at 396.6 eV for N1s. This is a peak for the formation of bonding linkages of Mo-N, and the N-MoS 2 of Comparative Example 2 and the N-MoS 2 /C composite of Example 1 obtained through the acid catalyst synthesis method are well doped with nitrogen bonding with Mo. was found to be In addition, when comparing the C1s peak, in Example 1 (N-MoS 2 /C complex), unlike Comparative Example 1 (MoS 2 ) and Comparative Example 2 (N-MoS 2 ), the three peaks located at 284.4, 285.9 and 287.0 eV The peaks can be separated, which correspond to the CC, CN and CO bonds, respectively. Through this, it was confirmed that the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite was well synthesized through the acid catalyst synthesis method and the heat treatment process for crystallization and carbonization.
실험예 3: BET (Brunauer Emmett Teller) 분석 결과 Experimental Example 3: BET (Brunauer Emmett Teller) analysis result
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 비표면적을 확인하기 위하여 질소흡착실험을 수행하였다. 구체적으로 질소흡착실험에서 각 물질에 질소를 흡착 및 탈착시키고, 흡착 및 탈착되는 질소의 양 차이를 통해 상기 물질들의 표면적(BET)을 계산하였다. 그 결과는 도 4에 나타내었다. A nitrogen adsorption experiment was performed to confirm the specific surface area of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. Specifically, in the nitrogen adsorption experiment, nitrogen was adsorbed and desorbed to each material, and the surface area (BET) of the materials was calculated through the difference in the amount of adsorbed and desorbed nitrogen. The results are shown in FIG. 4 .
도 4는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 표면적(BET) 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 4를 참조하면, 질소흡착 실험결과 BET 비표면적은 상기 비교예 1(MoS2), 비교예 2(N-MoS2) 및 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)에서 각각 1.91 m2/g, 2.46m2/g 및 10.22 m2/g로 나타났다. 또한, 상기 비교예 1(MoS2) 및 2(N-MoS2)와는 다르게 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)은 28.4 nm 의 기공을 가지고 있는 것으로 나타났다. 즉, 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)의 제조공정을 거치면, 상대적으로 넓은 비표면적과 기공을 가지는 탄소 쉘이 있는 N-MoS2/C 복합체를 합성할 수 있음을 확인하였다.4 is a graph showing the surface area (BET) analysis results of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2; Referring to FIG. 4 , the BET specific surface area as a result of the nitrogen adsorption experiment was 1.91 m in Comparative Example 1 (MoS 2 ), Comparative Example 2 (N-MoS 2 ) and Example 1 (N-MoS 2 /C composite), respectively. 2 /g, 2.46m 2 /g and 10.22 m 2 /g. In addition, unlike Comparative Examples 1 (MoS 2 ) and 2 (N-MoS 2 ), Example 1 (N-MoS 2 /C composite) was found to have pores of 28.4 nm. That is, through the manufacturing process of Example 1 (N-MoS 2 /C composite), it was confirmed that an N-MoS 2 /C composite having a carbon shell having a relatively large specific surface area and pores can be synthesized.
실험예 4: 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)Experimental Example 4: Thermogravimetric analysis (TGA)
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2에 포함된 탄소의 함량을 확인하기 위하여 TGA 분석을 수행하였고, 그 결과는 도 5에 나타내었다. The N-MoS 2 /C composite prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 , MoS 2 and N-MoS 2 TGA analysis was performed to confirm the content of carbon contained in the composite, and the results are shown in FIG. indicated.
도 5는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA) 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 5를 참조하면, 300~400℃ 사이에서 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)과 상기 비교예 2(N-MoS2) 및 비교예 1(MoS2) 물질은 각각 전체의 10.54, 7.49, 7.50 wt%의 중량 감소가 이루어지며, 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)의 중량 감소가 더 큰 이유는 높은 탄소 함량과 황화몰리브덴의 산화반응에 기인하는 것임을 알 수 있었다. 이를 통해 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)의 탄소 함량은 3.04 wt%임을 확인하였다. 5 is a graph showing the thermogravimetric analysis (TGA) results of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2; 5, the Example 1 (N-MoS 2 /C composite) and Comparative Example 2 (N-MoS 2 ) and Comparative Example 1 (MoS 2 ) between 300 ~ 400 ℃ The material has a weight reduction of 10.54, 7.49, and 7.50 wt% of the total, respectively, and the reason for the greater weight reduction in Example 1 (N-MoS 2 /C composite) is the high carbon content and oxidation reaction of molybdenum sulfide. I could tell it was due. Through this, it was confirmed that the carbon content of Example 1 (N-MoS 2 /C composite) was 3.04 wt%.
