KR20130040541A - 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체는, 그라핀 산화물에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거하여 환원시킨 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있다.
본 발명에 의할 경우, 간단한 공정에 의하여 제조가 가능하면서도, 고용량과 우수한 수명 특성을 갖는 리튬 이차전지용 음극 활물질을 얻을 수 있게 된다.
본 발명에 의할 경우, 간단한 공정에 의하여 제조가 가능하면서도, 고용량과 우수한 수명 특성을 갖는 리튬 이차전지용 음극 활물질을 얻을 수 있게 된다.
Description
본 발명은 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그라핀 산화물 용액과 금속 산화물 용액을 혼합하여 그라핀 산화물-금속산화물 복합체를 형성하고, 상기 그라핀 산화물-금속 산화물에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거함으로써 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체를 제조하는 것에 관한 것이다.
스마트폰을 비롯한 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 테블릿 피씨 등의 정보통신을 위한 휴대용 전자기기나 전기자동차 등의 전원으로 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 이차전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 상기 휴대용 전자기기와 전기자동차와 같은 제품들에 있어서 이차전지 성능은 대단히 중요한 부분을 차지하며, 따라서 고성능 이차전지에 대한 요구는 대단히 크다.
지금까지 개발된 이차전지 중에서 리튬 이차전지는 높은 전압과 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 가장 주목받고 있는 전지이다.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 활물질로 이루어진 음극과 양극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시킨 상태에서 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리 될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생산한다.
리튬 이차전지의 음극 활물질로는 종래 리튬 금속을 사용하였으나, 리튬 금속을 사용할 경우 덴드라이트(dendrite) 형성으로 인한 전지 단락이 발생하여 폭발의 위험성이 있어 최근에는 리튬 금속 대신 탄소계 물질로 대체되고 있다. 리튬 이차전지의 음극 활물질로 사용되는 탄소계 물질에는, 천연 흑연(graphite) 및 인조 흑연과 같은 결정질계 탄소와 소프트 카본(soft carbon) 및 하드 카본(hard carbon)과 같은 비정질계 탄소가 있다.
상기 이차전지의 음극 활물질로 사용되는 탄소계 물질중에서 가장 대표적인 것은 흑연이다. 흑연은 초도 용량이 우수하고 이론 한계 용량이 372㎃hg- 1으로 비교적 높은 편이나, 수명 열화가 심하고 효율과 사이클 성능이 떨어지는 문제점이 있다.
최근에는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 흑연 등과 같이 상용화된 탄소계 물질보다 높은 용량을 가진 것으로 보고된 금속산화물을 탄소계 물질로 코팅하여 음극 활물질로 적용하고자 하는 시도가 있으나, 이미 상용화된 탄소계 물질과 비교하여 차별화된 성능을 나타내지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고용량과 우수한 수명 특성을 가지면서도 간단한 공정에 의하여 구현할 수 있는 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체 및 그 제조방법을 제공하는데, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법은,
(1) 그라핀 산화물을 용매에 분산시켜 그라핀 산화물 용액을 제조하고, 금속산화물을 용매에 분산시켜 금속산화물 용액을 제조하는 제1단계;
(2) 상기 제1단계를 통하여 제조된 그라핀 산화물 용액과 금속산화물 용액을 혼합하여 그라핀 산화물-금속산화물 복합체를 제조하는 제2단계; 및
(3) 상기 제2단계를 통하여 제조된 그라핀 산화물-금속산화물의 복합체에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거함으로써 그라핀 산화물을 그라핀으로 환원시켜 그라핀-금속산화물 복합체를 제조하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.
또한 본 발명은 상기 제2단계 이후에, 상기 그라핀 산화물 용액과 상기 금속산화물 용액이 혼합된 혼합용액으로부터 그라핀 산화물-금속산화물 복합체를 분리하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 제2단계의 과정을 통하여 제조되는 그라핀 산화물-금속산화물 복합체는 그라핀 산화물이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리는 100 내지 800℃의 온도범위에서 0.5 내지 5시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 제3단계의 과정을 통하여 제조되는 그라핀-금속산화물 복합체는 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 상기 그라핀에는 공동(pore)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체를 제공하는데, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체는, 그라핀 산화물에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거하여 환원시킨 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 상기 그라핀에는 공동(pore)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명에 의할 경우, 간단한 공정에 의하여 제조가 가능하면서도, 고용량과 우수한 수명 특성을 갖는 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체를 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 그라핀-금속산화물 복합체의 제조과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일례에 의한 그라핀의 공동을 통한 리튬 이온의 이동과 저장과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 그라핀 산화물의 전자현미경 사진이다.
