KR102559521B1 - Vanadium Carbide Nanowire and Preparing Method thereof - Google Patents

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Abstract

탄소직물(carbon cloth)에 형성되어 있는 바나듐 탄화물 나노와이어(nanowire)가 제공된다. 바나듐 탄화물 나노와이어는 손쉬운 수열합성법으로 합성될 수 있으며, 수소 분위기에서 어닐링될 수 있다. 바나듐 탄화물 나노와이어는 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 양극활물질로 이용될 수 있으며, 장시간 사용에도 우수한 용량 안정성을 나타낼 수 있으며, 양이온에 의한 부피변화에도 높은 완화능력을 나타낼 수 있다.A vanadium carbide nanowire formed on a carbon cloth is provided. Vanadium carbide nanowires can be synthesized by a facile hydrothermal synthesis method and can be annealed in a hydrogen atmosphere. Vanadium carbide nanowires can be used as positive electrode active materials in lithium ion batteries or sodium ion batteries, and can exhibit excellent capacity stability even during long-term use, and can exhibit high mitigation ability even when volume changes due to positive ions.

Description

바나듐 탄화물 나노와이어 및 그 제조 방법{Vanadium Carbide Nanowire and Preparing Method thereof}Vanadium carbide nanowire and manufacturing method thereof

바나듐 탄화물 나노와이어 및 그 제조 방법이 제공된다.A vanadium carbide nanowire and a method for manufacturing the same are provided.

전이금속 탄화물은 다양한 산업분야, 예를 들어 전자기기, 전기화학 촉매, 에너지 저장장치 등에서 우수한 물질로 사용될 수 있다. 전이금속 탄화물 중에서 바나듐 탄화물은 우수한 화학적 안정성과 전기전도성을 갖고 있으며, 자연에서 풍부하며, 그리고 VC, V2C, V4C3, V6C5, V8C7 등 다양한 화학양론적 특성을 가지고 있다. 또한, 바나듐은 IVB, VB, VIB 금속보다 상대적으로 작은 원자 무게를 가지고 있다. 이러한 바나듐의 특성으로 인하여, 바나듐 탄화물은, 특히 V8C7은 안정한 구조를 가지며, 이에 따라 여러 공학적 분야에서 가치가 있다. 바나듐 탄화물에서 P4332의 구조를 가지는 바나듐 원자는 면심입방(Face centered cubic, FCC) 구조에서 약간 떨어져서 위치하고 있고, 정렬된 탄소원자는 Fm3m과 비슷하게 빈 공간에 배열되어 있다. 최근, 밀도범함수 이론(Density functional theory)을 이용한 연구에 따르면, 바나듐의 d 오비탈과 탄소의 s 및 p 오비탈 사이의 혼성궤도는 금속 특성을 보이는 d 밴드 구조를 확장시킨다.Transition metal carbides can be used as excellent materials in various industrial fields, such as electronic devices, electrochemical catalysts, and energy storage devices. Among transition metal carbides, vanadium carbide has excellent chemical stability and electrical conductivity, is abundant in nature, and has various stoichiometric properties such as VC, V 2 C, V 4 C 3 , V 6 C 5 , and V 8 C 7 . Also, vanadium has a relatively smaller atomic weight than IVB, VB, and VIB metals. Due to these characteristics of vanadium, vanadium carbide, especially V 8 C 7 , has a stable structure, and thus is valuable in various engineering fields. In vanadium carbide, vanadium atoms having a structure of P4 3 32 are located slightly away from the face centered cubic (FCC) structure, and the aligned carbon atoms are arranged in empty spaces similar to Fm3m. Recently, according to a study using density functional theory, the hybrid orbital between the d orbital of vanadium and the s and p orbitals of carbon expands the d band structure showing metallic characteristics.

리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도 및 우수한 안정성으로 주로 전자기기, 전기자동차, 웨어러블 디바이스 등의 동력원천으로 사용된다. 리튬이온 배터리에서 전기저장용량과 에너지 밀도는 음극에 비해 상대적으로 낮은 이론 용량을 가지는 양극활물질에 의존하게 된다. 뿐만 아니라, 양극활물질의 화학반응은 음극 활물질보다 높은 1V 이상에서 발생하기 때문에, 양극활물질은 높은 전기화학적 안정성이 요구된다. 널리 쓰이는 양극활물질인 LiCoO2(리튬코발트산화물), LiNiO2(리튬니켈산화물), LiFePO4(리튬인산철산화물), 그리고 LiMn2O4(리튬망간산화물)의 이론 용량은 각각 274, 275, 170, 그리고 148 mAh/g이며, 실제 용량은 각각 160, 170, 160, 그리고 130 mAh/g로 음극 활물질인 그라파이트의 용량(372 mAh/g)보다 매우 낮다.Lithium-ion batteries are mainly used as a power source for electronic devices, electric vehicles, and wearable devices due to their high energy density and excellent stability. In a lithium ion battery, the electrical storage capacity and energy density depend on the cathode active material having a relatively low theoretical capacity compared to the anode. In addition, since the chemical reaction of the cathode active material occurs at 1V or more higher than that of the anode active material, the cathode active material requires high electrochemical stability. The theoretical capacities of the widely used cathode materials LiCoO 2 (lithium cobalt oxide), LiNiO 2 (lithium nickel oxide), LiFePO 4 (lithium iron phosphate oxide), and LiMn 2 O 4 (lithium manganese oxide) are 274, 275, 170, and 148 mAh/g, respectively, and the actual capacities are 160, 170, 160, and 13 At 0 mAh/g, it is much lower than the capacity (372 mAh/g) of graphite, an anode active material.

산화물 기반의 양극활물질은 낮은 전기전도성에 의해 장시간 사용하였을 때 안정성이 좋지 않다. 양극활물질 가운데 가장 많이 사용되는 리튬코발트산화물과 리튬니켈산화물은 높은 가격과 낮은 열적/화학적 안정성, 빠른 용량 감소를 보인다. 리튬망간산화물은 잔-텔러 왜곡(Jahn-Teller distortion) 현상으로, 망간이 전해질에 녹는 현상을 보인다. 이러한 단점을 극복하기 위해 개발된 LiNixCoyMn1-x-yO2 (LNCMO)는 상대적으로 낮은 가격과 높은 용량을 갖지만, 높은 니켈의 함유량으로 인하여 리튬과 니켈의 비균질한 구조를 가지며, 이로 인해 용량이 감소하고 열적 안정성이 떨어진다. Oxide-based cathode active materials have poor stability when used for a long time due to low electrical conductivity. Among the cathode active materials, lithium cobalt oxide and lithium nickel oxide, which are the most used, show high price, low thermal/chemical stability, and rapid capacity loss. Lithium manganese oxide shows a phenomenon in which manganese is dissolved in an electrolyte due to a Jahn-Teller distortion phenomenon. LiNi x Co y Mn 1-xy O 2 (LNCMO) developed to overcome these disadvantages has a relatively low price and high capacity, but has a non-homogeneous structure of lithium and nickel due to the high nickel content, which reduces the capacity and deteriorates thermal stability.

