KR102451965B1 - 직물소재 기반 전도성 구조체 제조방법 및 그 응용 - Google Patents

직물소재 기반 전도성 구조체 제조방법 및 그 응용 Download PDF

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Abstract

직물소재를 열처리하여 탄화시켜 탄소지지체를 제조하는 단계; 및 상기 탄소지지체 상에 전기도금을 실시하여 상기 탄소지지체상에 전도성 금속물질을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법이 제공된다.

Description

직물소재 기반 전도성 구조체 제조방법 및 그 응용{Method for manufacturing conductive structure based on textile and application using the same}
본 발명은 직물소재 기반 전도성 구조체 제조방법 및 그 응용 및 그 응용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연성 직물 소재로부터 전도성 지지체를 형성하고 이를 균일하게 전도성 금속물질로 코팅함으로써 에너지 저장장치의 전극, 촉매, 흡착제, 센서 등으로 응용가능한, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법 및 그 응용에 관한 것이다.
전극, 촉매, 흡착제, 센서 등은 모두 지지체 상에서 금속과 같은 전도성 금속물질을 활물질로 함유한 구성을 갖는다. 이 경우, 지지체의 전도성, 지지체 및 전도성 활물질의 높은 비표면적, 용이한 가공성 등이 필요하다.
이를 위하여 지지체로서 탄소나노튜브, 그래핀 등과 같은 탄소 지지체를 직접 사용한 촉매 및 그 제조방법이 활용되고 있다.
예를 들어 대한민국 공개특허 10-2009-0041637호는 탄소섬유의 직경을 작게 할 수 있는 폴리이미드 탄소나노섬유 전극을 개시하고 있으며, 대한민국 공개특허 10-2017-0080159호는 에너지 저장 장치용 탄소섬유직물/금속산화물계 나노와이어 기반 전극 및 그의 제조 방법을 개시하고 있다.
하지만, 이와 같은 탄소 지지체의 직접 사용은, 탄소기반 지지체의 제조를 필요로 하며, 이를 위하여 별도의 탄소기반 소재의 제조가 요구된다는 문제가 있다.
이를 대체하고자 직물소재를 지지체로 사용하는 연구가 활발하다. 이 경우, 예를 들어 전극으로 사용하는 경우 직물소재는 높은 기공률과 내부 표면적으로 활물질의 직접 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 원활한 이온 이동을 위해 효과적인 구조체가 된다. 따라서, 절연성의 직물소재에 전도성을 부여하여 다공성 전극을 제작하고, 이를 고성능 에너지 저장 소자로 적용하는 연구가 보고되고 있다.
하지만, 이와 같은 직물소재 상에 금속과 같은 전도성 금속물질 코팅시 널리 사용하는 무전해 도금(lectroless deposition)은, 직물소재의 내부 피브릴 구조를 균일하게 코팅하기 어려울 뿐 아니라 뭉침현상으로 다공성 구조의 표면적을 효과적으로 활용하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 표면처리 및 환원과정에서 불순물이 형성되어 최종 전극의 전기전도성 및 기계적 안정성에서의 한계가 있다.
더 나아가, 금속 나노입자를 코팅하는 경우, 입자 간 계면 처리에 대한 지식의 부족은 입자 간 계면 저항으로 인해 벌크 금속과 같은 전기전도성 부여가 어렵우며, 이를 극복하기 위한 추가 표면처리 공정은 전체 전극 제작을 위한 공정 시간에 장기화를 가져온다는 단점이 있다.
따라서, 직물소재의 피브릴구조를 균일하게 코팅하면서도 지지체의 기계적 정성, 그리고 전도성 활물질의 비표면적을 증가시킬 수 있는 방법과 이를 응용하는 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 직물 소재로부터 우수한 전도성, 기계적 안전성 높은 비표면적의 전도성 활물질을 가지면서도 직물소재가 가지는 우수한 네트워크 특성을 그대로 유지할 수 있는, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법 및 그 응용을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 직물소재를 열처리하여 탄화시켜 탄소지지체를 제조하는 단계; 및 상기 탄소지지체 상에 전기도금을 실시하여 상기 탄소지지체상에 전도성 금속물질을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열처리는 상기 열처리후 상기 직물소재가 상기 전기도금이 가능한 수준의 면저항을 갖는 온도로 진행되며, 상기 열처리는 섭씨 700 내지 2000도에서 진행되며, 상기 열처리에 따라 제조된 상기 탄소지지체는 상기 직물소재의 네트워크 구조를 그대로 유지한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전도성 금속물질은 Ni, Cu, Al 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 직물소재는 탄소원자를 주쇄에 함유하는 직물이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 직물소재는 상기 열처리에 따라 sp2 결합의 육각 구조를 갖는다.
