KR20140082571A - Silicon nanosheet and preparing method of the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a silicon nanosheet having a layered structure substantially similar to clay, a manufacturing method thereof, an anode for a lithium ion battery including the silicon nanosheet, and a lithium ion battery including the anode for a lithium ion battery. According to the present invention, the manufacturing method of the silicon nanosheet includes a step of reducing silica, contained in clay, to the silicon nanosheet by treating a mixture containing the clay and alkaline earth metal with heat.

Description

실리콘 나노시트 및 이의 제조 방법{SILICON NANOSHEET AND PREPARING METHOD OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a silicon nano-

본원은, 점토와 실질적으로 유사한 층상 구조를 포함하는 실리콘 나노시트, 상기 실리콘 나노시트의 제조 방법, 상기 실리콘 나노시트를 포함하는 전지(battery)용 전극, 및 상기 전극을 포함하는 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon nano-sheet including a layered structure substantially similar to that of clay, a method for producing the silicon nano-sheet, an electrode for a battery including the silicon nano-sheet, and a battery including the electrode.

리튬 이온 전지는 전자기기 구동용 에너지 저장장치 등에 널리 이용되고 있다. 리튬 이온 이차전지에 있어서, 음극(anode) 활물질로서는 흑연을 포함하는 재료가 널리 이용되고 있는 실정이다. 흑연을 포함하는 재료가 리튬을 방출할 때의 평균 전위는 약 0.2 V (Li / Li+ 기준)이며, 방전 시 그 전위가 비교적 평탄하게 추이(推移)한다. 이 때문에 전지의 전압이 높고 일정해지는 장점이 있다. 그러나, 흑연 재료의 단위 질량당 전기적 용량(capacity)은 372 mAh/g로 작은 반면, 현재 흑연 재료의 용량은 상기 이론적인 용량에 가깝게 향상되어 있기 때문에, 추가적인 용량 증가는 어려운 실정이다.Lithium ion batteries are widely used in energy storage devices for driving electronic devices. BACKGROUND ART [0002] In a lithium ion secondary battery, a material containing graphite is widely used as an anode active material. The average potential when the material containing graphite releases lithium is about 0.2 V (based on Li / Li +), and the potential at the time of discharging changes relatively smoothly. This has the advantage that the voltage of the battery is high and constant. However, since the electrical capacity per unit mass of the graphite material is as small as 372 mAh / g, the capacity of the graphite material at present is improved close to the theoretical capacity, so that the additional capacity increase is difficult.

리튬 이온 전지의 추가적인 고용량화를 위해서, 여러 가지 음극 활물질이 연구되고 있다. 고용량의 음극 활물질로서는, 리튬과 금속 간 화합물을 형성하는 재료, 예를 들면, 실리콘이나 주석 등이 유망한 음극 활물질로 기대되고 있다. 특히, 실리콘은 흑연에 비해 약 10 배 이상의 높은 이론 용량 (4,200 mAh/g)을 가지는 합금 타입의 음극 물질로서, 오늘날 리튬 이온 배터리의 음극 물질로서 각광받고 있다. 또한 실리콘은 지각에서 두 번째로 많은 부존량 (질량비 28%)을 보이기 때문에 비교적 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 가능성도 가지고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제2012-0061941호는 규소 산화물 및 리튬 이온 이차전지용 음극재에 대하여 개시하고 있다.In order to further increase the capacity of a lithium ion battery, various anode active materials have been studied. As a high capacity negative electrode active material, a material which forms an intermetallic compound with lithium, for example, silicon or tin, is expected as a promising negative electrode active material. Particularly, silicon is an alloy type anode material having a theoretical capacity (4,200 mAh / g) of about 10 times or more higher than that of graphite, and is now regarded as a cathode material of a lithium ion battery. Silicon also has the second greatest occupancy (28% by mass) in the crust, so it can be mass-produced at relatively low cost. For example, Korean Laid-Open Patent Application No. 2012-0061941 discloses an anode material for silicon oxide and a lithium ion secondary battery.

그러나 실리콘은 충방전 시 큰 부피 변화 (~300%)가 일어나고, 그에 따라 물질 간의 물리적 접촉이 끊어져 급격히 이온 전도성, 전기 전도성 등이 저하되기 때문에 실제적인 용량이 급격히 감소하는 경향을 보인다. 이에 따라, 높은 이론적인 용량을 가지는 실리콘을 리튬 이온 전지에 적용하는 동시에, 충방전 시의 부피 변화를 최소화하기 위한 기술의 개발이 요구된다.However, the actual capacity tends to decrease sharply because silicon has a large volume change (~ 300%) during charging and discharging, and the physical contact between the materials is broken and the ionic conductivity and electric conductivity are rapidly decreased. Accordingly, it is required to apply a silicon having a high theoretical capacity to a lithium ion battery, and at the same time to develop a technique for minimizing volume change during charging and discharging.

본원에 따르면, 점토와 실질적으로 유사한 층상 구조를 포함하는 실리콘 나노시트, 상기 실리콘 나노시트의 제조 방법, 상기 실리콘 나노시트를 포함하는 전지용 전극, 및 상기 전극을 포함하는 전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a silicon nano-sheet including a layered structure substantially similar to clay, a method for producing the silicon nano-sheet, an electrode for a battery including the silicon nano-sheet, and a battery including the electrode.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면에 따르면, 점토(clay) 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리함으로써 상기 점토에 함유된 실리카를 실리콘 나노시트(silicon nanosheet)로 환원시키는 것을 포함하는, 실리콘 나노시트의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for producing a silicon nanosheet, comprising the step of reducing the silica contained in the clay to a silicon nanosheet by heat treating a mixture comprising clay and an alkaline earth metal Can be provided.

본원의 제 2 측면에 따르면, 점토와 실질적으로 유사한 층상 구조를 포함하는, 실리콘 나노시트를 제공할 수 있다.According to the second aspect of the present invention, it is possible to provide a silicon nanosheet including a layered structure substantially similar to clay.

본원의 제 3 측면에 따르면, 본원의 제 2 측면에 따른 실리콘 나노시트를 포함하는, 전지용 전극을 제공할 수 있다.According to a third aspect of the present invention, there is provided an electrode for a battery comprising the silicon nanosheet according to the second aspect of the present invention.