바나듐 산화물은 2~5의 산화수를 가짐으로써 2개의 리튬이온과 반응할 때 약 298 mAh/g, 3개의 리튬이온과 반응할 때 약 442 mAh/g의 이론 용량을 보이는 유망한 양극활물질이다. 하지만 바나듐 산화물은 낮은 전기전도성(V2O3 : 2.5 S/cm, VO2 : 102 S/cm, V2O5 : 10-2 S/cm)으로 인해 장시간 사용하였을 때 심각한 용량 감소를 보인다.Vanadium oxide has an oxidation number of 2 to 5, so it is a promising cathode active material that shows a theoretical capacity of about 298 mAh/g when reacting with two lithium ions and about 442 mAh/g when reacting with three lithium ions. However, vanadium oxide shows a serious capacity decrease when used for a long time due to its low electrical conductivity (V 2 O 3 : 2.5 S/cm, VO 2 : 10 2 S/cm, V 2 O 5 : 10 -2 S/cm).

소듐이온 배터리는 리튬에 비해 낮은 가격과 리튬만큼 낮은 기준전극전위(Standard electrode potential)로 인해 차세대 배터리로서 각광받고 있다. 하지만, 큰 소듐 원자의 크기로 인한 부피팽창을 견디는 적절한 양극활물질의 부재로 상용화되지 못하고 있다. 뿐만 아니라, 소듐의 우수한 이온전도체인 Na3V2(PO4)3는 매력적인 재료이지만 낮은 표면적으로 인해 소듐이온의 이동성을 낮게 만든다.Sodium ion batteries are in the limelight as a next-generation battery due to their low price compared to lithium and standard electrode potential as low as lithium. However, it has not been commercialized due to the absence of an appropriate cathode active material that can withstand volume expansion due to the size of a large sodium atom. In addition, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , which is an excellent ionic conductor of sodium, is an attractive material but lowers the mobility of sodium ions due to its low surface area.

일 실시예는 우수한 전기화학적 성능을 나타내며, 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 장시간 사용에도 우수한 용량 안정성을 나타내기 위한 것이다.An embodiment is intended to exhibit excellent electrochemical performance and excellent capacity stability even when used for a long time in a lithium ion battery or a sodium ion battery.

일 실시예는 높은 표면적을 나타내며, 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 양이온에 의한 부피변화에도 높은 완화능력을 나타내기 위한 것이다.One embodiment is to show a high surface area and high mitigation ability even in a volume change by positive ions in a lithium ion battery or a sodium ion battery.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다. In addition to the above tasks, embodiments according to the present invention may be used to achieve other tasks not specifically mentioned.

일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어는 탄소직물(carbon cloth)에 형성되어 있다.Vanadium carbide nanowires according to an embodiment are formed on a carbon cloth.

탄소직물은 원통 형상을 가질 수 있으며, 바나듐 탄화물 나노와이어는 복수의 바나듐 탄화물 나노와이어들을 포함할 수 있고, 복수의 바나듐 탄화물 나노와이어들은 탄소직물로부터 방사상으로 성장되어 있을 수 있다.The carbon fabric may have a cylindrical shape, the vanadium carbide nanowires may include a plurality of vanadium carbide nanowires, and the plurality of vanadium carbide nanowires may be radially grown from the carbon fabric.

바나듐 탄화물 나노와이어는 P4332로 공간 그룹을 갖는 V8C7를 포함할 수 있다.The vanadium carbide nanowire may include V 8 C 7 having a space group of P4 3 32 .

일 실시예에 따른 리튬이온 배터리용 양극활물질은 바나듐 탄화물 나노와이어를 포함한다. 여기서, 바나듐 탄화물 나노와이어는 탄소직물에 형성되어 있을 수 있다.A cathode active material for a lithium ion battery according to an embodiment includes vanadium carbide nanowires. Here, the vanadium carbide nanowires may be formed on the carbon fabric.

일 실시예에 따른 소듐이온 배터리용 양극활물질은 바나듐 탄화물 나노와이어를 포함한다. 여기서, 바나듐 탄화물 나노와이어는 탄소직물에 형성되어 있을 수 있다.A cathode active material for a sodium ion battery according to an embodiment includes vanadium carbide nanowires. Here, the vanadium carbide nanowires may be formed on the carbon fabric.

일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어 제조 방법은, 탄소직물을 준비하는 단계, 바나듐 전구체 물질과 카르복실계 화합물을 물에 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계, 제1 용액을 초음파 처리하여 제2 용액을 제조하는 단계, 제2 용액에 아민 화합물을 첨가하고 탄소직물을 넣은 후, 수열합성하는 단계, 그리고 수소 분위기에서 어닐링하는 단계를 포함한다.A method for preparing a vanadium carbide nanowire according to an embodiment includes preparing a carbon fabric, preparing a first solution by mixing a vanadium precursor material and a carboxyl-based compound in water, preparing a second solution by ultrasonicating the first solution, adding an amine compound to the second solution and inserting the carbon fabric, hydrothermal synthesis, and annealing in a hydrogen atmosphere.

탄소직물은 산소플라즈마 코팅될 수 있다.Carbon fabrics can be oxygen plasma coated.

일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어 제조 방법은, 탄소직물을 준비하는 단계, 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)와 옥살릭산(C2H2O4)을 물에 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계, 제1 용액을 초음파 처리하여 제2 용액을 제조하는 단계, 제2 용액에 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4)을 첨가하고 탄소직물을 넣은 후, 수열합성하는 단계, 그리고 수소 분위기에서 어닐링하는 단계를 포함한다.A method for manufacturing vanadium carbide nanowires according to an embodiment includes preparing a carbon fabric, preparing a first solution by mixing ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ) in water, preparing a second solution by ultrasonicating the first solution, adding hexamethylenetetramine (C 6 H 12 N 4 ) to the second solution and inserting the carbon fabric, It includes thermally synthesizing, and annealing in a hydrogen atmosphere.

일 실시예에 따른 리튬이온 배터리는 바나듐 탄화물 나노와이어를 포함하는 양극활물질을 포함한다.A lithium ion battery according to an embodiment includes a cathode active material including vanadium carbide nanowires.

일 실시예에 따른 소듐이온 배터리는 바나듐 탄화물 나노와이어를 포함한다.A sodium ion battery according to an embodiment includes vanadium carbide nanowires.

일 실시예에 따르면, 우수한 전기화학적 성능을 갖는 바나듐 탄화물 나노와이어가 제공될 수 있으며, 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 장시간 사용에도 우수한 용량 안정성을 나타낼 수 있으며, 높은 표면적을 갖는 바나듐 탄화물 나노와이어가 제공될 수 있으며, 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 양이온에 의한 부피변화에도 높은 완화능력을 나타낼 수 있다.According to an embodiment, a vanadium carbide nanowire having excellent electrochemical performance may be provided, and excellent capacity stability may be exhibited even when used for a long time in a lithium ion battery or a sodium ion battery, and a vanadium carbide nanowire having a high surface area may be provided, and may exhibit high mitigation ability even in a volume change due to positive ions in a lithium ion battery or a sodium ion battery.

