KR102549395B1 - 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템 - Google Patents

이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 리튬 전해질 염과 달리 작동 중 부반응을 일으키지 않으며 열적 및 전기화학적 안정성이 뛰어나면서도, 합성 과정이 매우 간단하고, 결정성이 높으며, 입자가 균일한 크기를 가지고, 가역적으로 반응할 수 있으며, 우수한 충·방전 성능을 발현하고, 지지전해질로서의 성능이 우수한 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템에 관한 것이다.

Description

이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템 {Ionic compound including heteroatom-doped carbon structure, manufacturing method thereof, electrolytic solution composition including the same and electrochemical system including the same}
본 발명은 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 리튬 전해질 염과 달리 작동 중 부반응을 일으키지 않으며 열적 및 전기화학적 안정성이 뛰어나면서도, 합성 과정이 매우 간단하고, 결정성이 높으며, 입자가 균일한 크기를 가지고, 가역적으로 반응할 수 있으며, 우수한 충·방전 성능을 발현하는 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템에 관한 것이다.
오늘날 전해질 염(이온화합물)은 이차전지, 캐패시터, 전해조 및 연료 전지와 같은 전기화학 응용 분야에 사용되는 필수 구성요소이다. 전해질 염은 금속 양이온과 음이온으로 구성되어 있다. 일반적으로 사용되고 있는 음이온은 헥사플루오로포스페이트 (PF6 -), 테트라플루오로보레이트 (BF4 -), 트리플레이트 (OSO2CF3 -) 및 퍼클로레이트 (ClO4 -)가 음이온의 전형적인 예이다. 한편, 도 1에 도시된 화학식이 통상적으로 전기화학 응용분야에 사용되고 있는 전형적인 음이온 구조이며, 여기서 금속 양이온은 리튬(Li+)로 표현하였다.
그러나 기 개발된 전해질 염의 음이온은 전기화학 반응과정 중에 여러 가지 문제점을 일으키는 원인이 되고 있다. 이로 인해 전기화학 시스템의 안정성이 저하된다. 그 예로 폭발, 열화, 성능저하 등이 발생한다. 일례로 LiPF6의 경우 열적 안정성이 매우 낮다. 또한, 전해질 내 미량의 수분이 있을 경우 이와 반응하여 HF가 쉽게 형성되는데, 이로 인해 유기 용매의 분해반응과 전극 부반응을 일으켜 전지의 성능을 열화 시킨다. 특히 온도 상승 시 아래와 같은 부반응으로 인해 전해질의 지속적 분해를 가속화하고 가스를 발생시켜, 배터리 폭발을 야기한다는 문제점이 있다.
LiBF4와 LiBOB 는 이온 해리가 어려워 이온 전도성이 낮아 전지의 고율 특성에 불리한 영향을 끼치며 전지 구동 시 가스 발생이 증가할 수 있고, 가수분해 현상이 발생한다. 또한 LiTFSI와 LiDFOB의 경우 양극(cathode)에서 알루미늄 도체의 부식이 증가한다는 문제점이 있다.
이에 따라, 종래 리튬 전해질 염과 달리 작동 중 부반응을 일으키지 않으며 열적 및 전기화학적 안정성이 뛰어나면서도, 합성 과정이 매우 간단하고, 결정성이 높으며, 입자가 균일한 크기를 가지고, 가역적으로 반응할 수 있으며, 우수한 충·방전 성능을 발현하는 이온화합물에 대한 연구가 시급한 실정이다.
JP 2014-526285 (출원일: 2014.05.19)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 종래 리튬 전해질 염과 달리 작동 중 부반응을 일으키지 않으며 열적 및 전기화학적 안정성이 뛰어나면서도, 합성 과정이 매우 간단하고, 결정성이 높으며, 입자가 균일한 크기를 가지고, 가역적으로 반응할 수 있으며, 우수한 충·방전 성능을 발현하고, 지지전해질로서의 성능이 우수한 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 티올기, 보론산기, 설페이트기, 카르복시기, 설포네이트기, 하이드록시기 및 포스페이트기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제1관능기를 포함하는 제1 음이온 전구체(precursors) 및 아민기, 설파이드기 및 보레인기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제2관능기를 포함하는 제2 음이온 전구체가 각각 복수개 결합되어 형성되고, 상기 관능기를 적어도 4개 이상 포함하는 나노크기의 음이온; 및 상기 관능기에 결합되는 금속양이온;을 포함하는 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 음이온 전구체 및 제2 음이온 전구체는 1 : 0.8 이하의 몰비로 결합될 수 있다.