실험예 5: 충/방전 평가Experimental Example 5: Charge/discharge evaluation
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 소듐 금속을 상대 및 기준 전극으로 소듐 반쪽 전지를 조립하여 상온(25℃)에서 0.1 C-rate의 전류 조건으로 충/방전을 실시하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다. In order to evaluate the electrochemical performance of the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, sodium half-cells were assembled with sodium metal as counter and reference electrodes. Charge/discharge was performed at room temperature (25°C) under current conditions of 0.1 C-rate. The results are shown in FIG. 6 .
도 6은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2를 이용하여 제조한 소듐이차전지의 1회 충/방전 평가 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참조하면, 0.1 C-rate (1 C-rate = 670 mA g-1)에서의 첫 번째 사이클의 경우 상기 도 5에 나타난 것처럼 상기 비교예 1(MoS2) 및 비교예 2(N-MoS2)의 초기 충/방전용량은 각각 393.02/468.95 mAh/g 및 518.44/592.76 mAh/g이고 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)이 각각 83.8% 및 87.5%였다. 6 is a graph showing the results of one-time charge/discharge evaluation of the sodium secondary battery prepared using the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2; am. Referring to FIG. 6 , in the case of the first cycle at 0.1 C-rate (1 C-rate = 670 mA g -1 ), as shown in FIG. 5 , Comparative Example 1 (MoS 2 ) and Comparative Example 2 (N-MoS 2 ) had initial charge/discharge capacities of 393.02/468.95 mAh/g and 518.44/592.76 mAh/g, respectively, and Coulombic efficiency (CE) of 83.8% and 87.5%, respectively.
이와 대조적으로, 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)의 충/방전용량은 649.16/744.81 mAh/g이고, CE는 87.2%로서 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)이 상기 비교예 1(MoS2) 보다 우수한 가역용량과 Na+ 이온 충/방전 효율을 보여주었다. 이는 전기전도도가 낮은 비교예 1의 MoS2 복합체가 전기화학 과정에서 Na+의 확산이 제한되어 있어 이러한 현상이 발생한 것임을 알 수 있었다. 또한, 상기 실시예 1의 N-MoS2/C 복합체는 이를 둘러싸고 있는 전도성을 가지며 넓은 비표면적 및 기공을 가지는 탄소 쉘을 통해 충방전 과정에서 Na+의 확산이 보다 쉽게 이루어지기 때문인 것임을 알 수 있었다.In contrast, the charge/discharge capacity of Example 1 (N-MoS 2 /C composite) was 649.16/744.81 mAh/g, and CE was 87.2%, so that Example 1 (N-MoS 2 /C composite) was The comparative example 1 (MoS 2 ) showed superior reversible capacity and Na + ion charge/discharge efficiency. It was found that this phenomenon occurred because the MoS 2 composite of Comparative Example 1 having low electrical conductivity had limited diffusion of Na + in the electrochemical process. In addition, it can be seen that the N-MoS 2 /C composite of Example 1 is because the diffusion of Na + is made more easily during the charging and discharging process through the carbon shell having a large specific surface area and pores and having conductivity surrounding the N-MoS 2 /C composite. .
실험예 6: 충/방전 사이클 평가Experimental Example 6: Charge/discharge cycle evaluation
상기 실험예 5와 동일한 소듐 반쪽 전지를 이용한 0.2 C-rate에서 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)과 탄소가 없는 비교예 1(MoS2) 및 비교예 2(N-MoS2)의 200회 충/방전을 반복한 후의 수명 특성을 도 7에 나타내었다. Example 1 (N-MoS 2 /C composite) at 0.2 C-rate using the same sodium half-cell as in Experimental Example 5 and Comparative Example 1 (MoS 2 ) and Comparative Example 2 (N-MoS 2 ) without carbon The lifespan characteristics after repeating the charge/
도 7은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2를 이용하여 제조한 소듐이차전지의 충/방전 사이클수에 따른 충전용량 평가 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 7을 참조하면, 초기에 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2의 CE는 상대적으로 낮았다. 그러나 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)의 경우, 0.1 C-rate에서 3회 충/방전 후 0.2 C-rate에서 CE가 95% 이상까지 회복되었고, 200회 사이클 후에는 400.71 mAh/g의 충전 용량이 유지되었다. 7 is an N-MoS 2 /C composite prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 , MoS 2 and N-MoS 2 Charging capacity evaluation according to the number of charge/discharge cycles of the sodium secondary battery prepared using N-MoS 2 This is a graph showing the results. Referring to FIG. 7 , initially, CE of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was relatively low. However, in the case of Example 1 (N-MoS 2 /C composite), after 3 charge/discharge at 0.1 C-rate, CE was recovered to 95% or more at 0.2 C-rate, and 400.71 mAh / after 200 cycles A charge capacity of g was maintained.