도 5는 산화철의 전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 그라핀-산화철 복합체의 전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1을 음극 활물질로 사용한 리튬 이차전지의 성능을 측정하여 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2를 음극 활물질로 사용한 리튬 이차전지의 성능을 측정하여 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일례에 의한 그라핀의 공동을 통한 리튬 이온의 이동과 저장과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 그라핀 산화물의 전자현미경 사진이다.
도 5는 산화철의 전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 그라핀-산화철 복합체의 전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1을 음극 활물질로 사용한 리튬 이차전지의 성능을 측정하여 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2를 음극 활물질로 사용한 리튬 이차전지의 성능을 측정하여 도시한 그래프이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
그라핀(graphene)은 탄소 원자가 육각형으로 결합해 벌집 형태를 이루는 구조를 가지고 있으며, 그라핀을 이루는 탄소 원자 하나하나는 이웃한 탄소와 전자 한 쌍 반을 공유하며 결합하고 있다.
그라핀은 충격에 강하며, 강도 및 신축성이 좋고, 전자 이동속도가 빠르며, 전기 전도도 또한 우수하다. 이외에도 그라핀은 많은 장점을 가지고 있으며, 따라서 이의 응용에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.
현재까지 알려진 그라핀의 제조방법은 4가지로 요약할 수 있는데, 일명 셀로판테이프법, 금속 표면에 메탄과 수소를 흘려서 그라핀을 제조하는 화학증착법, 실리콘 카바이드를 한층 한층 쌓아올려 만드는 에피택셜(Epitaxial)법, 산화-환원 반응을 이용한 화학적 방법이 그것이다. 이중에서 흑연의 화학반응을 이용한 화학적 방법이 주로 이용되고 있다.
화학적으로 그라핀을 생산하기 위해서는 우선 흑연을 강산 처리하여 산화시킨다. 탄소와 산이 반응하면 하이드록시기, 에폭사이드기, 카르복실기, 락톨기 등 탄소에 산소 기능기가 함유된 그라핀 산화물(graphene oxide)이 생성된다. 그라핀 산화물은 산소 기능기 때문에 수용액에 분산이 잘 되는데, 이를 원하는 곳에 붙이거나 원하는 패턴으로 변형시킨 후에 환원제를 이용하여 산소를 떼어내면 그라핀을 제조할 수 있다. 화학적 방법은 적용이 간편하고, 대량생산에 유리하지만 환원제를 처리하는 과정에서 완전한 환원이 이루어지지 않을 수도 있으며, 이를 해결하기 위하여 황화수소, 하이드라진, 하이드로퀴논, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 알루미늄 분말 등 다양한 환원제를 사용한 연구가 진행중이다.
본 발명은 상기 화학적 방법을 통하여 제조되는 그라핀 산화물과 금속 산화물을 이용하여 복합체를 형성하고, 상기 복합체에 열처리를 하여 그라핀 산화물을 그라핀으로 환원시켜 그라핀-금속산화물 복합체를 제조하여 이를 리튬 이차전지용 음극 활물질로 이용한다.
즉, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법은,
(1) 그라핀 산화물을 용매에 분산시켜 그라핀 산화물 용액을 제조하고, 금속산화물을 용매에 분산시켜 금속산화물 용액을 제조하는 제1단계;
(2) 상기 제1단계를 통하여 제조된 그라핀 산화물 용액과 금속산화물 용액을 혼합하여 그라핀 산화물-금속산화물 복합체를 제조하는 제2단계; 및
(3) 상기 제2단계를 통하여 제조된 그라핀 산화물-금속산화물의 복합체에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거함으로써 그라핀 산화물을 그라핀으로 환원시켜 그라핀-금속산화물 복합체를 제조하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.
그라핀 산화물의 제조는 전술한 화학적 방법에 의하여 이루어지며, 화학적 방법에 의하여 그라핀 산화물을 제조하는 과정 자체는 공지의 기술이므로 이의 상세한 설명은 생략한다.
환원되지 않은 그라핀 산화물에는 산소 및 하이드록시기, 에폭사이드기, 카르복실기, 락톨기 등의 산소를 포함하고 있는 기능기가 붙어있게 된다. 이러한 기능기의 작용으로 환원되지 않은 그라핀 산화물은 용매내에 분산이 쉽게 이루어지게 된다. 금속 산화물 역시 용매내에서 쉽게 분산이 되며, 따라서 그라핀 산화물 용액 및 금속산화물 용액의 제조는 용매에 그라핀 산화물과 금속산화물을 섞는 간단한 과정에 의하여 이루어진다.