본원의 제 4 측면에 따르면, 본원의 제 3 측면에 따른 전지용 전극을 포함하는 애노드, 캐소드(cathode), 및 전해질을 포함하는, 리튬 이온 전지를 제공할 수 있다.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a lithium ion battery including an anode including a battery electrode according to the third aspect of the present invention, a cathode, and an electrolyte.

본원의 실리콘 나노시트의 제조 방법에 따르면, 점토와 실질적으로 유사한 층상 구조를 포함하는 실리콘 나노시트를 제조할 수 있으며, 상기 실리콘 나노시트는 쉽게 구할 수 있는 점토로부터 제조될 수 있으므로 경제적이며 제조가 용이하다. 아울러, 상기 실리콘 나노시트는 2차원 결정 형태를 가지는 구조를 포함하므로 충방전 시의 부피 변화에 강하기 때문에, 전지의 음극 활물질로서 사용할 경우 충방전 시의 부피 변화를 최소화하여 우수한 전기 전도성을 유지할 수 있다. 또한, 실리콘은 높은 전기적 용량(capacity)을 가지므로 상기 실리콘 나노시트 역시 상기 실리콘의 본연의 성질에 의하여 높은 전기적 용량을 가지게 된다.According to the manufacturing method of the present invention, a silicon nano-sheet including a layered structure substantially similar to that of clay can be produced. Since the silicon nano-sheet can be manufactured from easily obtainable clay, it is economical and easy to manufacture Do. In addition, since the silicon nanosheets include a structure having a two-dimensional crystal structure, they are resistant to volume change during charging and discharging, so that when used as a negative electrode active material of a battery, the volume change during charging and discharging is minimized and excellent electrical conductivity can be maintained . In addition, since silicon has a high electric capacity, the silicon nanosheets also have a high electrical capacity due to the inherent nature of the silicon.

도 1은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 분말 X-선 회절 패턴 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 분말 X-선 회절 패턴 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 분말 X-선 회절 패턴 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 분말 X-선 회절 패턴 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 분말 X-선 회절 패턴 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따라 활석으로부터 제조된 실리콘 나노시트의 B.E.T. 표면적을 나타내는 그래프 및 표이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따라 활석으로부터 제조된 실리콘 나노시트의 기공 직경 분포 그래프이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따라 제조된, 박리된 라포나이트의 이미지이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따라 제조된, 박리된 벤토나이트의 이미지이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따라 제조된, 박리된 라포나이트의 TEM 이미지 (a) 및 SAED 패턴 (b)을 나타낸 것이다.
도 14는 본원의 일 실시예에 따라 제조된, 박리된 벤토나이트의 TEM 이미지 (a) 및 SAED 패턴 (b)을 나타낸 것이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 따라 제조된, 박리된 라포나이트와 박리되지 않은 라포나이트 (a) 및 박리된 벤토나이트와 박리되지 않은 벤토나이트 (b)의 분말 X-선 회절 패턴 분석 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 따라 제조된, 박리된 라포나이트 실리콘 나노시트 (a) 및 박리된 벤토나이트 실리콘 나노시트 (b)의 분말 X-선 회절 패턴 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 정전류 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 정전류 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 정전류 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20a 내지 도 20c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 21a 내지 도 21c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 22a 내지 도 22c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 23a 내지 도 23c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 24a 및 도 24b는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 25a는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이며, 도 25b는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 용량 보존 분석 그래프이다.
도 26은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드 및 분말화된 실리카-함유 물질의 사진이다.
도 27a 내지 도 27c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 28a 내지 도 28c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 29a 내지 도 29c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 29a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 29b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 29c)를 나타낸 것이다.
도 30a 내지 도 30c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 30a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 30b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 30c)를 나타낸 것이다.
도 31a 내지 도 31c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 31a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 31b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 31c)를 나타낸 것이다.
도 32a 내지 도 32c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 N2 흡탈착 등온선 분석 결과이다.
도 33a 내지 도 33c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 34a 내지 도 34c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 35a 내지 도 35c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 36a 내지 도 36c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 37a 내지 도 37c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 38a 내지 도 38c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 38a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 38b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 38c)를 나타낸 것이다.
도 39a 내지 도 39c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 39a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 39b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 39c)를 나타낸 것이다.
도 40a 내지 도 40c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 40a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 40b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 40c)를 나타낸 것이다.
도 41a 내지 도 41c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 N2 흡탈착 등온선 분석 결과이다.
도 42a 내지 도 42c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 43a 내지 도 43c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 44a 내지 도 44c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 45a 내지 도 45c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 46a 내지 도 46c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 47a 내지 도 47c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 47a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 47b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 47c)를 나타낸 것이다.
도 48a 내지 도 48c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 48a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 48b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 48c)를 나타낸 것이다.
도 49a 내지 도 49c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 49a), 고해상도 투과전자현미경 이미지 (도 49b), 및 제한시야전자회절 패턴 (도 49c)를 나타낸 것이다.
도 50a 내지 도 50c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 N2 흡탈착 등온선 분석 결과이다.
도 51a 및 도 51b는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 52a 내지 도 52c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 53a 내지 도 53c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 54a 내지 도 54c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 55a 내지 도 55c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 56a 내지 도 56c는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a graph showing a result of powder X-ray diffraction pattern analysis of a silicon nanosheet prepared according to one embodiment of the present invention.
2 is a scanning electron microscope (SEM) image of a silicon nanosheet prepared according to one embodiment of the present application.
FIG. 3 is a graph showing the results of powder X-ray diffraction pattern analysis of the silicon nanosheet prepared according to one embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron microscope (SEM) image of a silicon nanosheet prepared according to one embodiment of the invention.
5 is a graph showing the results of powder X-ray diffraction pattern analysis of the silicon nanosheets prepared according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the results of powder X-ray diffraction pattern analysis of the silicon nanosheet prepared according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a result of powder X-ray diffraction pattern analysis of a silicon nanosheet prepared according to an embodiment of the present invention.
8 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of a silicon nanosheet prepared according to one embodiment of the present invention.
9 is a graph and table showing the BET surface area of silicon nanosheets made from talc according to one embodiment of the present application.
10 is a graph of pore diameter distribution of silicon nanosheets made from talc according to one embodiment of the present application.
Figure 11 is an image of exfoliated laponite made according to one embodiment of the present invention.
Figure 12 is an image of exfoliated bentonite made according to one embodiment of the present invention.
Figure 13 shows a TEM image (a) and a SAED pattern (b) of the laponated laponite prepared according to one embodiment of the present application.
Figure 14 shows a TEM image (a) and a SAED pattern (b) of exfoliated bentonite prepared according to one embodiment of the present application.
15 is a graph comparing the results of powder X-ray diffraction pattern analysis of peeled laponite with unlabeled laponite (a) and peeled bentonite and unpeeled bentonite (b) prepared according to one embodiment of the present invention Fig.
16 is a graph showing the results of powder X-ray diffraction pattern analysis of the peeled laponite silicon nanocrystalline sheet (a) and the peeled bentonite silicon nanocrystal sheet (b) produced according to one embodiment of the present application.
17 is a graph showing a result of a constant current test of a silicon nanosheet manufactured according to an embodiment of the present invention.
18 is a graph showing a result of a constant current test of a silicon nanosheet fabricated according to an embodiment of the present invention.
19 is a graph showing a result of a constant current test of a silicon nanosheet manufactured according to an embodiment of the present invention.
20A to 20C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
21A to 21C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of the silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
22A to 22C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
23A to 23C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
24A and 24B are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
FIG. 25A is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of silicon nanomaterials prepared according to an embodiment of the present invention, and FIG. 25B is a graph showing the capacity conservation analysis of silicon nanomaterials prepared according to an embodiment of the present invention.
26 is a photograph of a colloidal and pulverized silica-containing material comprising a silica-containing material prepared according to one embodiment of the present application.
27A to 27C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of the silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
28A to 28C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
29A-29C show a transmission electron microscope image (Fig. 29A), a high-resolution transmission electron microscope image (Fig. 29B), and a limited field electron diffraction pattern (Fig. 29C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
30A through 30C show a transmission electron microscope image (FIG. 30A), a high resolution transmission electron microscope image (FIG. 30B), and a limited field electron diffraction pattern (FIG. 30C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
31A-C illustrate transmission electron microscopy images (FIG. 31A), high resolution transmission electron microscopy images (FIG. 31B), and limited field electron diffraction patterns (FIG. 31C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
32A to 32C are N 2 adsorption / desorption isotherms of the silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
33A to 33C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
34A to 34C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
35A to 35C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
36A to 36C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
37A to 37C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of the silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
38A to 38C show a transmission electron microscope image (Fig. 38A), a high-resolution transmission electron microscope image (Fig. 38B), and a limited field electron diffraction pattern (Fig. 38C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
39A-39C illustrate transmission electron microscopy images (FIG. 39A), high resolution transmission electron microscopy images (FIG. 39B), and limited field electron diffraction patterns (FIG. 39C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
40A to 40C illustrate transmission electron microscopy images (FIG. 40A), high resolution transmission electron microscopy images (FIG. 40B), and limited field electron diffraction patterns (FIG. 40C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
41A to 41C are N 2 adsorption / desorption isotherms of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
42A to 42C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
43A to 43C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
44A to 44C are graphs illustrating electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
45A to 45C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
46A to 46C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of the silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
47A through 47C show a transmission electron microscope image (FIG. 47A), a high-resolution transmission electron microscope image (FIG. 47B), and a limited field electron diffraction pattern (FIG. 47C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
48A through 48C show a transmission electron microscope image (FIG. 48A), a high resolution transmission electron microscope image (FIG. 48B), and a limited field electron diffraction pattern (FIG. 48C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
49A through 49C show a transmission electron microscope image (FIG. 49A), a high resolution transmission electron microscope image (FIG. 49B), and a limited field electron diffraction pattern (FIG. 49C) of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present application will be.
50A to 50C are N 2 adsorption / desorption isotherms of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
51A and 51B are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 52A to 52C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
53A to 53C are graphs showing electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
54A to 54C are graphs showing X-ray diffraction analysis results of the silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
55A to 55C are graphs illustrating electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.
56A to 56C are graphs illustrating electrochemical characteristics of silicon nanomaterials prepared according to one embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.