이에 반해, 상기 비교예 2(N-MoS2) 및 비교예 1(MoS2)은 0.2C 사이클링에서 200회 사이클 후에는 각각 212.85 mAh/g 및 108.01 mAh/g의 낮은 충전 용량이 유지되는 심각한 용량 감소 현상을 나타내었다. 이는 상기 비교예 1(MoS2)의 Na+과의 변환 반응(conversion reaction)에 의해 생성된 비가역상과 이후 충/방전을 거듭하며 발생하는 물질의 부피 변화로 인한 입자응집(aggregation) 또는 조대화(coarsening)에 기인하는 것임을 알 수 있었다. 또한 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)에서 상대적으로 넓은 비표면적과 기공을 가지는 탄소 쉘로 인해 Na+의 탈/삽입 과정이 상기 비교예 2(N-MoS2) 보다 쉽게 이루어지는 것을 알 수 있었다. 이러한 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)의 향상된 성능은 전자 경로로서의 전도성 탄소 쉘의 존재 및 사이클링에서의 체적 변화에 대한 탄소복합 구조의 완충 역할에서 기인하는 것임을 확인하였다.In contrast, Comparative Example 2 (N-MoS 2 ) and Comparative Example 1 (MoS 2 ) have a serious capacity in which a low charge capacity of 212.85 mAh/g and 108.01 mAh/g is maintained after 200 cycles at 0.2C cycling, respectively. showed a decrease. This is the non-reversible phase generated by the conversion reaction with Na + of Comparative Example 1 (MoS 2 ) and particle aggregation or coarsening due to the volume change of the material generated by repeating charge/discharge. (Coarsening) was found to be caused. In addition, in Example 1 (N-MoS 2 /C composite), due to the carbon shell having a relatively large specific surface area and pores, the de-/insertion process of Na + is easier than that of Comparative Example 2 (N-MoS 2 ). could It was confirmed that the improved performance of Example 1 (N-MoS 2 /C composite) was due to the presence of a conductive carbon shell as an electron path and a buffering role of the carbon composite structure for volume change in cycling.
실험예 7: 율 특성 평가Experimental Example 7: Rate characteristic evaluation
상기 실험예 5와 동일한 소듐반쪽 전지에 대하여 율 특성 평가를 실시하였다. 율 특성 평가 실험은 잘 형성된 탄소 복합 구조에 의해 물질의 율 특성이 향상됨을 확인하기 위해, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10 C-rate에서 각 5회씩 수행하였다. 그 결과는 도 8에 나타내었다.Rate characteristics were evaluated for the same sodium half-cell as in Experimental Example 5. The rate characteristic evaluation experiment was performed 5 times each at 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, and 10 C-rates to confirm that the rate characteristics of the material were improved by the well-formed carbon composite structure. The results are shown in FIG. 8 .
도 8은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 N-MoS2/C 복합체, MoS2 및 N-MoS2를 이용하여 제조한 소듐이차전지의 율 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 8을 참조하면, 0.1 C-rate를 기준으로 각각의 C-rate에서 제 5 사이클에서의 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)은 충전용량 감소 변화율이 각각 100, 97.4, 92.2, 90.1, 88, 82.5, 72.9 % 이었다. 8 is a graph showing the evaluation results of the rate characteristics of the sodium secondary battery prepared using the N-MoS 2 /C composite, MoS 2 and N-MoS 2 prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. Referring to FIG. 8, in Example 1 (N-MoS 2 /C composite) in the fifth cycle at each C-rate based on 0.1 C-rate, the charge capacity reduction change rates were 100, 97.4, and 92.2, respectively. , 90.1, 88, 82.5, and 72.9%.