상기 금속산화물은 금속산화물이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다. 즉, 본 발명에 있어서 적용되는 금속은 제한이 없으나, 리튬 이차전지 음극 활물질로 이용되는 전이금속의 산화물인 것이 바람직하다.
상기 용매는 그라핀 산화물 및 금속 산화물을 분산시킬 수 있는 용매라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하나, 잔존하는 유기 용매가 전지에 미치는 악영향을 방지하기 위하여 물을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 그라핀-금속산화물 복합체의 제조과정을 설명하기 위한 것이다. 도면을 참조하면, 상기 제1단계의 과정을 통하여 제조된 그라핀 산화물 용액과 금속산화물 용액은 제2단계의 과정을 통하여 서로 혼합된다. 즉, 그라핀 산화물 용액과 금속산화물 용액을 혼합하는 간단한 과정에 의하여 그라핀 산화물-금속산화물 복합체를 제조할 수 있게 된다. 이렇게 제조된 그라핀 산화물-금속산화물 복합체는 그라핀 산화물이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 형상을 이루게 된다.
다음으로 그라핀 산화물 용액과 금속 산화물 용액이 혼합된 혼합용액으로부터 그라핀 산화물-금속 산화물 복합체를 분리하게 된다. 혼합용액으로부터 그라핀 산화물-금속 산화물 복합체의 분리는 원심분리 등의 방법에 의하여 쉽게 이루어질 수 있다. 또한 분리된 그라핀 산화물-금속 산화물 복합체는 건조과정을 거쳐 수분을 제거할 수도 있다.
다음으로 그라핀 산화물-금속산화물 복합체에 열처리를 하여 그라핀 산화물을 그라핀으로 환원시켜 그라핀-금속산화물 복합체를 얻게 된다. 즉, 본 발명은 그라핀 산화물의 환원을 열처리에 의하여 달성한다. 그라핀 산화물-금속산화물 복합체에 열처리를 하게 되면, 그라핀 산화물에 결합되어 있던 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기가 제거되면서, 그라핀으로 환원이 이루어진다.
또한 본 발명에 따른 그라핀-금속산화물 복합체의 그라핀은 공동(pore)을 형성하여 사용할 수도 있다. 공동 역시 열처리에 의하여 형성된다. 즉, 열처리에 의하여 그라핀의 탄소 결합이 끊어지면서 공동이 형성된다. 공동은 열처리 조건 즉, 열처리 온도 및 시간에 따라 다양한 형상, 갯수 및 크기로 형성된다. 이렇게 형성된 공동은 리튬 이차전지에서 리튬 이온의 출입 및 저장에 활용된다. 도 2는 공동이 형성된 단층의 그라핀을 통한 리튬 이온의 출입 및 저장과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 공동이 형성된 복수 층의 환원된 그라핀을 통한 리튬 이온의 출입 및 저장과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 공동이 형성된 그라핀-금속산화물 복합체를 리튬 이차전지의 음극 활물질로 사용할 경우에는 그라핀 층 사이 및 공동을 통하여 리튬 이온이 출입하고 저장된다. 즉, 통상의 탄소재와 같이 공동이 형성되지 않을 경우에는 리튬 이온의 이동 및 저장이 층상 또는 층간으로만 일어나게 되어, 리튬 이온의 이동 및 저장에 제한이 따르며, 따라서 충분한 전지 용량을 확보하기 어렵게 된다. 반면 공동이 형성된 본 발명의 경우에는 리튬 이온의 이동 및 저장이 층상 및 층간과 더불어 공동을 통하여도 이루어짐으로써 리튬 이온의 이동 및 저장에 제한이 없으며, 따라서 충분한 전지 용량을 확보할 수 있게 된다. 즉, 상기 공동은 리튬 이온의 출입 통로 역할을 함과 동시에, 리튬 이온과 탄소 간의 접촉 면적을 증대시켜 공동이 형성되지 않은 경우와 비교하여 탄소에 저장되는 리튬 이온의 양을 증대시키는 역할을 하며, 방전시에도 리튬 이온의 이동을 원활하게 하여 전지 성능을 향상시키게 된다. 따라서 본 발명에 따른 그라핀-금속산화물 복합체를 리튬 이차전지의 음극 활물질로 사용하는 경우에는 그라핀 및 금속산화물에 리튬 이온이 저장되고, 또한 그라핀에 형성된 공동을 통하여 리튬 이온의 출입이 자유로워져, 전지의 효율이 향상된다.