본 발명은 또한 상술한 방법에 의하여 제조된 직물소재 기반 다공성 금속활물질을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 직물소재 기반 다공성 금속활물질은, 직물소재의 네트워크 구조를 갖는 탄소지지체; 및 상기 탄소지지체 상에 코팅된 금속물질을 포함하며, 상기 코팅된 금속물질의 표면은 나노 사이즈의 돌기들이 융기(protuberant structure)된 구조를 포함한다.
본 발명은 또한 상술한 다공성 금속활물질을 포함하는 에너지 저장장치 전극를 제공하며, 상기 에너지 저장장치는 리튬-황 전지이며, 상기 전극은 상기 다공성 금속활물질 상에 황이 도포된다.
본 발명은 또한 상술한 다공성 금속활물질을 포함하는 촉매와 상술한 다공성 금속활물질을 포함하는 센서로서, 상기 금속활물질과 결합되어 센싱하고자 하는 타겟 물질과 결합할 수 있는 프로브 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서를 제공한다.
본 발명에 따르면, 직물소재를 섭씨 700도 수준의 저온에서 열처리하여 우수한 전도성과 높은 다공성을 갖는 네트워크 구조의 지지체를 제조한 후, 간단한 도금방법으로 금속 활물질을 코팅함으로써 전기적/기계적 강도가 우수하고 가공성이 뛰어난 다공성 금속 전극과 같은 다공성 전도성 구조체를 제조할 수 있다. 특히 본 발명을 통해 제작된 전도성 구조체는 직물 소재의 네트워크 구조를 그대로 가지는 지지체로 인한 높은 기공률과 넓은 표면적으로 인해 활물질의 직접 양을 증가시킴과 동시에 원활한 이온 이동도를 확보하여 전극으로 사용되는 경우 고밀도 에너지 용량과 고출력 특성 그리고 우수한 구동 안정성, 촉매로 사용되는 경우 촉매 활성의 증가를 기대할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 전도성 구조체는 에너지 저장 소자뿐만 아니라 가벼운 다공성 구조가 요구되는 다양한 전기소자(예를 들어 센서) 또는 촉매 등에 적용될 수 있으며, 간단한 전기도금으로 전도성 구조체를 제조하는 본 발명은 제작하고자 하는 구조체의 크기나 모양에 제약이 없다는 장점 또한 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법의 단계도이다.
도 2 및 3은 각각 본 실시예에서 사용된 전기도금 장치와 도금시간에 따른 지지체의 코팅 사진, 그리고 도금 전 후의 사진이다.
도 4a 및 4b는 각각 다공성 직물소재와 열처리 이후 구조를 유지하는 탄소 지지체의 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다.
도 5는 열처리 온도에 따른 지지체의 면저항 데이터이다.
도 6은 탄소 지지체에 전기도금 시간에 따른 밀도와 전기적 특성의 변화룰 측정한 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 구조체와 통상의 다공성 니켈 지지체의 XRD 결과이다.
도 8 및 9는 각각 본 발명에 따른 전도성 구조체의 SEM 전기도금 된 다공성 전도성 구조체의 주사전자현미경 (SEM)과 원소 맵핑 (elemental mapping)이미지(도 8), 직물소재 지지체를 무전해 도금한 .전도성 구조체의 주사전자현미경 (SEM)과 원소 맵핑 (elemental mapping)이미지(도 9)이다.
도 10 및 11은 각각 본 발명에 따른 전도성 구조체의 SEM 이미지, 상용화되어 있는 다공성 전극의 SEM 이미지이다.
도 12는 실시예 2에 따른 리튬-황 전극의 로딩양을 비교한 결과이다.
도 13 내지 14는 로딩양 3 mg m-2에서의 리튬-황 전지의 용량과 속도 특성을 비교한 그래프이고, 도 15는 용량 특성을 비교한 표이다.
도 16은 로딩양 3 mg m-2에서의 리튬-황 전지의 성능을 분석한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 절연체인 직물소재 기반으로 간단한 전기도금 법을 실시하여 가공성이 우수한 다공성의 전도성 구조체를 제작하여 전극, 촉매 등에 활용할 수 있음을 보이고 나아가 전극으로 활용하는 경우 고성능 배터리인 에너지 저장 소자로의 적용 가능성을 확인하였다.