본원 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 this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본원 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used herein are intended to be taken as a reference to either the numerical value or to the numerical value when the manufacturing and material tolerance inherent in the stated meaning is presented, Accurate or absolute numbers are used to prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the mentioned disclosure. Also, throughout the present specification, the phrase " step "or" step "does not mean" step for.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is "on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout the present specification, the term " combination thereof " included in the expression of the machine form means one or more combinations or combinations selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the machine form, Quot; and " the "

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".

본원의 제 1 측면은, 점토(clay) 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리함으로써 상기 점토에 함유된 실리카를 실리콘 나노시트로 환원시키는 것을 포함하는, 실리콘 나노시트(silicon nanosheet)의 제조 방법을 제공할 수 있다.A first aspect of the present invention is a method for producing a silicon nanosheet, comprising reducing the silica contained in the clay to a silicon nanosheet by heat treating a mixture comprising clay and an alkaline earth metal .

본원에서, "실리콘 나노시트"의 용어는, 구체적으로, 2차원 결정 형태 또는 사면체(tetrahedral) 결정 형태를 갖는 실리콘 원자들이 2차원적으로 주기적으로 배열되어 있는 평면(planar) 구조 또는 실질적인 평면 구조를 의미하며, 상기 실리콘 나노시트는 이러한 평면 구조를 한 층 포함하거나, 또는 상기 실리콘 나노시트는 적층되어 층상 구조를 형성하는 두 층 이상의 상기 평면 구조를 포함하는 것을 나타내는 것으로 이해될 수 있다.As used herein, the term "silicon nano-sheet" specifically refers to a planar structure or a substantially planar structure in which silicon atoms having a two-dimensional crystal form or a tetrahedral crystal form are two- , And the silicon nanosheets may be understood to include one layer of such a planar structure, or the silicon nanosheets include two or more planar structures that are laminated to form a layered structure.