도 1a 내지 도 1c는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어의 SEM 이미지이다.
도 1d 내지 도 1f는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어의 TEM 이미지이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어의 XRD 패턴이고, 도 2b는 10 사이클의 충방전후 바나듐 탄화물 나노와이어의 XRD 패턴이다.
도 2c는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어의 라만 분광법에 의한 그래프이다.
도 2d는 바나듐 산화물 나노와이어와 비교한 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어의 푸리에변환 적외선 분광법에 의한 그래프이다.
도 2e 및 도 2f는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어의 V 2p 및 C 1s의 X선 광전자 분광법에 의한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 리튬이온 배터리에 적용하는 경우, 100 사이클동안 0.1 C에서의 충방전 사이클, 0.1~120 C에서의 충방전 사이클을 나타내는 그래프이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 리튬이온 배터리에 적용하는 경우 0.1~120 C에서의 비정전용량을 나타내는 그래프이다.
도 3d는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 리튬이온 배터리에 적용하는 경우 바나듐 산화물 나노와이어와 비교하여 용량 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 3e는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 리튬이온 배터리에 적용하는 경우 CV 그래프이다.
도 3f는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 리튬이온 배터리에 적용하는 경우 전기화학 임피던스 분광법에 의한 그래프와 등가 회로인 란들회로(Randle circuit)를 나타내는 도면이다
도 4a는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 소듐이온 배터리에 적용하는 경우, 100 사이클동안 0.1 C에서의 충방전 사이클을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 소듐이온 배터리에 적용하는 경우 0.05~60 C에서의 비정전용량을 나타내는 그래프이다.
도 4c는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 소듐이온 배터리에 적용하는 경우 100 사이클 동안 용량 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 4d는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 소듐이온 배터리에 적용하는 경우 CV 그래프이다.
도 4e는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 소듐이온 배터리에 적용하는 경우 전기화학 임피던스 분광법에 의한 그래프와 등가 회로인 란들회로를 나타내는 도면이다
도 4f는 리튬이온 배터리와 소듐이온 배터리의 다른 후보물질들과 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어의 용량 안정성을 비교하는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
1A to 1C are SEM images of vanadium carbide nanowires according to an embodiment.
1d to 1f are TEM images of vanadium carbide nanowires according to an embodiment.
2A is an XRD pattern of a vanadium carbide nanowire according to an embodiment, and FIG. 2B is an XRD pattern of a vanadium carbide nanowire after charging and discharging for 10 cycles.
Figure 2c is a graph by Raman spectroscopy of vanadium carbide nanowires according to an embodiment.
Figure 2d is a graph by Fourier transform infrared spectroscopy of vanadium carbide nanowires according to an embodiment compared to vanadium oxide nanowires.
2e and 2f are graphs of V 2p and C 1s of a vanadium carbide nanowire according to an embodiment by X-ray photoelectron spectroscopy.
3A and 3B are graphs showing charge/discharge cycles at 0.1 C and charge/discharge cycles at 0.1 to 120 C for 100 cycles when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a lithium ion battery.
3C is a graph showing specific capacitance at 0.1 to 120 C when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a lithium ion battery.
3D is a graph showing capacity stability compared to vanadium oxide nanowires when the vanadium carbide nanowires according to an embodiment are applied to a lithium ion battery.
3E is a CV graph when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a lithium ion battery.
3F is a diagram showing a graph obtained by electrochemical impedance spectroscopy and a Randle circuit, which is an equivalent circuit, when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a lithium ion battery.
4A is a graph showing charge/discharge cycles at 0.1 C for 100 cycles when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a sodium ion battery.
4B is a graph showing specific capacitance at 0.05 to 60 C when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a sodium ion battery.
4C is a graph showing capacity stability for 100 cycles when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a sodium ion battery.
4D is a CV graph when the vanadium carbide nanowire according to an embodiment is applied to a sodium ion battery.
4E is a diagram showing a graph obtained by electrochemical impedance spectroscopy and a Randl circuit, which is an equivalent circuit, when vanadium carbide nanowires according to an embodiment are applied to a sodium ion battery.
4F is a graph comparing capacity stability of other candidate materials for lithium ion batteries and sodium ion batteries and vanadium carbide nanowires according to an embodiment.
5 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing a vanadium carbide nanowire according to an embodiment.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 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. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. With reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In addition, in the case of widely known known technologies, detailed descriptions thereof will be omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

그러면 일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.Then, a vanadium carbide nanowire and a manufacturing method thereof according to an embodiment will be described in detail.

탄소직물(Carbon cloth)에 바나듐 탄화물 나노와이어(V8C7 NW)를 수열합성법으로 성장시켜, 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리의 양극활물질로 이용될 수 있다. 손쉬운 수열합성법을 통해 바나듐 산화물 나노와이어(V2O3 NW)를 성장시키고, 수소/아르곤 분위기에서 바나듐 산화물에서 산소를 환원시켜 바나듐 탄화물이 합성된다. 산소분위기에서 어닐링한 바나듐 산화물(V2O5 NW)과는 대조적으로 리튬이온 배터리 및 소듐이온 배터리에 적용하였을 때, 500번의 충/방전테스트에서 우수한 안정성과 전기화학적 성능을 보인다. 예를 들어, 리튬이온 배터리 양극활물질로서 약 203.9 mAh/g의 무게당 전기저장용량을 보이고, 500번의 충/방전 후, 0.1C의 C-rate에서 약 91.12%의 용량유지 및 약 99.84%의 쿨롱 효율을 보인다. 소듐이온 배터리의 경우, 약 176.34 mAh/g의 무게당 전기저장용량을 보인다. 바나듐 산화물에서 산소가 환원된 빈 자리로 인해, 바나듐 탄화물 나노와이어의 표면적은 바나듐 산화물보다 약 5배(183.27 m2/g) 향상된다. 또한, 바나듐 탄화물 나노와이어는 독특한 구조를 가지며, 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 양이온에 의한 부피변화에도 높은 완화능력을 보인다. 상용화된 양극활물질과 비교했을 때, 바나듐 탄화물 나노와이어는 우수한 안정성과 전기전도성을 보이며, 이와 더불어 3차원 구조의 탄소직물과의 시너지효과는 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 보다 많은 양이온과 접촉할 수 있게 만든다.By growing vanadium carbide nanowires (V 8 C 7 NW) on carbon cloth by hydrothermal synthesis, they can be used as cathode active materials for lithium-ion batteries or sodium-ion batteries. Vanadium oxide nanowires (V 2 O 3 NW) are grown through a facile hydrothermal synthesis method, and vanadium carbide is synthesized by reducing oxygen in vanadium oxide in a hydrogen/argon atmosphere. In contrast to vanadium oxide (V 2 O 5 NW) annealed in an oxygen atmosphere, when applied to lithium ion batteries and sodium ion batteries, it shows excellent stability and electrochemical performance in 500 charge/discharge tests. For example, as a cathode active material for a lithium ion battery, it shows an electric storage capacity per weight of about 203.9 mAh/g, and after 500 charge/discharge cycles, a capacity retention of about 91.12% and a coulombic efficiency of about 99.84% at a C-rate of 0.1C. In the case of a sodium ion battery, it shows an electricity storage capacity per weight of about 176.34 mAh/g. Due to the reduced oxygen vacancies in vanadium oxide, the surface area of vanadium carbide nanowires is about 5 times higher than that of vanadium oxide (183.27 m 2 /g). In addition, vanadium carbide nanowires have a unique structure and exhibit high mitigation ability even in volume changes caused by positive ions in a lithium ion battery or a sodium ion battery. Compared to commercially available cathode active materials, vanadium carbide nanowires show excellent stability and electrical conductivity, and the synergistic effect with the three-dimensional carbon fabric makes it possible to contact more positive ions in lithium-ion batteries or sodium-ion batteries.