또한, 상기 제1 음이온 전구체는, 글루코스, 나프탈렌, 시트르산, 요소, 초산, 글루타민(산), 벤젠, 올레익산, 페닐보론산 및 2,3-하이드록시-1,5-부테인디티올(2,3-hydroxy-1,5-butanedithiol) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 음이온 전구체는, 키토산, 페닐렌 디아민 알킬아민 및 알킬설페이트 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속양이온은 알칼리 금속의 양이온, 알칼리 토금속의 양이온 및 전이 금속의 양이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 양이온을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이온화합물은 평균입경이 13 ~ 23㎚일 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 제1관능기를 포함하는 제1 음이온 전구체(precursors)와 제2관능기를 포함하는 제2 음이온 전구체 각각을 복수개 결합시키고, 상기 관능기를 적어도 4개 이상 포함하는 나노크기의 음이온을 형성하는 단계; 및 상기 나노크기의 음이온에 금속양이온의 전구체 수용액을 처리하여, 상기 관능기에 결합된 금속양이온을 포함하는 이온화합물을 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 제1관능기는 티올기, 보론산기, 설페이트기, 카르복시기, 설포네이트기, 하이드록시기 및 포스페이트기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제2관능기는 아민기, 설파이드기 및 보레인기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 이온화합물 제조방법을 제공한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 상술한 이온화합물; 및 상기 탄소구조체 이온화합물이 분산된 용매;를 포함하는 전해액 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매는 수용성 용매, 비수용성 용매 및 수용액으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 상술한 전해액 조성물;을 포함하는 전기화학시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 전기화학시스템은, 종래 리튬 전해질 염과 달리 작동 중 부반응을 일으키지 않으며 열적 및 전기화학적 안정성이 뛰어나면서도, 합성 과정이 매우 간단하고, 결정성이 높으며, 입자가 균일한 크기를 가지고, 가역적으로 반응할 수 있으며, 지지전해질로서의 성능이 우수하고, 우수한 충·방전 성능을 발현하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 리튬이차전지의 리튬염 화학식,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온화합물을 제조하는 모식도,
도 3은 이온화합물의 TEM 사진으로, 도 3a 및 도 3b는 각각 실시예 1에 따른 이온화합물의 150kX 화소 사진과 500kX 화소 사진,
도 4는 실시예 1에 따른 이온화합물의 평균 크기와 크기의 표준편차를 나타낸 그래프,
도 5a 내지 도 5b는 각각 지지전해질로 KCl, 실시예 1에 따른 이온화합물을 사용한 수용액에서 1 mM potassium ferricyanide의 순환전압전류곡선(cyclic voltammogram) 그래프,
도 6는 지지전해질로 KCl, 실시예 1에 따른 이온화합물(Bottom-up)을 각각의 주사속도(Scan rate)의 제곱근 별 봉우리 전류(peak current, ipc 및 ipa)의 추세선을 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물은, 도 2에 도시된 바와 같이, 티올기, 보론산기, 설페이트기, 카르복시기, 설포네이트기, 하이드록시기 및 포스페이트기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제1관능기를 포함하는 제1 음이온 전구체(precursors) 및 아민기, 설파이드기 및 보레인기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제2관능기를 포함하는 제2 음이온 전구체가 각각 복수개 결합되어 형성되고, 상기 관능기를 적어도 4개 이상 포함하는 나노크기의 음이온; 및 상기 관능기에 결합되는 금속양이온;을 포함하여 구현될 수 있다.