예를 들어, 상기 본원에 따른 실리콘 나노시트의 제조 방법에 의하여 제조된 실리콘 나노시트는, 한 개 또는 두 개 이상의 실리콘 나노시트가 적층되어 층상 구조를 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.For example, the silicon nanosheets produced by the method of manufacturing a silicon nanosheet according to the present invention may be one in which one or two or more silicon nanosheets are laminated to form a layered structure, but the present invention is not limited thereto .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 점토는, 층상 구조를 가지는 것을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 층상 점토를 포함할 수 있고, 이에 따라 상기 점토에 함유된 실리카가 환원되어 제조된 상기 실리콘 나노시트 역시 상기 점토의 결정 형태 및/또는 구조에 상응하는, 또는 실질적으로 상응하는 형태 및/또는 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. According to one embodiment of the invention, the clay may comprise a layered structure, for example, may comprise a layered clay, and thus the silica contained in the clay may be reduced, The sheet may also be, but not limited to, having a shape and / or structure corresponding to, or substantially corresponding to, the crystal form and / or structure of the clay.

상기 실리콘 나노시트가 가지는 2차원의 판상 구조는 큰 비표면적과 짧은 리튬 이온 이동 경로를 가지며, 구조적 특성에 의한 안정성을 가진다. 따라서, 상기 2차원의 판상 구조를 가지는 실리콘 나노시트는 전극 물질로서의 성질이 최대화된 것으로서, 예를 들어, 전지, 특히 리튬 이온 전지의 음극 활물질로서 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 실리콘 나노시트가 리튬 이온 전지의 음극 활물질로 사용되는 경우, 상기 실리콘 나노시트 자체의 구조에 의하여 리튬 이온의 탈삽입시의 부피 변화에 의한 충격을 최소화할 수 있다. 아울러, 상기 실리콘 나노시트는 실리콘 본연의 성질에 의해 높은 전기적 용량(capacity)을 가지는 이상적인 물질이다. 아울러, 상기 실리콘 나노시트의 제조 방법에 의하면, 예를 들어, 쉽게 구할 수 있는 점토로부터 간단하게 판상 구조를 가지는 실리콘 물질을 합성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.The two-dimensional plate-like structure of the silicon nanosheets has a large specific surface area and a short lithium ion transfer path and has stability due to structural characteristics. Therefore, the silicon nanosheets having the two-dimensional plate-like structure are maximized in their properties as an electrode material and can be used, for example, as a negative active material for a battery, particularly a lithium ion battery. When the silicon nano-sheet is used as an anode active material of a lithium ion battery, impact due to volume change of deionization of lithium ions due to the structure of the silicon nano-sheet itself can be minimized. In addition, the silicon nano-sheet is an ideal material having high electric capacity due to its inherent nature of silicon. In addition, according to the method for producing a silicon nanosheet, for example, a silicon material having a plate-like structure can be easily synthesized from easily obtainable clay, but the present invention is not limited thereto.

상기 층상 구조를 가지는 점토는 실리카를 포함하는 시트 및 금속 원소를 포함하는 시트가 번갈아 층상으로 겹쳐져 있는 구조를 포함하는 것일 수 있다. 상기 점토를 환원시키게 되면 상기 실리카(SiO2)가 실리콘(Si, silicon)으로 환원되어 실리콘 나노시트를 형성하게 되며, 상기 환원된 점토로부터 실리콘을 제외한 불순물, 예를 들면 금속 화합물 또는 금속 이온 등을 에칭하여 제거함으로써 상기 실리콘 나노시트만을 분리하여 수득할 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 나노시트는 층상으로 적층되어 있는 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.The clay having the layered structure may include a structure in which a sheet including silica and a sheet including a metallic element are alternately stacked in layers. When the clay is reduced, the silica (SiO 2 ) is reduced to silicon (Si) to form a silicon nanosheet. Impurities other than silicon, such as a metal compound or a metal ion, So that only the silicon nano-sheet can be separated and obtained. For example, the silicon nanosheets may have a structure in which they are layered, but the present invention is not limited thereto.

예를 들어, 상기 점토가 규산염 광물인 경우, 실리콘 사면체(silicon tetrahedron)들이 각기 독특한 방식으로 결합하여 고유한 결정 구조를 이루어, 상기 점토로부터 수득된 상기 실리콘 나노시트는 상기 사용된 점토의 고유한 결정 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 층상 점토가 층상 규산염 광물인 경우, 고유한 층상 결합 방식을 가지는 상기 층상 규산염 광물로부터 수득되는 실리콘 나노시트는 상기 층상 규산염 광물의 결정 구조로부터 유래되는 층상 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.For example, when the clay is a silicate mineral, silicon tetrahedrons combine in a unique way to form a unique crystal structure, and the silicon nanosheets obtained from the clay can be used as a unique crystal of the used clay Structure, but it is not so limited. For example, when the layered clay is a layered silicate mineral, the silicon nanosheets obtained from the layered silicate mineral having a unique layered bonding method may have a laminated structure derived from the crystal structure of the layered silicate mineral, But may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 점토에 함유된 실리카를 환원시키는 것은, 마그네시오써믹(magnesiothermic) 반응에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 마그네시오써믹 반응은 알칼리토 금속, 예를 들어, 마그네슘과, 환원시키고자 하는 물질을 혼합하여 환원 기체 분위기에서 열처리함으로서 상기 물질을 환원시키는 반응을 포함한다.According to one embodiment of the present invention, the reduction of the silica contained in the clay may be by a magnesiothermic reaction, but may not be limited thereto. The magnesiumothermic reaction includes a reaction of reducing an alkali earth metal such as magnesium and a substance to be reduced by heat treatment in a reducing gas atmosphere.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리된 혼합물을 산성 용액을 이용하여 에칭함으로써 상기 실리콘 나노시트를 수득하는 것을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heat-treated mixture may further include, but not limited to, obtaining the silicon nanosheet by etching using an acidic solution.