일 실시예에 따르면, 손쉬운 수열합성법을 통해 탄소직물에 직접 성장시킨 바나듐 탄화물 나노와이어(V8C7 NW)가 제공된다. 집전체로 사용된 탄소직물은 독특한 3차원 구조, 우수한 전기전도성, 화학적 안정성을 갖는다. 2차원 구조(알루미늄 또는 구리)인 상용전극과 비교할 때, 3차원 탄소섬유에 성장된 1차원 바나듐 탄화물 나노와이어는 높은 표면적을 통해 양이온이 접촉할 수 있는 면적을 늘리고, 우수한 전자이동통로를 제공한다. 뿐만 아니라, 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리에서 양이온의 삽입으로 인해 부피팽창이 완화될 수 있다. 바나듐 탄화물 나노와이어는 리튬이온 배터리 또는 소듐이온 배터리의 양극활물질의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment, a vanadium carbide nanowire (V 8 C 7 NW) grown directly on a carbon fabric through a facile hydrothermal synthesis method is provided. The carbon fabric used as the current collector has a unique three-dimensional structure, excellent electrical conductivity, and chemical stability. Compared to commercially available electrodes with a two-dimensional structure (aluminum or copper), one-dimensional vanadium carbide nanowires grown on three-dimensional carbon fibers increase the contact area for cations through a high surface area and provide excellent electron transfer pathways. In addition, volume expansion can be alleviated due to the insertion of positive ions in a lithium ion battery or a sodium ion battery. Vanadium carbide nanowires can improve the electrochemical performance of a cathode active material of a lithium ion battery or a sodium ion battery.

도 5를 참고하면, 바나듐 탄화물 나노와이어는 탄소직물에 형성되어 있다. 탄소직물은 복수의 탄소 섬유들이 모여 전체적으로 3차원 형상을 갖도록 형성되어 있는 것이다. 탄소직물은 원통 형상을 가질 수 있다. 복수의 바나듐 탄화물 나노와이어들이 탄소직물로부터 방사상으로 성장되어 있다.Referring to FIG. 5 , vanadium carbide nanowires are formed on a carbon fabric. The carbon fabric is formed by gathering a plurality of carbon fibers to have a three-dimensional shape as a whole. The carbon fabric may have a cylindrical shape. A plurality of vanadium carbide nanowires are radially grown from a carbon fabric.

일 실시예에 따른 바나듐 탄화물 나노와이어 제조 방법은, 탄소직물을 준비하는 단계, 바나듐 전구체 물질과 카르복실계 화합물을 물에 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계, 제1 용액을 초음파 처리하여 제2 용액을 제조하는 단계, 제2 용액에 아민 화합물을 첨가하고 탄소직물을 넣은 후, 수열합성하는 단계, 그리고 수소 분위기에서 어닐링하는 단계를 포함한다.A method for preparing a vanadium carbide nanowire according to an embodiment includes preparing a carbon fabric, preparing a first solution by mixing a vanadium precursor material and a carboxyl-based compound in water, preparing a second solution by ultrasonicating the first solution, adding an amine compound to the second solution and inserting the carbon fabric, hydrothermal synthesis, and annealing in a hydrogen atmosphere.

먼저, 탄소직물을 준비한다. 탄소직물은 산소플라즈마 코팅될 수 있다. 탄소직물 자체가 소수성이기 때문에, 산소플라즈마 처리를 하는 경우, 혼합 용액이 탄소직물로 잘 스며들어, 나노와이어가 균일하게 성장할 수 있다. 예를 들어, 탄소직물은 약 0.1~0.5 torr의 압력, 약 30~70W의 출력에서 약 3~10분 동안 산소플라즈마 코팅될 수 있으며, 이보다 높은 압력과 높은 출력이 탄소직물에 가해지는 경우 탄소섬유에 데미지가 가해져 탄소섬유의 물리적 강성이 감소할 수 있다.First, prepare a carbon fabric. Carbon fabrics can be oxygen plasma coated. Since the carbon fabric itself is hydrophobic, in the case of oxygen plasma treatment, the mixed solution permeates well into the carbon fabric, so that nanowires can grow uniformly. For example, the carbon fabric may be coated with oxygen plasma for about 3 to 10 minutes at a pressure of about 0.1 to 0.5 torr and an output of about 30 to 70 W, and when a higher pressure and higher power than this are applied to the carbon fabric, damage to the carbon fiber may be applied and the physical stiffness of the carbon fiber may decrease.

다음, 바나듐 전구체 물질과 카르복실계 화합물을 물에 혼합하여 제1 용액을 제조한다. Next, a first solution is prepared by mixing a vanadium precursor material and a carboxylic compound with water.

바나듐 전구체 물질은 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 암모늄 메타바나데이트를 사용하는 경우, 바나듐을 정제할 때 중간체로서 물에 잘 희석되므로, 수율이 증대될 수 있다.The vanadium precursor material may include ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ). For example, when ammonium metavanadate is used, the yield can be increased because it is well diluted in water as an intermediate when vanadium is purified.

카르복실계 화합물은 디카르복실산계 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 디카르복실산계 화합물은 옥살산을 포함할 수 있다. 옥살산을 사용하는 경우, 옥살산은 물에 잘 희석되며, 바나듐과 반응하여 쉽게 바나듐산화물을 생성할 수 있다.The carboxylic compound may include a dicarboxylic acid compound. For example, the dicarboxylic acid-based compound may include oxalic acid. When oxalic acid is used, oxalic acid is easily diluted in water and reacts with vanadium to easily produce vanadium oxide.

바나듐 전구체 물질 약 1.3~1.7 중량부와 카르복실계 화합물 약 2.8~3.2 중량부가 물 약 60~100 중량부에 혼합하여 제1 용액이 제조될 수 있다. 여기서, 바나듐전구체와 옥살산의 함량이 부족한 경우 바나듐나노산화물 나노와이어(V2O3)가 균일하게 생성되지 않을 수 있고, 바나듐전구체와 옥살산의 함량이 과다한 경우 얇은 나노와이어 형태가 아닌 넓은 판 또는 막대 형태로 성장될 수 있다.A first solution may be prepared by mixing about 1.3 to 1.7 parts by weight of a vanadium precursor material and about 2.8 to 3.2 parts by weight of a carboxyl-based compound with about 60 to 100 parts by weight of water. Here, when the contents of the vanadium precursor and oxalic acid are insufficient, vanadium nanooxide nanowires (V 2 O 3 ) may not be uniformly generated, and when the contents of the vanadium precursor and oxalic acid are excessive, they may be grown in the form of wide plates or rods instead of thin nanowires.

다음, 1 용액을 초음파 처리하여 제2 용액을 제조한다. 예를 들어, 약 80 분 이상 초음파 처리가 진행될 수 있다. 여기서, 초음파 처리 시간이 80분보다 적은 경우, 바나듐메타바나데이트와 옥살산이 물에 완전히 희석되지 않을 수 있다.Next, a second solution is prepared by sonicating the first solution. For example, ultrasonic treatment may be performed for about 80 minutes or more. Here, when the sonication time is less than 80 minutes, vanadium metavanadate and oxalic acid may not be completely diluted in water.

다음, 제2 용액에 아민 화합물을 첨가하고 탄소직물을 넣은 후, 수열합성한다. Next, after adding an amine compound to the second solution and inserting the carbon fabric, hydrothermal synthesis is performed.

아민 화합물은 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 헥사메틸렌테트라민은 물에 쉽게 희석될 수 있으며, 암모늄메타바나데이트에서 암모늄을 효율적으로 제거할 수 있다.The amine compound may include hexamethylenetetramine (C 6 H 12 N 4 ). For example, hexamethylenetetramine can be easily diluted in water and can efficiently remove ammonium from ammonium metavanadate.

아민 화합물은 약 0.1~0.4 중량부 사용될 수 있다.The amine compound may be used in an amount of about 0.1 to 0.4 parts by weight.