제1 음이온 전구체는, 상기 제1관능기를 포함함에 따라, 후술하는 금속양이온이 결합될 수 있는 결합사이트를 구비시킬 수 있는 공지된 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 글루코스, 나프탈렌, 시트르산, 요소, 초산, 글루타민(산), 벤젠, 올레익산, 페닐보론산 및 2,3-하이드록시-1,5-부테인디티올(2,3-hydroxy-1,5-butanedithiol) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 글루코스, 나프탈렌, 시트르산 및 페닐보론산 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 음이온 전구체는, 상기 제2관능기를 포함함에 따라 표면 개질제의 기능을 수행할 수 있는 공지된 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 키토산, 페닐렌 디아민, 알킬아민 및 알킬설페이트 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 키토산 및 페닐렌 디아민 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속양이온은 상기 음이온의 제1관능기 및/또는 제2관능기에 결합되는 것으로, 상술한 음이온에 구비되는 제1관능기 및/또는 제2관능기에 결합될 수 있으면서도 전기화학시스템에 적용될 수 있는 화학반응에 의한 불필요한 부산물이 생성되지 않는 금속양이온이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 알칼리 금속의 양이온, 알칼리 토금속의 양이온 및 전이 금속의 양이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 양이온을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 소듐이온, 리튬이온, 칼륨이온 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 이온화합물은 평균입경이 13 ~ 23nm일 수 있고, 바람직하게는 평균입경이 14 ~ 22nm일 수 있다. 만일 이온화합물의 평균입경이 13nm 미만이면 이온전도도가 감소될 수 있고, 평균입경이 23nm을 초과하면 이온화합물간의 응집이 발생할 수 있다.
또한, 상기 이온화합물은 평균입경에 대한 입경의 표준편차 비율이 18.5% 이하일 수 있고, 바람직하게는 평균입경에 대한 입경의 표준편차 비율이 18% 이하일 수 있다. 상기 이온화합물이 평균입경에 대한 입경의 표준편차 비율 범위를 만족함에 따라 이온화합물의 입경이 더욱 균일할 수 있다.
또한, 상기 이온화합물의 평균입경에 대한 입경의 표준편차 비율을 만족하도록, 상기 입경의 표준편차는 4nm 이하, 바람직하게는 3.5nm 이하일 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물은, 티올기, 보론산기, 설페이트기, 카르복시기, 설포네이트기, 하이드록시기 및 포스페이트기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제1관능기를 포함하는 제1 음이온 전구체(precursors) 및 아민기, 설파이드기 및 보레인기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제2관능기를 포함하는 제2 음이온 전구체를 각각 복수개 결합시켜서, 상기 관능기를 적어도 4개 이상 포함하는 나노크기의 음이온을 형성하는 단계; 및 상기 나노크기의 음이온에 금속양이온의 전구체 수용액을 처리하여, 상기 관능기에 결합된 금속양이온을 포함하는 이온화합물을 제조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
후술하는 이온화합물의 제조방법에 대해 설명에서, 상술한 이온화합물에 대한 설명과 동일한 부분에 대해서는 생략하고 설명하도록 한다.
또한, 상기 나노크기의 음이온은 보론(B), 질소(N) 및 황(S) 중에서 어느 하나 이상을 도핑된 것일 수 있고, 바람직하게는 상기 음이온은 보론(B), 질소(N) 및 황(S) 중에서 선택된 2종 이상의 원소가 도핑(heteroatom-doped)된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 상기 원소들의 도핑은 제1 음이온 전구체 및 제2 음이온 전구체에 보론, 질소 및 황 중에서 선택된 1종 이상의 원소가 포함됨으로써 이루어질 수 있다.
먼저, 상기 음이온을 형성하는 단계에 대하여 설명한다.
상기 음이온을 형성하는 단계는, 상기 제1 음이온 전구체, 제2 음이온 전구체 및 용매를 혼합하고, 105 ~ 135℃에서 14 ~ 26 시간 동안, 바람직하게는 110 ~ 130℃에서 16 ~ 24시간 동안 탄화시켜서 수행할 수 있다.
이때, 상기 제1 음이온 전구체 및 제2 음이온 전구체는 1 : 0.8 이하의 몰비로, 바람직하게는 1 : 0.7 이하의 몰비로 혼합될 수 있다. 만일, 상기 제1 음이온 전구체 및 제2 음이온 전구체의 몰비가 1 : 0.8을 초과하면 목적하는 수준으로 상술한 금속양이온이 결합될 수 있는 결합사이트를 구비할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 이온화합물을 제조하는 단계를 수행하기 전에, 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 불순물을 제거하는 단계는, 8 ~ 16시간 동안, 바람직하게는 10 ~ 14시간 동안 삼투를 통해 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음, 상기 이온화합물을 제조하는 단계에 대하여 설명한다.