상기 점토 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리함으로써 상기 점토에 함유된 실리카를 환원시키는 것에 의하여, 상기 실리카가 환원되는 한편 상기 알칼리토 금속은 산화될 수 있다. 상기 산화된 알칼리토 금속은 알칼리토 금속 산화물을 형성하며, 상기 열처리된 상기 혼합물을 산성 용액을 이용하여 에칭 수행 시, 상기 알칼리토 금속 산화물은 상기 산성 용액에 녹아 씻겨져 나가는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리된 상기 혼합물을 산성 용액을 이용하여 에칭 수행 시, 상기 알칼리토 금속 산화물 및 기타 불순물이 씻겨져 나가고, 환원된 층상의 실리카만이 주로 남겨지게 되나, 이에 제한되지 않을 수 있다.By reducing the silica contained in the clay by heat-treating the mixture comprising the clay and the alkaline earth metal, the silica can be reduced while the alkaline earth metal can be oxidized. The oxidized alkaline earth metal forms an alkaline earth metal oxide, and when the heat-treated mixture is etched using an acidic solution, the alkaline earth metal oxide may be dissolved in the acidic solution and washed out. . For example, when the heat-treated mixture is etched using an acidic solution, the alkaline earth metal oxide and other impurities are washed out, leaving only the reduced layered silica, but not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 점토는 층상 점토를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the clay may include, but is not limited to, a layered clay.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 층상 점토는 층상 규산염 광물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 층상 규산염은 천연 층상 규산염 또는 합성 층상 규산염을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 층상 규산염은 파이로필라이트 군의 3 층 규산염, 백운모(muscovite), 파라고나이트(paragonite), 플로고파이트(phlogopite), 흑운모(biotite)와 같은 마이카 군의 디(di)- 내지 트리(tri)-옥타헤드럴(octahedral) 3 층 규산염, 클로라이트(chlorite) 군의 4 층 규산염, 및 카올리나이트(kaolinite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 일라이트(illite)와 같은 점토 광물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the invention, the layered clay may comprise, but is not limited to, a layered silicate mineral. For example, the layered silicate may comprise a natural layered silicate or a synthetic layered silicate, wherein the layered silicate is selected from the group consisting of three-layer silicates, muscovite, paragonite, Di-to tri-octahedral three-layer silicates of the mica group such as phlogopite and biotite, four-layer silicates of the chlorite group, and kaolinite ), Clay minerals such as montmorillonite, illite, and the like.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 층상 규산염 광물은 필로실리케이트(phyllosilicate)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the layer silicate mineral may include, but is not limited to, a phyllosilicate.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 필로실리케이트는 하기 일반식 1로서 표시되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the phyllosilicate may be represented by the following general formula (1), but is not limited thereto.

[일반식 1][Formula 1]

[Mn /원자가]inter [MI m MII o]oct [MIII 4]tet X10 Y2 [M n / valency ] inter [M I m M II o ] oct [M III 4 ] tet X 10 Y 2

식 중, Wherein,

M은 산화 상태가 1 내지 3인 금속 양이온이고,M is a metal cation having an oxidation state of 1 to 3,

MI은 산화 상태가 2 또는 3인 금속 양이온이고,M I is a metal cation whose oxidation state is 2 or 3,

MII은 산화 상태가 1 또는 2인 금속 양이온이고,M II is a metal cation whose oxidation state is 1 or 2,

MIII은 산화 상태가 3 또는 4인 원소이고,M III is an element having an oxidation state of 3 or 4,

X는 2 가 음이온이고,X is a divalent anion,

Y는 1 가 음이온이고,Y is a monovalent anion,

금속 원소인 MI의 산화 상태가 3인 경우 m≤약 2.0이고, 금속 원소인 MI의 산화 상태가 2인 경우 m≤약 3.0이고,M is about 2.0 when the oxidation state of the metal element M I is 3, m is about 3.0 when the oxidation state of the metal element M I is 2,

o≤약 1.0 이며,o ≤ 1.0,

층전하인 n은 약 0.2 내지 약 0.8임.The layer charge n is about 0.2 to about 0.8.