상기 열처리는 100 내지 800℃의 온도범위에서 0.5 내지 5시간 동안 이루어지는 것이 바람직한데, 열처리 온도 및 시간이 상기 하한치 미만일 경우에는 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기의 제거가 불충분할 우려 및 환원된 그라핀에 공동이 형성되지 않거나 공동이 형성되더라도 크기가 작아 형성된 공동을 통한 리튬 이온의 출입 및 저장이 원활하지 않을 우려가 있어 바람직하지 않다. 또한 열처리 온도 및 시간이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 과도한 공동의 형성으로 그라핀의 구조가 무너져 그라핀-금속산화물 복합체의 형태를 유지하지 못할 우려와 더불어 리튬 이온이 저장될 탄소의 과도한 감소로 인하여 전지 성능이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.
열처리 과정을 조금 더 살펴보면 다음과 같다. 먼저 100℃ 내외까지는 그라핀 산화물에 포함된 물이 떨어져 나가게 되며, 100 내지 200℃ 정도의 온도범위에서는 제거되지 않은 물과 더불어 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기의 일부, 즉 탄소와 약하게 결합되어 있는 기능기가 떨어져 나가게 된다. 공동은 200℃에 근접한 온도에서 형성되기 시작한다. 200℃ 이상의 온도에서는 200℃보다 낮은 온도에서 제거되지 않았던 기능기, 즉 탄소와 강하게 결합되어 있던 기능기가 추가로 제거됨과 동시에 본격적으로 공동이 형성되기 시작한다.
상기와 같이 그라핀 산화물-금속 산화물 복합체에 열처리를 하게 되면, 그라핀 산화물에 결합되어 있던 산소 및 산소를 포함하고 있던 기능기가 제거되어 환원된 그라핀-금속산화물 복합체를 얻을 수 있게 된다. 상기 제3단계의 과정을 통하여 제조되는 그라핀-금속산화물 복합체는 도 1에 도시된 것처럼 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싼 형상을 이루게 된다. 또한 그라핀-금속산화물 복합체의 그라핀에는 공동이 형성되어 있을 수도 있다. 상기와 같이 환원된 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싼 형상의 복합체를 리튬 이차전지 음극활물질로 사용하게 되면, 다음과 같은 효과를 거둘 수 있게 된다. 먼저 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있음으로 해서 금속산화물이 구조적으로 안정되어 충방전 사이클 성능 및 이차전지의 수명을 높일 수 있다. 또한 금속산화물뿐 아니라 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 그라핀도 리튬 이온의 저장에 이용됨으로서 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 그라핀에 공동이 형성됨으로서 리튬 이온의 출입이 보다 자유로워져 이차전지의 성능이 향상된다.
또한 본 발명은 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체를 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 그라핀-금속산화물 복합체는, 그라핀 산화물에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거하여 환원시킨 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 상기 그라핀에는 공동(pore)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이하 실시예 및 시험예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
실시예
1 :
그라핀
-산화철(
Fe
2
O
3
) 복합체의 제조
그라핀 산화물은 450 나노미터 크기의 흑연을 사용하여 Hummers가 제안한 방법을 변형하여 제조하였다. 즉, 과황산칼륨(K2S2O8, 10g) 및 오산화인(P2O5, 10g)을 황산 100㎖에 용해시킨 후, 여기에 흑연(12g)을 1시간 동안 담지시킨 후, 이를 증류수로 세척하여 상온에서 건조시켰다. 다음으로 상기 흑연을 과망간산칼륨(KMnO4, 60g), 과산화수소(H2O2, 50㎖) 및 황산 200㎖에 물 2ℓ를 가한 용액과 2시간 동안 반응시켰다. 상기의 과정을 통하여 제조된 그라핀 산화물을 10% 염산과 증류수를 이용하여 충분히 세척하고 상온에서 5일간 건조시켰다.
또한 재현성 있는 결과를 얻기 위하여 상기의 과정을 반복하여 충분한 그라핀 산화물을 확보하여 실험을 진행하였다.
상기와 같은 과정에 의하여 제조된 그라핀 산화물의 전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다.
금속산화물로는 산화철(Fe2O3)을 이용하였으며, 이의 전자현미경 사진을 도 5에 나타내었다.
다음으로 상기의 과정을 통하여 제조된 그라핀 산화물을 물에 분산시켜 그라핀 산화물 용액을 제조하였으며, 산화철을 물에 분산시켜 산화철 용액을 제조하였다.
제조된 그라핀 산화물 용액과 산화철 용액을 충분히 혼합한 후, 이를 여과하여 그라핀 산화물-산화철 복합체를 얻었다.
최종적으로 상기 그라핀 산화물-산화철 복합체에 열처리를 하여 그라핀-산화철 복합체를 제조하였으며, 이의 전자현미경 사진을 도 6에 나타내었다. 열처리는 질소가스를 10㎖/min의 속도로 공급하면서 이루어졌으며, 400℃에서 1시간 동안 이루어졌다.