수열합성은 섭씨 약 140~160 도의 오븐에서 약 60 분 이상 진행될 수 있다. 여기서 수열합성 시간이 60분 보다 낮으면 나노와이어가 균일하게 성장되지 않을 수 있으며, 60분 이상에서는 나노와이어의 길이가 계속해서 길어질 수 있다.Hydrothermal synthesis may be performed in an oven at about 140 to 160 degrees Celsius for about 60 minutes or more. Here, if the hydrothermal synthesis time is lower than 60 minutes, the nanowires may not grow uniformly, and if the time is longer than 60 minutes, the length of the nanowires may continue to increase.

다음, 수소 분위기에서 어닐링이 진행된다.Next, annealing is performed in a hydrogen atmosphere.

수소와 아르곤은 약 2:1 내지 4:1 분위기에서, 어닐링 시간은 5시간 30분 이상일 수 있다. 여기서 어닐링 시간이 적은 경우, 바나듐 산화물에서 산소가 완전히 환원되지 못할 수 있다.In an atmosphere of about 2:1 to 4:1 hydrogen and argon, the annealing time may be 5 hours and 30 minutes or more. If the annealing time is short, oxygen may not be completely reduced in vanadium oxide.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with examples, but the following examples are only examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

수열합성법을 통한 바나듐 탄화물 나노와이어 합성 및 수소 분위기에서의 어닐링 Synthesis of vanadium carbide nanowires through hydrothermal synthesis and annealing in hydrogen atmosphere

탄소직물은 0.3 torr의 압력, 50W의 출력에서 5분 동안 산소플라즈마 코팅된다. 1.5g의 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)와 2.9 g의 옥살릭산(C2H2O4)을 50mL의 정제수에 희석시키고 90 분간 초음파 주사된다. 그 후, 0.22g의 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4)을 첨가한 후 테플론 오토클레이브 용기로 옮겨진다. 산소플라즈마 코팅된 탄소직물을 담근 후, 섭씨 150도의 전기오븐에서 1시간동안 수열합성하고, 상온으로 옮겨 자연 냉각시킨다. 냉각 후, 에탄올을 이용해 세척하고 건조시킨다. 건조가 끝나면 섭씨 360도의 전기가열로에서 수소와 아르곤(3:1) 분위기에서 5시간동안 열처리된다.The carbon fabric was coated with oxygen plasma for 5 minutes at a pressure of 0.3 torr and an output of 50 W. 1.5 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and 2.9 g of oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ) were diluted in 50 mL of purified water and ultrasonically injected for 90 minutes. Then, 0.22 g of hexamethylenetetramine (C 6 H 12 N 4 ) is added and transferred to a Teflon autoclave vessel. After immersing the oxygen plasma-coated carbon fabric, it is hydrothermally synthesized in an electric oven at 150 degrees Celsius for 1 hour, and then transferred to room temperature and cooled naturally. After cooling, it is washed with ethanol and dried. After drying, it is heat-treated for 5 hours in an atmosphere of hydrogen and argon (3:1) in an electric heating furnace at 360 degrees Celsius.

물질분석material analysis

XRD(X-ray diffraction) 분석은 40 kV의 전압과 300 mA 전류에서 진행된다. X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)은 바나듐 탄화물을 확인하기 위해 수행된다. 라만 분광법(Raman spectroscopy)과 푸리에변환 적외선분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy)은 각 100에서 3000 /cm의 스펙트럼과 400에서 4000 /cm의 스펙트럼 범위에서 측정된다. 전자 상자기성 공명(Electron paramagnetic resonance) 분석은 9.623 GHz의 X밴드 주파수에서 상온, 1 mW의 마이크로파 출력의 조건에서 진행된다. 시료의 모폴로지는 주사전자현미경(Scanning electron microscope)과 투과전자현미경(Transmission electron microscopy)으로 관찰되고, 질소흡착법을 이용하여 비표면적 분석이 수행된다. 4 Point probe를 이용하여 시료의 면저항을 측정하고, 이를 전기전도성으로 변환/계산한다.XRD (X-ray diffraction) analysis is performed at a voltage of 40 kV and a current of 300 mA. X-ray photoelectron spectroscopy is performed to identify vanadium carbide. Raman spectroscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy are measured in the spectral ranges of 100 to 3000 /cm and 400 to 4000 /cm, respectively. Electron paramagnetic resonance analysis is performed under conditions of room temperature and 1 mW microwave output at an X-band frequency of 9.623 GHz. The morphology of the sample is observed with a scanning electron microscope and transmission electron microscopy, and a specific surface area analysis is performed using a nitrogen adsorption method. Measure the sheet resistance of the sample using a 4-point probe, and convert/calculate it into electrical conductivity.

전기화학분석electrochemical analysis

바나듐 탄화물 나노와이어와 리튬 및 소듐은 리튬이온/소듐이온 배터리에 각각 양극 및 음극으로 사용되었다. 전극의 지름은 15 mm이며, 활물질의 무게는 3 mg이다. CR2032 코인셀은 아르곤으로 채워진 글러브박스에서 제작된다. 폴리프로필렌(Polypropylene)은 분리막으로 사용되며, 전해질은 각각 1 M LiPF6 (EC:DMC 1:1)과 1 M NaPF6 (EC:PC 1:1)이 사용된다. 충/방전테스트는 2~4 V의 전압범위에서 다양한 전류밀도로 진행된다. 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy)은 10 mV RMS로 500,000 Hz에서 0.1 Hz 범위에서 진행된다.Vanadium carbide nanowires and lithium and sodium were used as positive and negative electrodes in Li-ion/sodium-ion batteries, respectively. The diameter of the electrode is 15 mm, and the weight of the active material is 3 mg. CR2032 coin cells are fabricated in an argon-filled glovebox. Polypropylene is used as a separator, and 1 M LiPF6 (EC:DMC 1:1) and 1 M NaPF6 (EC:PC 1:1) are used as electrolytes, respectively. The charge/discharge test is conducted at various current densities in the voltage range of 2 to 4 V. Electrochemical Impedance Spectroscopy was performed in the range of 500,000 Hz to 0.1 Hz with 10 mV RMS.

결과result

탄소직물에 성장된 바나듐 탄화물 나노와이어는 SEM으로 도 1a 내지 도 1c에서 보이는 것과 같이 명확하게 관찰된다. 바나듐 탄화물 나노와이어는 2 ㎛의 길이와 140 nm의 지름을 가진다. 10번의 충/방전 후, 바나듐 탄화물 나노와이어의 형태학적 변화가 관측된다. 바나듐 탄화물 나노와이어는 리튬이온의 삽입/탈리에 의해 부피가 변화함을 보인다. 바나듐 탄화물 나노와이어의 TEM 이미지는 도 1d 내지 도 1f에 도시된다. 풍부한 결함공간은 도 2c에 도시된 것처럼 라만 분광법에 의해 탄소의 D 피크와 그라피틱 G 피크의 비율에서도 예측된다. 탄소는 수소/아르곤 분위기에서 어닐링 과정 동안 산소원자에 의해 비어진 공간을 차지한다. 바나듐 탄화물 나노와이어의 격자는 도 1f에 도시된 것처럼 높은 정질화를 보인다. 바나듐 탄화물 나노와이어의 비표면적 (187.23 m2/g)은 Brunauer-Emmett-Teller N2 흡착법에 의해 측정된다. 도 2a 및 도 2b에서 보이는 바나듐 탄화물 나노와이어의 XRD 패턴은 수열합성법 과정에서 아래의 화학반응식을 따른다.The vanadium carbide nanowires grown on the carbon fabric were clearly observed by SEM as shown in FIGS. 1A to 1C. The vanadium carbide nanowire has a length of 2 μm and a diameter of 140 nm. After 10 charge/discharge cycles, morphological changes of the vanadium carbide nanowires are observed. The volume of vanadium carbide nanowires is changed by intercalation/deintercalation of lithium ions. TEM images of vanadium carbide nanowires are shown in FIGS. 1D-1F. An abundant defect space is also predicted from the ratio of the carbon D peak to the graphitic G peak by Raman spectroscopy, as shown in FIG. 2c. Carbon occupies the space vacated by oxygen atoms during annealing in a hydrogen/argon atmosphere. The lattice of the vanadium carbide nanowires shows high crystallinity, as shown in Fig. 1f. The specific surface area (187.23 m 2 /g) of the vanadium carbide nanowires was measured by the Brunauer-Emmett-Teller N 2 adsorption method. The XRD patterns of the vanadium carbide nanowires shown in FIGS. 2a and 2b follow the chemical reaction formula below in the hydrothermal synthesis process.