상기 일반식 1에서, '원자가'는 해당 원소가 가질 수 있는 공유결합의 개수를 의미하고, "inter"는 해당 원소들이 필로실리케이트의 층간에 존재함을 의미할 수 있으며, "oct(octahedral)"는 해당 원소들이 팔면체 구조를 가질 수 있음을 의미할 수 있고, "tet(tetrahedral)"는 해당 원소들이 사면체 구조를 가질 수 있음을 의미할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In the general formula 1, "valence" means the number of covalent bonds that the element can have, "inter" means that the elements are present between the layers of the phyllosilicate, "oct (octahedral) Quot; tetrahedral "may mean that the elements may have an octahedral structure, and" tet (tetrahedral) " may mean that the elements have a tetrahedral structure.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 필로실리케이트는, 활석(talc), 운모(mica), 스멕타이트(smectite) 족 광물, 마가디트(magadiite), 케냐이트(kenyaite), 스티븐사이트(stevensite), 할로이사이트(halloysite), 알루미네이트 산화물(aluminate oxide), 하이드로탈사이트(hydrotalcite), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the phyllosilicate is selected from the group consisting of talc, mica, smectite-family minerals, magadiite, kenyaite, stevensite, but are not limited to, those selected from the group consisting of halloysite, aluminate oxide, hydrotalcite, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스멕타이트 족 광물은, 몬트모릴로나이트(montmorillonite), 논트로나이트(nontronite), 베이델라이트(beidellite), 벤토나이트(bentonite), 헥토라이트(hectorite), 라포나이트(laponite), 사포나이트(saponite), 소코나이트(sauconite), 버미큘라이트(vermiculite), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the smectite-based mineral is selected from the group consisting of montmorillonite, nontronite, beidellite, bentonite, hectorite, but are not limited to, those selected from the group consisting of laponite, saponite, sauconite, vermiculite, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리토 금속은, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 바람직한 상기 알칼리토 금속은 마그네슘이다.According to one embodiment of the present invention, the alkaline earth metal may include, but is not limited to, a metal selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and combinations thereof. The preferred alkaline earth metal herein is magnesium.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리토 금속은 분말 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리토 금속이 분말 형태일 경우, 상기 혼합물의 제조 시 상기 점토와 용이하게 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the alkaline earth metal may be in powder form, but it is not limited thereto. For example, when the alkaline earth metal is in the form of a powder, it may be easily mixed with the clay at the time of preparation of the mixture, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 약 300℃ 내지 약 1,000℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리는 약 300℃ 내지 약 1,000℃, 약 400℃ 내지 약 1,000℃, 약 500℃ 내지 약 1,000℃, 약 600℃ 내지 약 1,000℃, 약 700℃ 내지 약 1,000℃, 약 800℃ 내지 약 1,000℃, 약 900℃ 내지 약 1,000℃, 약 300℃ 내지 약 900℃, 약 300℃ 내지 약 800℃, 약 300℃ 내지 약 700℃, 약 300℃ 내지 약 600℃, 약 300℃ 내지 약 500℃, 또는 약 300℃ 내지 약 400℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the disclosure, the heat treatment may be performed at a temperature of about 300 ° C to about 1,000 ° C, but is not limited thereto. For example, the heat treatment may be performed at a temperature of from about 300 캜 to about 1,000 캜, from about 400 캜 to about 1,000 캜, from about 500 캜 to about 1,000 캜, from about 600 캜 to about 1,000 캜, About 300 deg. C to about 700 deg. C, about 300 deg. C to about 600 deg. C, about 300 deg. C to about 1,000 deg. C, about 900 deg. 500 ° C, or from about 300 ° C to about 400 ° C.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 약 400℃ 내지 약 800℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. According to one embodiment of the present application, the heat treatment may be performed at a temperature of about 400 ° C to about 800 ° C, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 약 550℃ 내지 약 750℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리는 약 600℃ 내지 약 650℃, 약 600℃ 내지 약 700℃, 약 600℃ 내지 약 750℃, 약 550℃ 내지 약 700℃, 약 550℃ 내지 약 650℃, 또는 약 550℃ 내지 약 600℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present application, the heat treatment may be performed at a temperature of about 550 ° C to about 750 ° C, but may not be limited thereto. For example, the heat treatment may be performed at a temperature of from about 600 ° C to about 650 ° C, from about 600 ° C to about 700 ° C, from about 600 ° C to about 750 ° C, from about 550 ° C to about 700 ° C, Lt; 0 > C to about 600 < 0 > C, although the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 산성 용액은 약 pH 6 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 산성 용액은 약 pH 6 이하, 약 pH 5 이하, 약 pH 4 이하, 약 pH 3 이하, 약 pH 2 이하, 또는 약 pH 1 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the invention, the acidic solution may be about pH 6 or less, but it is not limited thereto. For example, the acid solution may be about pH 6 or lower, about pH 5 or lower, about pH 4 or lower, about pH 3 or below, about pH 2 or below, or about pH 1 or below.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 산성 용액은 약 pH 3 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the acidic solution may be, but not limited to, about pH 3 or less.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 산성 용액은 무기산을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the acidic solution may include, but is not limited to, an inorganic acid.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 무기산은 염산, 질산, 황산, 인산, 불산(HF), 과염소산, 염소산, 아염소산, 차아염소산, 요오드산, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 함유하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the invention, the inorganic acid is selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, perchloric acid, chloric acid, chlorous acid, hypochlorous acid, iodic acid, , But may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합물에 있어서 상기 점토에 함유된 규소 및 상기 알칼리토 금속의 몰 비율이 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 10 인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합물에 있어서 상기 점토에 함유된 규소 및 상기 알칼리토 금속의 몰 비율이 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 10, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 9, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 8, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 7, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 6, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 5, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 4, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 3, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 2, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 1, 약 1 : 0.1 내지 약 1 : 0.5, 약 1 : 0.5 내지 약 1 : 10,약 1 : 1 내지 약 1 : 10, 약 1 : 2 내지 약 1 : 10, 약 1 : 3 내지 약 1 : 10, 약 1 : 4 내지 약 1 : 10, 약 1 : 5 내지 약 1 : 10, 약 1 : 6 내지 약 1 : 10, 약 1 : 7 내지 약 1 : 10, 약 1 : 8 내지 약 1 : 10, 또는 약 1 : 9 내지 약 1 : 10인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the molar ratio of silicon contained in the clay and the alkaline earth metal in the mixture may be from about 1: 0.1 to about 1: 10, but is not limited thereto. For example, in the mixture, the molar ratio of silicon contained in the clay and the alkaline earth metal is from about 1: 0.1 to about 1:10, from about 1: 0.1 to about 1: 9, from about 1: 0.1 to about 1: From about 1: 0.1 to about 1: 4, from about 1: 0.1 to about 1: 6, from about 1: 0.1 to about 1: 5, from about 1: From about 1: 0.1 to about 1: 1, from about 1: 0.1 to about 1: 0.5, from about 1: 0.5 to about 1: 10, from about 1: From about 1: 2 to about 1:10, from about 1: 3 to about 1:10, from about 1: 4 to about 1:10, from about 1: 5 to about 1:10, from about 1: 6 to about 1: , About 1: 7 to about 1:10, about 1: 8 to about 1:10, or about 1: 9 to about 1: 10.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합물에 있어서 상기 점토에 함유된 규소 및 상기 알칼리토 금속의 몰 비율이 약 1 : 0.5 내지 약 1 : 5인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the invention, the molar ratio of silicon and alkaline earth metal contained in the clay in the mixture may be from about 1: 0.5 to about 1: 5, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합물에 있어서 상기 점토에 함유된 규소 및 상기 알칼리토 금속의 몰 비율이 약 1 : 0.5 내지 약 1 : 3인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the invention, the molar ratio of silicon and alkaline earth metal contained in the clay to the clay may be from about 1: 0.5 to about 1: 3, but the present invention is not limited thereto.

예를 들어, 상기 점토는 알루미늄과 규소를 포함하는 층상 구조 산화물일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 점토는 가격이 저렴하고 입수가 용이하며, 층상의 실리카(SiO2)를 포함하므로, 상기 실리카를 환원시킴으로써 용이하고 경제적으로 실리콘 나노시트를 제조할 수 있다.For example, the clay may be a layered structure oxide including aluminum and silicon, but may not be limited thereto. Since the clay is inexpensive and easy to obtain and contains layered silica (SiO 2 ), it is possible to produce the silicon nanosheet easily and economically by reducing the silica.