상기 이온화합물을 제조하는 단계는, 상기 제조한 나노크기의 음이온에 금속양이온의 전구체 수용액을 첨가하여 수행할 수 있다.
이때, 상기 금속양이온 전구체 수용액은 탄산염 및/또는 수산화염을 포함하는 수용액일 수 있고, 바람직하게는 수산화염을 포함하는 수용액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온화합물을 제조하는 단계는, 금속양이온의 전구체 수용액을 첨가한 뒤, 건조시키는 공정을 더 수행할 수 있다.
상술한 제조방법을 수행하여 이온화합물을 제조함에 따라, 고체상의 이온화합물을 수득할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 이온화합물 및 상기 이온화합물이 분산되어 구비되는 용매를 포함하는 전해액 조성물을 제공한다.
이때, 상기 용매는 이온 이동도에 영향을 주지 않고, 금속염의 해리에 영향을 주지 않아 높은 이온전도 특성을 나타낼 수 있는 공지된 용매라면, 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 수용성 용매, 비수용성 용매 및 수용액으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 전해액 조성물을 포함하는 전기화학시스템을 제공한다.
상기 전기화학시스템은, 전해액 조성물이 적용될 수 있는 당업계의 통상적인 전기화학시스템이라면 제한되지 않는다. 일예로, 상기 전기화학시스템은 리튬이차전지, 캐패시터, 염료감응형 태양전지, 전기화학발광시스템, 전기변색시스템 및 유기 전기 화학 트랜지스터일 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
<실시예 1>
테플론 오토클레이브 용기에 제1 음이온 전구체로 카르복시기인 제1관능기를 포함하는 시트르산, 제2 음이온 전구체로 아민기인 제2관능기를 포함하는 에틸렌 디아민 및 용매로 물을 혼합하고, 오븐에서 온도 120℃로 20시간 동안 탄화시켜서 나노크기의 음이온을 포함하는 용액을 제조하였다. 이때, 상기 제1 음이온 전구체와 제2 음이온 전구체는 1 : 0.5의 몰비로 혼합하였고, 제1 음이온 전구체 및 제2 음이온 전구체 전체 100 중량부에 대하여 용매는 10 mL 중량부로 혼합하였다.
그리고, 상기 용액에서 12시간 동안 삼투를 통해 불순물을 제거하고, 불순물을 제거한 용액 100 중량부 (3mg/mL) 에 대하여 금속양이온 전구체 용액인 1 M KOH 수용액을 0.5 mL (10.62 mM) 중량부를 혼합한 후, 진공 건조시켜서 고체상의 이온화합물을 수득하였다.
<실시예 2>
테플론 오토클레이브 용기에 제1 음이온 전구체로 보론산인 제1관능기를 포함하는 페닐보론산, 제2 음이온 전구체로 아민기인 제2관능기를 포함하는 에틸렌 디아민 및 용매로 물을 혼합하고, 오븐에서 온도 120℃로 20시간 동안 탄화시켜서 나노크기의 음이온을 포함하는 용액을 제조하였다. 이때, 상기 제1 음이온 전구체와 제2 음이온 전구체는 1 : 0.5의 몰비로 혼합하였고, 제1 음이온 전구체 및 제2 음이온 전구체 전체 100 중량부에 대하여 용매는 10 mL 중량부로 혼합하였다.
그리고, 상기 용액에서 12시간 동안 삼투를 통해 불순물을 제거하고, 불순물을 제거한 용액 100 중량부 (3mg/mL) 에 대하여 금속양이온 전구체 용액인 1 M KOH 수용액을 0.5 mL (10.62 mM) 중량부를 혼합한 후, 진공 건조시켜서 고체상의 이온화합물을 수득하였다.
<실험예 1: 이온화합물의 평균입경 평가>
도 3a에 도시된 바와 같이 TEM 사진을 통해 실시예 1에 따라 제조된 이온화합물의 결정성과 평균 크기를 확인하였다.