특히 본 발명은 직물소재의 열처리를 섭씨 500 내지 900도에서 진행하며, 이러한 열처리에 따라 sp2 결합의 육각 구조를 갖는 직물소재(셀룰로오스, 실크, 폴리아크롤로나이트릴, 케블라 등)는 탄화되어 직물소재 자체의 높은 기공률을 갖는 네트워크 구조를 유지할 수 있으며, 열처리 후 소재가 sp2 결합의 육각 구조로 탄화됨에 따라 우수한 전도성을 가지게 된다. 더 나아가, 후속하는 전기도금 시 이러한 높은 기공률의 지지체 상에 금속 활물질의 코팅은 직물 소재 자체에 도금을 하는 경우 발생하는 문제, 표면에만 과도금이 일어나고, 내부까지 코팅되지 않는 문제 없이 전체적으로 지지체 표면에 균일하게 코팅될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법의 단계도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 직물소재 기반 전도성 구조체 제조방법은, 먼저 직물소재를 열처리하여 탄화시켜 탄소지지체를 제조한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 열처리 온도는 후속하는 전기도금이 가능한 면저항을 결정짓는데 중요한데, 본 발명에서는 섭씨 700도에서 얻어지는 직물 소재의 면저항(361 옴/sq) 수준에서 전기도금이 가능한 면저항이 얻어지게 되며 따라서 섭씨 700도 이상으로 열처리하는 것이 바람직하다. 일반적으로 직물소재 자체의 전도성을 높이기 위해서 열처리 온도를 2000도 이상으로 높이나, 본 특허에서는 후속하는 전기도금을 위한 최소한의 전도성을 확보하면 되기 때문에 섭씨 700도 이상, 바람직하게는 섭씨 700도 내지 2000도 미만, 보다 바람직하게는 섭씨 700도 내지 1500도, 매우 바람직하게는 섭씨 700도 내지 900도 수준으로 열처리히는 것이 바람직하다.
이후 상기 탄소지지체 상에 전기도금을 실시한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전기도금은 니켈을 도금하는 방식으로 진행되었으며, 특히 전기도금이 가능한 수준으로 면저항을 낮추면서도 높은 기공률을 유지하며 sp2의 육각구조를 갖는 지지체에 전기도금을 실시함으로써 단시간에 높은 전기전도성을 부여함으로써 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체를 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 전도성 구조체는 높은 기공률(이것은 높은 비표면적 및 활성 면적을 의미함)과 균일하게 전도성 금속물질(촉매의 경우 촉매 활물질, 센서의 경우 센싱 물질)이 코팅된 구조를 가짐에 따라 전극, 촉매, 센서 등으로 활용가능하다.
이하 실시예 및 실험에를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다, 하지만 하기의 실시예 및 실험예는 모두 본 발명의 설명하기 위한 것일뿐 본 발명의 범위는 하기 내용에 의하여 제한되지 않는다.
실시예 1
전도성 다공성 구조체 제조
본 실시예에서는 하기 단게에 따라 전도성 구조체를 제조하였다.
(a). 셀룰로오스 기판을 아르곤 분위기 하에서 열처리 공정을 진행(섭씨 700도)
(b). 상기 열처리된 셀룰로오스 기판을 도금 용액(와트욕 조성의 니켈 도금 용액)에서 전기도금을 수행
(c). 전기도금을 수행한 셀 증류수에 워싱
(d). 워싱이 끝난 셀룰로오스 기판을 드라이
(f). 드라이가 끝난 기판을 오븐에 넣고 150ㅀC로 3시간 동안 열처리하는 단계.
직물소재 기판의 경우 주쇄에 탄소를 함유하며, 셀룰로오스 이외에도 실크, 폴리아크릴로나이트릴, 케블라와 같이 열처리 후 sp2의 육각의 탄소구조를 갖는 면소재의 경우 모두 본 발명의 범위에 속하며, 전기도금이 가능한 임의의 모든 금속, 예를 들어 Ni, Cu, Al 등이 모두 전도성 금속물질로 사용될 수 있다.
실시예 2
리튬-황 전지의 전극제조
본 실시예에서는 실시예 1에서 제조된 전도성 다공성 구조체의 응용예로서 하기 단계에 따라 리튬-황 전지의 전극을 제조하였다.
(a). 상기 도금된 전극을 황 슬러리에 담지
(b). 황 슬러리를 흡수한 전극을 드라이
상기 제작방법에 사용되는 슬러리의 경우, 표면이 아민기로 개질된 탄소나노튜브 (NH2-MWCNT)를 포함하고 있으며 이외에도 전도성과 기능성 바인더로 아민기를 갖는 유기물, 그라핀 등이 포함될 수 있다.