리튬 이차전지 성능 평가
리튬 이차전지의 충방전 용량 및 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 상기 실시예 1에 의하여 제조된 그라핀-산화철 복합체를 음극 활물질로 하여 전극을 제조하였다.
바인더로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를, 도전재로는 흑연을 사용하였으며, 실시예 1에 의한 음극 활물질과 바인더 및 도전재를 90 : 10 : 10의 중량비로 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrollidone, NMP)에 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 구리 집진체 위에 코팅하고 통상의 전극 제조공정으로 음극을 제조하였다.
양극으로는 리튬 금속 호일을 사용하였으며, 전해질로는 1몰 농도의 LiPF6이 용해된 에틸렌카보네이트 및 플루오로에틸렌 카보네이트의 혼합 용매(부피비 3 : 7)를 사용하였다.
또한 상기 실시예 1과의 비교를 위하여 산화철을 음극 활물질로 하여 상기의 제조공정과 동일하게 전극을 제조하였으며, 이를 비교예 1로 하였다.
전지 성능 시험은 총 50 cycle에 거쳐 이루어졌으며, 이의 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 의한 그라핀-산화철 복합체를 음극 활물질로 사용한 경우, 산화철을 음극 활물질로 사용한 비교예 1 비하여 약 8배 이상의 용량이 증가된 것을 확인할 수 있었으며, 쿨롱 효율도 우수함을 확인할 수 있었다. 또한 50 cycle의 반복 실험에서도 용량이 크게 변화되지 않아 전지의 수명도 우수함을 확인할 수 있었다.
실시예
2 :
그라핀
-바나듐
옥사이드
(
V
2
O
5
) 복합체의 제조
금속산화물로 바나듐 옥사이드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 그라핀-바나듐 옥사이드 복합체를 제조하였다.
리튬 이차전지 성능 평가
리튬 이차전지의 충방전 용량 및 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 상기 실시예 2에 의하여 제조된 그라핀-바나듐 옥사이드 복합체를 음극 활물질로 하여 상기 실시예 1과 동일한 과정을 통하여 전극을 제조하였다.
또한 상기 실시예 2와의 비교를 위하여 바나듐 옥사이드를 음극 활물질로 하여 상기의 제조공정과 동일하게 전극을 제조하였으며, 이를 비교예 2로 하였다.
전지 성능 평가 역시 상기 실시예 1의 경우와 동일하게 이루어졌으며, 이의 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 2에 의한 그라핀-바나듐 옥사이드 복합체를 음극 활물질로 사용한 경우, 바나듐 옥사이드를 음극 활물질로 사용한 비교예 2 비하여 용량이 증가된 것을 확인할 수 있었으며, 쿨롱 효율도 우수함을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상기한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.
Claims (10)
- (1) 그라핀 산화물을 용매에 분산시켜 그라핀 산화물 용액을 제조하고, 금속산화물을 용매에 분산시켜 금속산화물 용액을 제조하는 제1단계;
(2) 상기 제1단계를 통하여 제조된 그라핀 산화물 용액과 금속산화물 용액을 혼합하여 그라핀 산화물-금속산화물 복합체를 제조하는 제2단계; 및
(3) 상기 제2단계를 통하여 제조된 그라핀 산화물-금속산화물의 복합체에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거함으로써 그라핀 산화물을 그라핀으로 환원시켜 그라핀-금속산화물 복합체를 제조하는 제3단계를 포함하여 이루어지는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제2단계 이후에, 상기 그라핀 산화물 용액과 상기 금속산화물 용액이 혼합된 혼합용액으로부터 그라핀 산화물-금속산화물 복합체를 분리하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제2단계의 과정을 통하여 제조되는 그라핀 산화물-금속산화물 복합체는 그라핀 산화물이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열처리는 100 내지 800℃의 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열처리는 0.5 내지 5시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제3단계의 과정을 통하여 제조되는 그라핀-금속산화물 복합체는 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 상기 그라핀에는 공동(pore)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 제1항 내지 제7항의 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체의 제조방법.
- 그라핀 산화물에 열처리를 하여 그라핀 산화물로부터 산소 및 산소를 포함하고 있는 기능기를 제거하여 환원시킨 그라핀이 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체.
- 제9항에 있어서,
상기 금속산화물을 입체적으로 감싸고 있는 열처리를 통하여 그라핀 산화물로부터 환원된 상기 그라핀에는 공동(pore)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 그라핀-금속산화물 복합체.
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