도 3b에 삽입된 고속 퓨리에 변환 (Fast fourier transform, FFT) 이미지를 보면 실시예 1에 따른 이온화합물은 격자 이미지가 확연히 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, TEM 분석을 통해 얻은 150 개 이온화합물의 크기 분포도 결과, 실시예 1에 따른 이온화합물의 평균 크기는 18.31 nm(표준 편차 ±3.11 nm)였고, 입자가 매우 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2: 순환전압전류법(cyclic voltammetry) 측정>
실시예 1에 따른 이온화합물의 전해질로서의 실효성을 알아보기 위하여 수계에서 도 5 및 도 6과 같이 순환전압전류법을 측정하였다. 실시예 1에 따른 이온화합물 각각을 지지전해질로 사용하였고, 가역적 전기 화학적 특성을 보여준다고 알려져 있는 페리시안화칼륨(potassium ferricyanide)을 이용하였다.
이론적으로 페리시안화칼륨은 봉우리 전위 차이값(peak potential difference, ΔEpp)이 57 mV여야 한다. 또한 주사속도(scan rate)의 제곱근과 봉우리 전류(peak current)의 관계함수에서 선형성이 있어야하며, 산화 및 환원 전류의 비율이 1일 경우 화학종은 이상적으로 가역적인 반응을 한다고 볼 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 이온화합물은 시판전해질인 KCl과 비교하였을 때 ΔEpp가 더욱 크게 나타났다.
도 6의 주사 속도의 제곱근과 봉우리 전류의 관계함수 그래프를 보면, 실시예 1에 따른 이온화합물은 산화 및 환원 전류의 비율이 1에 가까운 것으로 나타나, 지지전해질로서의 특성이 우수한 것을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 보론(B), 질소(N) 및 황(S) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 나노크기 음이온; 및 금속양이온;을 포함하고,
    상기 나노크기 음이온은 제1관능기를 포함하며, 금속양이온은 나노크기 음이온의 제1관능기와 이온결합을 형성하며,
    상기 나노크기 음이온은,
    티올기, 보론산기, 설페이트기, 카르복시기, 설포네이트기, 하이드록시기 및 포스페이트기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제1관능기를 포함하는 제1 음이온 전구체(precursors); 및
    아민기, 설파이드기 및 보레인기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제2관능기를 포함하는 제2 음이온 전구체;가 각각 복수개 결합되어 형성된 것이고,
    상기 금속양이온은 알칼리 금속의 양이온, 알칼리 토금속의 양이온 및 전이 금속의 양이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 양이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 음이온 전구체 및 제2 음이온 전구체는 1 : 0.8 이하의 몰비로 결합되는 것을 특징으로 하는 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 음이온 전구체는,
    글루코스, 나프탈렌, 시트르산, 요소, 초산, 글루타민(산), 벤젠, 올레익산, 페닐보론산 및 2,3-하이드록시-1,5-부테인디티올(2,3-hydroxy-1,5-butanedithiol) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 음이온 전구체는,
    키토산, 페닐렌 디아민, 알킬아민 및 알킬설페이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소구조체 이온화합물은 평균입경이 13 ~ 23㎚인 것을 특징으로 하는 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 이온화합물.
  7. 제1관능기를 포함하는 제1 음이온 전구체(precursors)와 제2관능기를 포함하는 제2 음이온 전구체 각각을 복수개 결합시키고, 상기 제1관능기를 포함하는 나노크기의 음이온을 형성하는 단계; 및
    상기 나노크기의 음이온에 금속양이온의 전구체 수용액을 처리하여, 상기 제1관능기에 이온결합된 금속양이온을 포함하는 이온화합물을 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 나노크기의 음이온을 형성하는 단계는, 상기 제1 음이온 전구체, 제2 음이온 전구체 및 용매를 혼합하고, 105 ~ 135℃에서 14 ~ 26 시간 동안 탄화시켜서 수행하고,
    상기 나노크기의 음이온은 보론(B), 질소(N) 및 황(S) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 이종원소가 도핑된 탄소구조체이며,
    상기 제1관능기는 티올기, 보론산기, 설페이트기, 카르복시기, 설포네이트기, 하이드록시기 및 포스페이트기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 제2관능기는 아민기, 설파이드기 및 보레인기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 금속양이온은 알칼리 금속의 양이온, 알칼리 토금속의 양이온 및 전이 금속의 양이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 양이온을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이종원소가 도핑된 탄소구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화합물 제조방법.
  8. 제1항 내지 제4항 및 제6항 중에서 선택된 어느 한 항의 이온화합물; 및
    상기 이온화합물이 분산된 용매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용매는 수용성 용매, 비수용성 용매 및 수용액으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 조성물.
  10. 제8항에 따른 전해액 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학시스템.
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