이와 대조적으로, 탄소가 없는 상기 비교예 2(N-MoS2) 및 비교예 1(MoS2)은 각각의 C-rate에서의 용량 감소 변화율은 100, 96, 92.4, 90.3, 86.9, 75.5, 46.7 % 및 100, 94.1, 84.7, 78, 71, 59.6, 44.5 %로 비교적 급격한 용량 감소 변화율을 나타내었다. 이를 통해, 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)은 높은 전류밀도에서 비록 가역 용량은 감소하더라도 Na+ 충/방전 과정이 가역적으로 잘 유지되며, 상기 비교예 1(MoS2) 보다 높은 전류밀도에서 훨씬 많은 가역 용량을 유지하는 것을 알 수 있었다. 이는 상기 실시예 1(N-MoS2/C 복합체)을 균일하게 둘러싸고 있는 넓은 비표면적과 기공을 가지는 전도성 탄소 쉘의 존재로 인해 높은 전류 밀도에서도 Na+ 의 탈/삽입 과정이 쉽게 이루어지기 때문인 것임을 확인하였다. In contrast, in Comparative Example 2 (N-MoS 2 ) and Comparative Example 1 (MoS 2 ) without carbon, the capacity reduction change rate at each C-rate was 100, 96, 92.4, 90.3, 86.9, 75.5, 46.7 % and 100, 94.1, 84.7, 78, 71, 59.6, and 44.5%, indicating a relatively rapid change in dose reduction. Through this, in Example 1 (N-MoS 2 /C composite), although the reversible capacity is reduced at a high current density, the Na + charge/discharge process is reversibly maintained well, and the comparative example 1 (MoS 2 ) is higher than It was found that much more reversible capacity was maintained at the current density. This is because the removal/insertion process of Na + is easily performed even at high current density due to the presence of a conductive carbon shell having a large specific surface area and pores uniformly surrounding Example 1 (N-MoS 2 /C composite). Confirmed.
Claims (20)
상기 혼합물을 60~90 ℃에서 14~32 시간 동안 반응시켜 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 제조하는 단계; 및
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 열처리하여 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계;
를 포함하고,
상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2.1: 7.7: 0.2 내지 1: 7.7: 1.3 몰비로 혼합되며,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 환원 분위기 하에서 750 내지 890 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행하며,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 480~700 nm이고, 비표면적(BET)이 7~13 m2/g이며, 평균기공 크기가 20~32 nm이고,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.5~8 중량%를 포함하는 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
preparing a mixture by mixing a molybdenum precursor, a precursor containing sulfur and nitrogen, a polymer precursor, and a solvent;
preparing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer complex by reacting the mixture at 60 to 90° C. for 14 to 32 hours; and
preparing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite by heat-treating the nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer composite;
including,
In the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor and the polymer precursor containing sulfur and nitrogen are mixed in a molar ratio of 2.1: 7.7: 0.2 to 1: 7.7: 1.3,
In the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite, the heat treatment is performed at 750 to 890° C. for 1 to 3 hours under a reducing atmosphere,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has an average particle size of 480-700 nm, a specific surface area (BET) of 7-13 m 2 /g, and an average pore size of 20-32 nm,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite contains 0.5 to 8 wt% of carbon based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite. manufacturing method.
상기 몰리브덴 전구체는 MoCl5, MoF6, MoCl6, MoO3, Mo(CO)6, Na2MoO4ㆍ2H2O 및 (NH4)6Mo7O24ㆍ4H2O로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The molybdenum precursor is MoCl 5 , MoF 6 , MoCl 6 , MoO 3 , Mo(CO) 6 , Na 2 MoO 4 .2H 2 O and (NH 4 )6Mo 7 O 24 .4H 2 O One selected from the group consisting of The above method for producing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure.
상기 황 및 질소를 포함하는 전구체는 티오아세트아미드, 티오우레아 및 아미노티오페놀로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The precursor containing sulfur and nitrogen is at least one selected from the group consisting of thioacetamide, thiourea, and aminothiophenol. A method for producing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a core-shell structure sodium ion battery.
상기 고분자 전구체는 푸르푸랄, 아닐린, 아세틸렌, 피롤 및 티오펜으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The polymer precursor is at least one selected from the group consisting of furfural, aniline, acetylene, pyrrole and thiophene. A method of manufacturing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a core-shell structure sodium ion battery.
상기 용매는 에탄올, 프로판올, 메탄올, 부탄올, 펜탄올, 헥사놀, 아세노니트릴, 에틸 아세테이트, 디에틸에테르, 트리클로로에틸렌 및 디글로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The solvent is at least one selected from the group consisting of ethanol, propanol, methanol, butanol, pentanol, hexanol, acenonitrile, ethyl acetate, diethyl ether, trichloroethylene and diglomethane. Core-shell structure A method for producing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for sodium ion batteries.