V2O3 + (5-x)C → 2VC1-x + 3COV 2 O 3 + (5-x)C → 2VC 1-x + 3CO

VC1-x는 임의적으로 분산되어 있는 Fm3m 공간그룹에 속한다. 어닐링동안 탄소의 위치는 비정질에서 정질로 변화되고, Fm3m 결정 구조는 아래의 화학반응식과 같이 P4332로 변화된다.VC 1-x belongs to the randomly distributed Fm3m space group. During annealing, the position of carbon is changed from amorphous to crystalline, and the crystal structure of Fm3m is changed to P4 3 32 as shown in the chemical reaction below.

8VC1-x + (8x-1)C → V8C7 8VC 1-x + (8x-1)C → V 8 C 7

XRD 패턴들은 JCPDS 카드 (89-1096)과 잘 일치한다. 37.2°, 39.8°, 43.3°, 47.2°, 59.8°, 63.2°, 75.2°, 그리고 78.5°의 피크들은 (222), (320), (400), (200), (520), (440), (622), 그리고 (542)의 플레인을 의미한다. 이 피크들은 P4332 공간 룹의 큐빅 구조에 속하며 구조의 안정함을 나타낸다.The XRD patterns agree well with the JCPDS card (89-1096). The peaks at 37.2°, 39.8°, 43.3°, 47.2°, 59.8°, 63.2°, 75.2°, and 78.5° represent planes of (222), (320), (400), (200), (520), (440), (622), and (542). These peaks belong to the cubic structure of the P4 3 32 space loop and indicate the stability of the structure.

10번의 충/방전 후 XRD 패턴으로 바나듐 탄화물 나노와이어의 리튬과 소듐 저장 메커니즘이 확인된다. 충/방전 후에도 피크들의 위치는 변하지 않기 때문에 바나듐 탄화물 나노와이어의 양이온 저장은 삽입/탈리임을 알 수 있다. 이와 더불어 바나듐 탄화물 나노와이어의 지배적인 (400) 플레인의 d-spacing은 큐빅 구조의 공식 (1/d2 = h2 + k2 + l2/a2)으로 계산된다. 계산된 d-spacing 값은 4.49 Å이다. 4 point probe를 이용하여 전기전도성이 측정된다. 바나듐 탄화물 나노와이어의 면저항과 전기저항은 1.036 Ω/sq 및 21.78 mΩ/cm이며 전기전도성은 바나듐 산화물에 비해 103만큼 향상된 수치이다. 바나듐 탄화물 나노와이어의 구조적/화학적 변화는 도 2c와 같이 라만 분광법에 의해 확인된다. 탄소의 D밴드와 G밴드는 1359 및 1600 cm-1에 위치하며, ID/IG 비율은 약 1.26으로 바나듐 탄화물 나노와이어에서 탄소는 C sp2에서 C sp3로 변한다. 탄소의 D밴드와 G밴드는 푸리에변환 적외선 분광법에서도 관측된다. 1625 cm-1의 파장에서 보이는 G밴드는 강한 탄소결합(C=C)를 의미하고, 1448 cm-1의 파장에서 보이는 D밴드는 물질에 결함공간이 많다는 것을 의미한다. 탄소원자의 대부분은 sp3에 위치하고 합성된 물질은 결함공간에 의해 표면전하의 편재화에 의해 높은 화학적 활동성을 보인다. 바나듐 탄화물 나노와이어에서 바나듐원자를 잡는 탄소원자의 결함은 EPR 분석을 통해 확인된다. 탄소의 전형적인 EPR 스펙트럼에서 2.0016에서 2.0032사이의 값은 자유전자의 존재를 의미하는데 바나듐 탄화물 나노와이어는 2.00266의 강한 상자성(paramagnetic) 신호를 보이며 2.00266의 g-factor 값을 보였다.The XRD patterns after 10 charge/discharge cycles confirm the lithium and sodium storage mechanisms of the vanadium carbide nanowires. Since the positions of the peaks do not change even after charge/discharge, it can be seen that the cation storage of the vanadium carbide nanowire is intercalation/desorption. In addition, the d-spacing of the dominant (400) plane of the vanadium carbide nanowire is calculated by the cubic formula (1/d 2 = h 2 + k 2 + l 2 /a 2 ). The calculated d-spacing value is 4.49 Å. Electrical conductivity is measured using a 4-point probe. The sheet resistance and electrical resistance of the vanadium carbide nanowires are 1.036 Ω/sq and 21.78 mΩ/cm, and the electrical conductivity is improved by 10 3 compared to vanadium oxide. Structural/chemical changes of the vanadium carbide nanowires were confirmed by Raman spectroscopy as shown in FIG. 2c. The D and G bands of carbon are located at 1359 and 1600 cm -1 , and the I D / I G ratio is about 1.26, and the carbon changes from C sp 2 to C sp 3 in the vanadium carbide nanowire. The D and G bands of carbon are also observed in Fourier transform infrared spectroscopy. The G band seen at a wavelength of 1625 cm -1 means a strong carbon bond (C=C), and the D band seen at a wavelength of 1448 cm -1 means that there are many defect spaces in the material. Most of the carbon atoms are located at sp 3 and the synthesized material shows high chemical activity due to localization of surface charge by defect spaces. Defects in the carbon atoms holding the vanadium atoms in the vanadium carbide nanowires are identified through EPR analysis. In a typical EPR spectrum of carbon, a value between 2.0016 and 2.0032 indicates the presence of free electrons, and the vanadium carbide nanowire showed a strong paramagnetic signal of 2.00266 and a g-factor value of 2.00266.

XPS를 통해 V 2p와 C 1s 스펙트럼이 분석된다. 도 2e에 도시된 것처럼 V 2p 스펙트럼에서 523.45, 515.83, 518.67, 그리고 511.63 eV에서 관측된 피크들은 V 2p 1/2 및 V 2p 3/2와 일치한다. 또한, C 1s 스펙트럼에서 287, 285, 그리고 284 eV의 피크는 C-O결합, V-C결합, 그리고 C-C 결합을 의미한다. V-C결합은 바나듐 탄화물 나노와이어가 성공적으로 합성됨을 의미한다.V 2p and C 1s spectra are analyzed by XPS. As shown in FIG. 2e, peaks observed at 523.45, 515.83, 518.67, and 511.63 eV in the V 2p spectrum coincide with V 2p 1/2 and V 2p 3/2. In addition, peaks at 287, 285, and 284 eV in the C 1s spectrum indicate C-O bonds, V-C bonds, and C-C bonds. The V-C bond means that the vanadium carbide nanowire was successfully synthesized.