도 2 및 3은 각각 본 실시예에서 사용된 전기도금 장치와 도금시간에 따른 지지체의 코팅 사진, 그리고 도금 전 후의 사진이다.
도 2 및 3을 참조하면, 니켈을 도 2의 도금 장치에서 전기도금함에 따라 지지체에 니켈이 코팅되어 전도성 구조체가 형성된 것을 알 수 있다. 특히 도금 시간에 따라 지속적인 코팅 로딩이 증가하는 것을 알 수 있다.
실험예
도 4a 및 4b는 각각 다공성 직물소재와 열처리 이후 구조를 유지하는 탄소 지지체의 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 열처리에 따라 직물소재는 유사한 소재 가닥가닥이 연결된 네트워크 구조를 그대로 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 열처리 자체로 섬유에 전도성을 부여하는 기존 방식과 달리 전기도금이 가능한 수준으로 열처리함에 따라 이러한 직물소재의 다공성을 그대로 유지한다는 장점이 있다.
또한 도 5는 열처리 온도에 따른 지지체의 면저항 데이터이다.
도 5를 참조하면, 섭씨 700도에서는 전기도금이 가능한 360옴/sq의 면저항이 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 섭씨 700도 수준의 온도 이상에서 열처리하는 경우 본 발명에 따른 구조체의 지지체 제조가 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 6은 탄소 지지체에 전기도금 시간에 따른 밀도와 전기적 특성의 변화룰 측정한 결과이다.
도 6을 참조하면, 전기도금 시간에 따라 로딩되는 전도성 금속물질의 밀도는 증가하고, 저항은 감소하는 것을 알 수 있다.
특히 이러한 선형적인 로딩시간의 증가와 저항의 감소는, 소재 표면에서만 과도금이 일어나고 내부까지 코팅되지 않는 경우 초기 이후 로딩양이 증가하지 않고 저항 감소도 급속하게 감소되지 않는 현상과는 상이한 것으로, 이것은 과도금 없이 직물 소재 내부까지 도금이 균일하게 일어나는 것을 증명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 구조체와 상용화된 다공성 니켈 지지체의 XRD 결과이다. 여기에서 상용화된 다공성 니켈 지지체는 니켈 폼(Ni foam, Goodfellow사, Index number: 028-002-00-7, CAS number: 7440-02-0.)이었다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 직물소재 기반 지지체에 니켈이 코팅되는 경우 상이한 결정성을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, 도 7의 결과로부터 상용화된 다공성의 니켈 구조체보다 본 발명에 따라 탄화-전기도금시킨 전도성 구조체는 양질의 니켈이 형성되며 더 나아가 더 넓은 비표면적을 보이는 것을 알 수 있으며, 이는 하기 실시예를 통해서도 설명된다.
도 8 및 9는 각각 본 발명에 따른 전도성 구조체의 SEM 전기도금 된 다공성 전도성 구조체의 주사전자현미경 (SEM)과 원소 맵핑 (elemental mapping)이미지(도 8), 직물소재 지지체를 무전해 도금한 .전도성 구조체의 주사전자현미경 (SEM)과 원소 맵핑 (elemental mapping)이미지(도 9)이다.
도 8 및 9를 참조하면, 본 발명의 경우 균일한 니켈의 분포를 확인할 수 있으며, 특히 도 2의 결과에서와 같이 본 발명에 따라 제조된 전도성 구조체는 코팅된 금속물질의 표면이 나노 사이즈의 돌기들이 융기(protuberant structure)된 구조를 포함하며, 균일하게 코팅되어 있음을 알 수 있다. 한편 무전해 도금의 경우 코팅된 전도성 금속물질의 균일성이 현저히 떨어지며, 응집 현상, 기공 막힘 등의 문제가 있음을 알 수 있다.
도 10 및 11은 각각 본 발명에 따른 전도성 구조체의 SEM 이미지, 상용화되어 있는 다공성 전극의 SEM 이미지이다.
도 10 및 11을 참조하면, 본 발명에 따른 전도성 구조체의 밀도와 표면적의 효과를 통하여 본 발명에 따른 전도성 구조체는 현저히 높은 기공도와 활성면적을 갖는 것을 알 수 있다.