상기 환원 분위기는 수소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 및 질소 가스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행하는 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The reducing atmosphere is performed in at least one inert gas selected from the group consisting of hydrogen gas, argon gas, helium gas and nitrogen gas.
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드 화합물을 포함하는 코어부; 및 탄화된 다공성 탄소를 포함하는 쉘부;를 포함하고,
상기 코어부는 표면의 전부 또는 적어도 일부가 쉘부에 의해 피복되어 있는 코어-쉘 구조인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite may include a core including a nitrogen-doped molybdenum sulfide compound; and a shell portion comprising carbonized porous carbon;
The method of manufacturing a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery having a core-shell structure in which the core part has a core-shell structure in which all or at least part of the surface is covered by the shell part.
상기 혼합물을 제조하는 단계에서 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체는 2: 7.7: 0.3 내지 1.3: 7.7: 1 몰비로 혼합되며,
상기 몰리브덴 전구체는 MoCl5이고,
상기 황 및 질소를 포함하는 전구체는 티오아세트아미드이고,
상기 고분자 전구체는 푸르푸랄이고,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 환원 분위기 하에서 780 내지 850 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 동안 수행하며,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 500~600 nm이고,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 1~5 중량%를 포함하고,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 비표면적(BET)이 8.5~12 m2/g이고, 평균기공 크기가 26~30 nm인 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the mixture, the molybdenum precursor, the precursor and the polymer precursor containing sulfur and nitrogen are mixed in a molar ratio of 2: 7.7: 0.3 to 1.3: 7.7: 1,
The molybdenum precursor is MoCl 5 ,
The precursor comprising sulfur and nitrogen is thioacetamide,
The polymer precursor is furfural,
In the step of preparing the nitrogen-doped molybdenum sulfide / carbon composite, the heat treatment is performed at 780 to 850 ° C. under a reducing atmosphere for 1.5 to 2.5 hours,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide / carbon composite has an average particle size of 500 to 600 nm,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite includes 1 to 5 wt% of carbon based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has a specific surface area (BET) of 8.5 to 12 m 2 /g and an average pore size of 26 to 30 nm. Nitrogen-doped molybdenum sulfide/ A method for producing a carbon composite.
탄화된 다공성 탄소를 포함하는 쉘부;를 포함하는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체로서,
상기 코어부는 표면의 전부 또는 적어도 일부가 쉘부에 의해 피복되어 있는 코어-쉘 구조인 것이고,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 몰리브덴 전구체, 황 및 질소를 포함하는 전구체 및 고분자 전구체가 2.1: 7.7: 0.2 내지 1: 7.7: 1.3 몰비로 혼합된 혼합물을 반응시켜 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/고분자 복합체를 제조한 후 열처리하여 형성된 것이고,
상기 열처리는 환원 분위기 하에서 750 내지 890 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행된 것이고,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 평균입자 크기가 480~700 nm이고, 비표면적(BET)이 7~13 m2/g이며, 평균기공 크기가 20~32 nm이고,
상기 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체는 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체 전체 중량에 대하여 탄소 0.5~8 중량%를 포함하는 것인 코어-쉘 구조의 소듐이온전지용 질소 도핑된 몰리브덴 설파이드/탄소 복합체.
a core comprising a nitrogen-doped molybdenum sulfide compound; and
A nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite comprising; a shell portion comprising carbonized porous carbon,
The core part has a core-shell structure in which all or at least part of the surface is covered by the shell part,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon complex is a molybdenum precursor, a precursor containing sulfur and nitrogen, and a polymer precursor in a molar ratio of 2.1: 7.7: 0.2 to 1: 7.7: 1.3 by reacting a mixture of nitrogen-doped molybdenum sulfide/polymer It is formed by heat treatment after manufacturing the composite,
The heat treatment was performed at 750 to 890 ° C for 1 to 3 hours under a reducing atmosphere,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite has an average particle size of 480-700 nm, a specific surface area (BET) of 7-13 m 2 /g, and an average pore size of 20-32 nm,
The nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite is a nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite for a sodium ion battery of a core-shell structure comprising 0.5 to 8% by weight of carbon based on the total weight of the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite.
A negative electrode material for a sodium ion battery comprising the nitrogen-doped molybdenum sulfide/carbon composite of claim 15.
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