바나듐 탄화물 나노와이어의 많은 결함공간은 전기화학성능을 향상시킨다. 2~4 V의 전압범위에서 다양한 전류밀도 (0.03, 0.06, 0.09, 0.13, 0.25, 0.63, 0.88, 1.25, 1.88, 2.5, 그리고 3.75 A/g)를 인가함으로써, 전기화학성능이 측정되고, 0.1 mV/s의 스캔레이트에서 순환전압전류법이 수행된다. 충/방전테스트의 경우, 바나듐 탄화물 나노와이어는 33.3 mA/g의 전류밀도(0.1C)의 첫번째 사이클에서 303.28 mAh/g의 비정전용량을 보인다. 표면에 SEI층(Solid-Electrolyte Interphase)을 만드는 비가역반응 이후, 5번째 사이클에서 277.20 mAh/g의 비정전용량을 보인다. 이후 500사이클동안 비정전용량이 측정되고, 초기용량대비 91.12%의 용량유지능력을 보인다. 바나듐 탄화물 나노와이어는 바나듐 산화물 나노와이어(V2O5 NW, 440.76 mAh/g)에 비해 상대적으로 낮은 초기용량을 보인다. 하지만 바나듐 산화물 나노와이어는 ω phase에서 높은 비가역반응 때문에 급격한 용량저하를 보인다. 다양한 전류밀도에서 바나듐 탄화물 나노와이어의 비정전용량은 도 3b 및 도 3c에 도시된 것처럼 0.1C에서 120C까지 측정된다. 높은 전기전도성과 구조적 안정성 때문에 우수한 율속특성(Rate performance)을 보인다. 또한, 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 4, 6, 12, 60, 그리고 120C에서 292.75, 285.54, 230.34, 207.99, 179.3, 134.97, 114.48, 93.79, 68.55, 51.37, 그리고 32.27 mAh/g의 비정전용량을 보인다. 도 3c의 표에 전류밀도가 기재되어 있다. 33.33 및 50 mA/g의 전류밀도에서 바나듐 탄화물 나노와이어어는 500번의 충/방전동안 우수한 용량유지율을 보인다.Many defect spaces in vanadium carbide nanowires improve electrochemical performance. By applying various current densities (0.03, 0.06, 0.09, 0.13, 0.25, 0.63, 0.88, 1.25, 1.88, 2.5, and 3.75 A/g) in the voltage range of 2 to 4 V, the electrochemical performance was measured, and cyclic voltammetry was performed at a scan rate of 0.1 mV/s. In the case of the charge/discharge test, the vanadium carbide nanowire shows a specific capacitance of 303.28 mAh/g in the first cycle of a current density (0.1C) of 33.3 mA/g. After an irreversible reaction to create a solid-electrolyte interphase (SEI) layer on the surface, a specific capacitance of 277.20 mAh/g is shown in the 5th cycle. Afterwards, the specific capacitance was measured for 500 cycles, and the capacity retention capacity was 91.12% compared to the initial capacity. Vanadium carbide nanowires show a relatively low initial capacity compared to vanadium oxide nanowires (V 2 O 5 NW, 440.76 mAh/g). However, vanadium oxide nanowires show a rapid capacity drop due to high irreversible reactions in the ω phase. The specific capacitance of the vanadium carbide nanowires at various current densities was measured from 0.1 C to 120 C, as shown in Figs. 3b and 3c. It shows excellent rate performance due to its high electrical conductivity and structural stability. Also, 292.75, 285.54, 230.34, 207.99, 179.3, 134.97, 114.48, 93.79, 68.55, 51.37 at 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 4, 6, 12, 60, and 120 C, and It shows a specific capacitance of 32.27 mAh/g. Current densities are listed in the table of FIG. 3C. At current densities of 33.33 and 50 mA/g, the vanadium carbide nanowires show excellent capacity retention rates during 500 charge/discharge cycles.

CV 측정은 0.1 mV/s의 스캔레이트에서 수행된다. 2.26과 2.6 V에서 관측된 두 피크는 각각 환원 및 산화반응을 나타낸다. 초기 사이클에서 환원 및 산화반응에 의한 피크들은 SEI층을 만드는 비가역반응에 의해 2.21과 2.56 V에서 관측된다. 초기 사이클 이후, CV 커브는 안정화된다. EIS는 양이온의 이동에 의해 발생하는 표면저항과 바나듐 탄화물 나노와이어와 전해질사이의 전기화학반응을 분석할 수 있다. 고주파수영역에서 리튬이온의 이동에 의한 표면저항은 4.776 Ω이다. 중주파수영역에서 높은 전하이동과 활물질의 거친 표면에 의해 반원이 관측된다. 뿐만 아니라, 낮은 전하이동저항을 나타내며 이온의 높은 확산율은 50°의 Warburg 임피던스를 보이며 확산제어 체계(diffusion-controlled regime)에서 관측된다. CV measurements are performed at a scan rate of 0.1 mV/s. The two peaks observed at 2.26 and 2.6 V represent reduction and oxidation reactions, respectively. Peaks due to reduction and oxidation reactions in the initial cycle are observed at 2.21 and 2.56 V due to irreversible reactions that make the SEI layer. After the initial cycle, the CV curve stabilizes. EIS can analyze the surface resistance caused by the movement of cations and the electrochemical reaction between the vanadium carbide nanowire and the electrolyte. In the high frequency region, the surface resistance due to the movement of lithium ions is 4.776 Ω. In the mid-frequency region, a semicircle is observed due to the high charge transfer and the rough surface of the active material. In addition, it exhibits a low charge transfer resistance and a high diffusion rate of ions is observed in a diffusion-controlled regime with a Warburg impedance of 50°.

소듐이온 배터리용 양극의 경우, 첫번째 사이클에서 0.1C(20 mA/g)의 전류밀도하에서 220.90 mAh/g의 비정전용량을 보인다. 그리고 SEI층이 형성된 후, 5번째 사이클은 200.82 mAh/g의 용량을 보인다. 도 4에 도시된 것처럼, 율속능력 테스트 결과에서 다양한 전류밀도(0.05 ~ 60C)에서 바나듐 탄화물 나노와이어는 우수한 구조적 안정성을 갖는다. 0.1C의 전류밀도에서 사이클안정성테스트는 300번의 충/방전사이클동안 초기용량대비 93.34%의 용량유지율을 보인다.In the case of a cathode for a sodium ion battery, a specific capacitance of 220.90 mAh/g is shown under a current density of 0.1C (20 mA/g) in the first cycle. And after the formation of the SEI layer, the 5th cycle shows a capacity of 200.82 mAh/g. As shown in FIG. 4 , the vanadium carbide nanowires have excellent structural stability at various current densities (0.05 to 60 C) in the rate capability test results. The cycle stability test at a current density of 0.1C shows a capacity retention rate of 93.34% compared to the initial capacity for 300 charge/discharge cycles.