상기 활석(Talc)은 화학식으로는 Mg3Si3O10(OH)2로 표현된다. 상기 활석의 결정 구조는 마그네슘을 포함하는 시트(Mg12O12H4)가 두 개의 실리카(SiO2) 시트 사이에 끼어있는 형태를 포함한다. 상기 세 개의 시트가 결합되어 하나의 층을 이루는데, 상기 하나의 층은 전기적으로 중성을 띠며, 각각의 층은 약한 반 데르 발스 힘에 의하여 결합되어 있다. The Talc is represented by the formula Mg 3 Si 3 O 10 (OH) 2 . The crystal structure of the talc includes a form in which a sheet (Mg 12 O 12 H 4 ) containing magnesium is sandwiched between two sheets of silica (SiO 2 ). The three sheets are combined to form one layer, the one layer being electrically neutral and each layer being bonded by a weak van der Waals force.

상기 라포나이트(Laponite) 역시 상기 활석과 매우 유사한 구조를 가지고 있다. 상기 라포나이트는 두 개의 실리카 시트 사이에 마그네슘을 포함하는 시트가 끼어 있는 형태를 포함한다. 그러나 상기 활석과 달리 상기 라포나이트는 마그네슘 시트의 마그네슘의 일부가 리튬에 의하여 치환되어 있기 때문에, 각각의 층은 음전하를 띤다. 따라서 전체적으로 전기적 중성을 유지하기 위해 상기 층 사이사이에 소듐(Na) 양이온이 포함되어 있으며 전기적 상호작용으로 상기 층 각각이 결합된 형태를 가진다.The laponite also has a very similar structure to the talc. The laponite includes a shape in which a sheet containing magnesium is sandwiched between two silica sheets. However, unlike the talc, the laponite is negatively charged because each part of the magnesium sheet is replaced by lithium. Therefore, in order to maintain the electrical neutrality as a whole, sodium (Na) cations are contained between the layers and each layer is combined with each other by electrical interaction.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원시키는 것은 환원 분위기 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the reduction may be performed in a reducing atmosphere, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원시키는 것은, 불활성 기체를 포함하는 분위기 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원시키는 것은, 수소 기체 및 불활성 기체를 포함하는 분위기 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the reduction may be performed in an atmosphere containing an inert gas, but may not be limited thereto. For example, the reduction may be performed in an atmosphere containing hydrogen gas and an inert gas, but the present invention is not limited thereto.

예를 들어, 상기 불활성 기체는, 질소 기체, 아르곤 기체, 네온 기체, 헬륨 기체, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 기체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.For example, the inert gas may include, but is not limited to, a gas selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, neon gas, helium gas, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원시킨 후에, 상기 열처리된 혼합물을 교반 및/또는 세척하는 것을 추가로 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the reduction may further include, but is not limited to, stirring and / or washing the heat-treated mixture.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교반 및/또는 세척하는 것은 극성 용매를 이용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the stirring and / or washing may be performed using a polar solvent, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 극성 용매는 물, 알코올, 유기 극성 용매, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 물은 일차 증류수, 이차 증류수, 또는 삼차 증류수를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polar solvent may include, but is not limited to, water, an alcohol, an organic polar solvent, or a mixture thereof. For example, the water may include, but is not limited to, primary distilled water, secondary distilled water, or tertiary distilled water.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 점토는 층상 박리된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the invention, the clay may include, but is not limited to, delaminated.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 점토 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리하기 전에, 상기 점토에 알칼리토 금속의 양이온을 첨가하여 상기 점토를 재적층(restacking)시키는 것, 또는 상기 점토를 동결 건조시키는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 양이온이 본원의 목적을 위한 알칼리토 금속의 양이온에 포함될 수 있다. 본원의 바람직한 상기 알칼리토 금속의 양이온은 마그네슘 양이온이다.According to one embodiment of the present application, before the heat treatment of the mixture comprising the clay and the alkaline earth metal, a cation of an alkaline earth metal is added to the clay to restack the clay, or the clay is frozen Drying, and the like, but the present invention is not limited thereto. At least one metal cation selected from the group consisting of beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, and combinations thereof may be included in the cations of the alkaline earth metal for the purposes herein. Preferred cations of the alkaline earth metal herein are magnesium cations.

예를 들어, 상기 재적층 또는 상기 동결 건조로 인하여 상기 실리콘 나노시트의 비표면적이 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 실리콘 나노시트의 비표면적이 증가하는 경우, 전해질과의 상호작용이 일어나는 면적이 넓어지므로, 이를 포함하는 전지, 특히 리튬 이온 전지의 성능이 상승될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.For example, the specific surface area of the silicon nanosheets may be increased due to the reclaimed layer or freeze-drying, but the present invention is not limited thereto. When the specific surface area of the silicon nanosheets is increased, the area where the interaction with the electrolyte is widened may increase the performance of the battery including the lithium ion battery. However, the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 점토 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물은, 산화그래핀을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 바람직한 구현예에서, 상기 산화그래핀은 나노시트 형태를 가지는 것이다.According to one embodiment of the present application, the mixture comprising the clay and the alkaline earth metal may include, but is not limited to, addition of graphene oxide. In a preferred embodiment of the invention, the oxidized graphene has a nanosheet form.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 산화그래핀을 추가 포함하는 상기 점토 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리함으로써, 상기 점토에 함유된 실리카 및 상기 산화그래핀을 실리콘 나노시트 및 그래핀으로 각각 환원시킴으로써 실리콘과 그래핀을 함유하는 복합체를 형성하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 바람직한 구현예에서, 상기 층상 점토에 함유된 상기 실리카 및 상기 산화그래핀 나노시트가 환원됨으로써 실리콘 나노시트 및 그래핀 나노시트를 함유하는 복합체가 얻어질 수 있다.According to one embodiment of the present application, the silica and the oxide grains contained in the clay are heat treated with a silicon nano-sheet and a graphene, respectively, by heat-treating the mixture containing the clay and the alkaline earth metal, And forming a complex containing silicon and graphene by reducing the metal complex. In a preferred embodiment of the present invention, the silica contained in the layered clay and the oxidized graphene nanosheet are reduced so that a composite containing the silicon nanosheet and the graphene nanosheet can be obtained.