도 12는 실시예 2에 따른 리튬=황 전극의 로딩양을 비교한 결과이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 경우 로딩량을 3mg 이상 8 mg cm-2 까지 달성할 수 있음을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예(EP-CT)에 S-poly를 포함한 혼합슬러리(S-poly, NH2-MWCNT, SuperP)를 코팅하는 경우, S-poly 로딩양을 기준으로 3, 5, 8 mg cm-2 의 많은 양까지도 기공을 막지 않고 로딩됨을 확인할 수 있으며, 이것은 본 발명에 따라 제조된 전도성 구조체는 초기 직물소재의 기공과 네트워크 구조를 그대로 유지함으로써 보다 많은 양의 활물질 로딩이 가능하다는 것을 증명한다.
도 13 내지 14는 로딩양 3 mg m-2에서의 리튬-황 전지의 용량과 속도 특성을 비교한 그래프이고, 도 15는 용량 특성을 비교한 표이다.
도 13 내지 15를 참조하면 본 발명에 따른 전도성 구조체를 전극으로 사용한 경우(EP-CT/HS/CL)은 높은 용량과 빠른 계면 반응, 그리고 뛰어난 속도 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, 활물질인 S-poly의 로딩양 3 mg cm-2을 기준으로 EP-CT/HS(본 발명)의 성능값이 C-CT/HS(비교예, 탄화만 시킨 섬유) 대비 더 높고, dE 값이 더 작은 것을 알 수 있다. 이는 EP-CT가 C-CT 대비 충방전 시에 황의 빠른 산화환원 반응을 가능하게 함으로써 성능이 더 높음을 보여준다. 또한, 도 14의 경우 C-rate를 증가시킴에 따라 EP-CT의 성능 값이 C-CT 대비 높을 것을 통해 빠른 충방전이 가능함을 보여주며, 도 15를 통하여 정량적으로 그 차이를 알 수 있다.
또한 도 16을 통하여 S-poly의 로딩양을 8 mg cm-2 까지 증가시킴으로써 면적당 성능이 우수하다는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과는 결국 금속인 EP-CT의 전하전달특성이 우수하며 다공성 구조로 높은 로딩양 및 그에 따른 우수한 면적당 성능이 발현됨을 증명한다.
도 16은 로딩양 3 mg m-2에서의 리튬-황 전지의 성능을 분석한 그래프이다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 전도성 구조체를 전극을 사용한 경우, 면적당 높은 에너지 용량을 달성할 수 있음을 알 수 있다.
이상 설명한 본 발명에 따른 전도성 구조체는 에너지 저장 소자의 전극 뿐만 아니라, 높은 비표면적, 높은 기공을 요구하는 전도성 소재, 예를 들어 촉매와 센서 등에도 활용가능하며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 직물소재를 열처리하여 탄화시켜 탄소지지체를 제조하는 단계; 및
    상기 탄소지지체 상에 전기도금을 실시하여 상기 탄소지지체상에 전도성 금속물질을 코팅하는 단계를 포함하며,
    상기 열처리는 상기 열처리후 상기 직물소재가 상기 전기도금이 가능한 수준의 면저항을 가지면서, 직물소재 자체의 네트워크 구조를 유지할 수 있는 온도인 섭씨 700 내지 900도의 온도에서 진행되며,
    상기 코팅된 전도성 금속물질의 표면은 나노 사이즈의 돌기들이 융기(protuberant structure)된 구조를 가지며,
    상기 전기도금 시간에 따라 상기 전도성 금속물질의 코팅 로딩양은 증가하는 것을 특징으로 하는, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 금속물질은 Ni, Cu, Al 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 직물소재는 탄소원자를 주쇄에 함유하는 직물인 것을 특징으로 하는, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 직물소재는 상기 열처리에 따라 sp2 결합의 육각 구조를 갖는 소재인 것을 특징으로 하는, 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체 제조방법.
  7. 제 1항, 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 직물소재 기반 다공성 전도성 구조체로 이루어진 금속활물질로, 상기 코팅된 전도성 금속물질 표면은 나노 사이즈의 돌기들이 융기(protuberant structure)된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속활물질.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7항에 따른 다공성 금속활물질을 포함하는 에너지 저장장치 전극.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 에너지 저장장치는 리튬-황 전지이며, 상기 전극은 상기 다공성 금속활물질 상에 황이 도포된 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치 전극.
  12. 제 7항에 따른 다공성 금속활물질을 포함하는 촉매.
  13. 제 7항에 따른 다공성 금속활물질을 포함하는 센서로서,
    상기 금속활물질과 결합되어 센싱하고자 하는 타겟 물질과 결합할 수 있는 프로브 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속활물질을 포함하는 센서.
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CN103219519A (zh) * 2013-04-28 2013-07-24 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种硫-石墨烯复合结构锂硫电池正极材料制备方法

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