CV 측정은 리튬이온 배터리과 같은 조건의 스캔레이트에서 진행된다. 리튬이온 배터리와 비슷하게, 첫번째 사이클에서 두 쌍의 환원/산화반응에 의한 피크가 2.35 및 2.74 V에서 보인다. 비가역반응이 끝난 후, 각 피크들은 2.43 및 2.86 V에서 관측된다. 리튬이온 배터리와 소듐이온 배터리사이에서 피크들의 위치는 기존전극전위차 (E0 Li/Li+ = -3.04 V, E0 Na/Na+ = -2.71 V)만큼 차이가 난다. 고주파수에서 표면저항은 7.023 Ω이며, 저주파수영역에서 낮은 전하이동저항은 약 40도를 보인다. 전기회로모델은 란들회로(Randle circuit)와 일치한다. 도 4f를 참고하면, 다른 후보물질과 비교에서 바나듐 탄화물 나노와이어는 우수한 전기화학성능을 보인다.CV measurement is performed at the scan rate under the same conditions as a lithium ion battery. Similar to Li-ion batteries, peaks due to two pairs of reduction/oxidation reactions in the first cycle are seen at 2.35 and 2.74 V. After the irreversible reaction is over, peaks are observed at 2.43 and 2.86 V. The positions of the peaks between the lithium-ion battery and the sodium-ion battery differ by the existing electrode potential difference (E 0 Li/Li + = -3.04 V, E 0 Na/Na + = -2.71 V). The surface resistance at high frequencies is 7.023 Ω, and the low charge transfer resistance at low frequencies is about 40 degrees. The electric circuit model corresponds to the Randle circuit. Referring to FIG. 4f , compared to other candidate materials, the vanadium carbide nanowires show excellent electrochemical performance.

바나듐 탄화물 나노와이어는 탄소직물에 성공적으로 합성될 수 있으며 구조적 및 형태학적분석을 통해 확인된다. 리튬 및 소듐이온 배터리용 양극활물질로서 바나듐 탄화물 나노와이어는 우수한 전기화학성능, 높은 비정전용량(303.28 및 220.9 mAh/g), 0.05~120C의 전류밀도에서 우수한 율속특성 및 각 500 및 300번의 충/방전동안 우수한 용량유지율을 보인다. 이렇게 뛰어난 성능은 바나듐과 탄소의 가벼운 무게, 어닐링 과정에서 산소원자의 제거에 의한 결함공간의 형성, 높은 전기전도성을 가진 1차원 나노와이어에 의해 달성된다. 결함공간에 의해 높은 비표면적을 가지고, 충/방전동안 부피변화를 완화시킨다. 뿐만 아니라, 바나듐 탄화물 나노와이어의 향상된 전기전도성은 500번의 충/방전동안 우수한 사이클안정성을 보인다. 3차원 탄소직물 집전체와의 시너지효과는 리튬 및 소듐이온의 삽입에 의한 부피변화를 견디며 유연한 3차원 기판을 제공할 수 있다. 이에 따라, 바나듐 탄화물 나노와이어가 리튬 및 소듐이온 배터리용 양극활물질로 사용될 수 있다.Vanadium carbide nanowires can be successfully synthesized on carbon fabrics and confirmed through structural and morphological analyses. As a cathode active material for lithium and sodium ion batteries, vanadium carbide nanowires exhibit excellent electrochemical performance, high specific capacitance (303.28 and 220.9 mAh/g), excellent rate performance at a current density of 0.05 to 120 C, and excellent capacity retention during 500 and 300 charge/discharge cycles, respectively. Such excellent performance is achieved by the light weight of vanadium and carbon, the formation of defect spaces by the removal of oxygen atoms in the annealing process, and the one-dimensional nanowire with high electrical conductivity. It has a high specific surface area due to defect cavities and mitigates volume changes during charge/discharge. In addition, the improved electrical conductivity of the vanadium carbide nanowires shows excellent cycle stability during 500 charge/discharge cycles. The synergistic effect with the three-dimensional carbon fabric current collector can provide a flexible three-dimensional substrate that withstands the volume change caused by the intercalation of lithium and sodium ions. Accordingly, the vanadium carbide nanowires can be used as cathode active materials for lithium and sodium ion batteries.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also within the scope of the present invention.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 탄소직물을 준비하는 단계,
바나듐 전구체 물질과 카르복실계 화합물을 물에 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계,
상기 제1 용액을 초음파 처리하여 제2 용액을 제조하는 단계,
상기 제2 용액에 아민 화합물을 첨가하고 상기 탄소직물을 넣은 후, 수열합성하는 단계, 그리고
수소 분위기에서 어닐링하는 단계
를 포함하는 바나듐 탄화물 나노와이어 제조 방법.
Preparing a carbon fabric;
Preparing a first solution by mixing a vanadium precursor material and a carboxylic compound in water;
preparing a second solution by ultrasonicating the first solution;
hydrothermal synthesis after adding an amine compound to the second solution and inserting the carbon fabric; and
Annealing in a hydrogen atmosphere
A method for manufacturing a vanadium carbide nanowire comprising a.
제8항에서,
상기 탄소직물은 산소플라즈마 코팅되는 것인 바나듐 탄화물 나노와이어 제조 방법.
In paragraph 8,
The carbon fabric is a method for producing a vanadium carbide nanowire that is coated with oxygen plasma.
탄소직물을 준비하는 단계,
암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)와 옥살릭산(C2H2O4)을 물에 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계,
상기 제1 용액을 초음파 처리하여 제2 용액을 제조하는 단계,
상기 제2 용액에 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4)을 첨가하고 상기 탄소직물을 넣은 후, 수열합성하는 단계, 그리고
수소 분위기에서 어닐링하는 단계
를 포함하는 바나듐 탄화물 나노와이어 제조 방법.
Preparing a carbon fabric;
Preparing a first solution by mixing ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ) in water;
preparing a second solution by ultrasonicating the first solution;
Adding hexamethylenetetramine (C 6 H 12 N 4 ) to the second solution, inserting the carbon fabric, and hydrothermal synthesis; and
Annealing in a hydrogen atmosphere
A method for manufacturing a vanadium carbide nanowire comprising a.
바나듐 탄화물 나노와이어를 포함하는 양극활물질을 포함하고,
상기 바나듐 탄화물 나노와이어는 탄소직물(carbon cloth)에 형성되어 있고, 상기 바나듐 탄화물 나노와이어는 복수의 바나듐 탄화물 나노와이어들을 포함하고, 상기 복수의 바나듐 탄화물 나노와이어들은 상기 탄소직물로부터 방사상으로 성장되어 있고,
500번의 충전 및 방전 사이클 진행 후, 0.1C의 C-rate에서 비정전용량이 175 mAh/g 이상으로 유지되는 리튬이온 배터리.
Including a cathode active material containing a vanadium carbide nanowire,
The vanadium carbide nanowires are formed on a carbon cloth, the vanadium carbide nanowires include a plurality of vanadium carbide nanowires, and the plurality of vanadium carbide nanowires are radially grown from the carbon cloth,
A lithium-ion battery whose specific capacitance remains above 175 mAh/g at a C-rate of 0.1C after 500 charge and discharge cycles.
바나듐 탄화물 나노와이어를 포함하는 양극활물질을 포함하고,
상기 바나듐 탄화물 나노와이어는 탄소직물(carbon cloth)에 형성되어 있고, 상기 바나듐 탄화물 나노와이어는 복수의 바나듐 탄화물 나노와이어들을 포함하고, 상기 복수의 바나듐 탄화물 나노와이어들은 상기 탄소직물로부터 방사상으로 성장되어 있고,
300번의 충전 및 방전 사이클 진행 후, 0.1C의 C-rate에서 비정전용량이 150 mAh/g 이상으로 유지되는 소듐이온 배터리.
Including a cathode active material containing a vanadium carbide nanowire,
The vanadium carbide nanowires are formed on a carbon cloth, the vanadium carbide nanowires include a plurality of vanadium carbide nanowires, and the plurality of vanadium carbide nanowires are radially grown from the carbon cloth,
A sodium-ion battery that maintains a specific capacitance of 150 mAh/g or more at a C-rate of 0.1C after 300 charge and discharge cycles.
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