예를 들어, 상기 점토에 함유된 실리카 및 상기 산화그래핀을 실리콘 나노시트 및 그래핀으로 각각 환원시키는 과정에서 실리콘과 그래핀이 서로 혼성화되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘과 그래핀의 혼성화로 인하여, 형성된 실리콘 나노시트가 실리콘 및 그래핀을 함유하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
For example, the silicon and the graphene may be hybridized to each other in the process of reducing the silica contained in the clay and the graphene oxide with the silicon nanosheets and graphene, but the present invention is not limited thereto. For example, due to the hybridization of silicon and graphene, the formed silicon nanosheets may contain silicon and graphene, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 점토와 실질적으로 유사한 층상 구조를 포함하는, 실리콘 나노시트를 제공할 수 있다. The second aspect of the present application can provide a silicon nanosheet comprising a layered structure substantially similar to clay.

예를 들어, 상기 점토는 층상 점토를 포함할 수 있으며, 판상 결정 형태 및/또는 층상 구조를 가지는 것일 수 있고, 이에 따라 상기 점토에 함유된 실리카가 환원되어 제조된 상기 실리콘 나노시트 역시 상기 점토의 결정 형태 및/또는 구조에 상응하는, 또는 실질적으로 상응하는 형태 및/또는 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 나노시트는 판 형태의 2차원 결정 형태 또는 사면체 또는 정사면체(tetrahedral) 결정 형태를 갖는 구조를 포함할 수 있다. For example, the clay may include a layered clay, and may have a plate-like crystal form and / or a layered structure, and thus the silicon nanosheets produced by reducing the silica contained in the clay may also be used as the clay But may not be limited to, those having a shape and / or structure corresponding to, or substantially corresponding to, a crystalline form and / or structure. For example, the silicon nanosheets may include a plate-like two-dimensional crystal form or a structure having a tetrahedral or tetrahedral crystal form.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 나노시트는 본원의 제 1 측면의 방법에 의하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the silicon nanosheets may be produced by the method of the first aspect of the present invention, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 나노시트는 BET 표면적이 약 20 m2/g 내지 약 300 m2/g 인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 나노시트는 BET 표면적이 약 20 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 40 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 60 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 80 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 100 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 150 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 200 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 250 m2/g 내지 약 300 m2/g, 약 20 m2/g 내지 약 250 m2/g, 약 20 m2/g 내지 약 200 m2/g, 약 20 m2/g 내지 약 150 m2/g, 약 20 m2/g 내지 약 100 m2/g, 약 20 m2/g 내지 약 80 m2/g, 약 20 m2/g 내지 약 60 m2/g, 또는 약 20 m2/g 내지 약 40 m2/g인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the silicon nanosheets may have a BET surface area of from about 20 m 2 / g to about 300 m 2 / g, but are not limited thereto. For example, the silicon nanosheets may have a BET surface area of from about 20 m 2 / g to about 300 m 2 / g, from about 40 m 2 / g to about 300 m 2 / g, from about 60 m 2 / g to about 300 m 2 / g, about 80 m 2 / g to about 300 m 2 / g, about 100 m 2 / g to about 300 m 2 / g, about 150 m 2 / g to about 300 m 2 / g, about 200 m 2 / g to about 300 m 2 / g, about 250 m 2 / g to about 300 m 2 / g, about 20 m 2 / g to about 250 m 2 / g, about 20 m 2 / g to about 200 m 2 / g, about 20 m 2 / g to about 150 m 2 / g, about 20 m 2 / g to about 100 m 2 / g, about 20 m 2 / g to about 80 m 2 / g, about 20 m 2 / g to about 60 m 2 / g, or from about 20 m 2 / g to about 40 m, but may be a 2 / g, it may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 나노시트는 약 10 nm 내지 약 300 nm의 크기를 가지고 약 1 : 1 내지 약 1 : 10의 종횡비를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 나노시트는 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 250 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 150 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 20 nm 내지 약 300 nm, 약 30 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 약 150 nm 내지 약 300 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 또는 약 250 nm 내지 약 300 nm의 크기를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 나노시트는 약 1 : 1 내지 약 1 : 10, 약 1 : 2 내지 약 1 : 10, 약 1 : 3 내지 약 1 : 10, 약 1 : 4 내지 약 1 : 10, 약 1 : 5 내지 약 1 : 10, 약 1 : 6 내지 약 1 : 10, 약 1 : 7 내지 약 1 : 10, 약 1 : 8 내지 약 1 : 10, 약 1 : 9 내지 약 1 : 10, 약 1 : 1 내지 약 1 : 9, 약 1 : 1 내지 약 1 : 8, 약 1 : 1 내지 약 1 : 7, 약 1 : 1 내지 약 1 : 6, 약 1 : 1 내지 약 1 : 5, 약 1 : 1 내지 약 1 : 4, 약 1 : 1 내지 약 1 : 3, 또는 약 1 : 1 내지 약 1 : 2의 종횡비를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the silicon nanosheets may have a size of about 10 nm to about 300 nm and have an aspect ratio of about 1: 1 to about 1:10, but are not limited thereto. For example, the silicon nanosheets may have a thickness of from about 10 nm to about 300 nm, from about 10 nm to about 250 nm, from about 10 nm to about 200 nm, from about 10 nm to about 150 nm, from about 10 nm to about 100 nm, From about 10 nm to about 30 nm, from about 10 nm to about 20 nm, from about 20 nm to about 300 nm, from about 30 nm to about 300 nm, from about 50 nm to about 300 nm, from about 100 nm To about 300 nm, from about 150 nm to about 300 nm, from about 200 nm to about 300 nm, or from about 250 nm to about 300 nm. For example, the silicon nanosheets can be used at a ratio of about 1: 1 to about 1:10, from about 1: 2 to about 1:10, from about 1: 3 to about 1:10, from about 1: 4 to about 1:10, 1: 5 to about 1:10, about 1: 6 to about 1:10, about 1: 7 to about 1:10, about 1: 8 to about 1:10, about 1: 9 to about 1:10, 1: 1 to about 1: 6, about 1: 1 to about 1: 5, about 1: 1 to about 1: But may not be limited to, having an aspect ratio of from about 1: 1 to about 1: 4, from about 1: 1 to about 1: 3, or from about 1: 1 to about 1: 2.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 나노시트의 평균 입자 크기는 약 10 nm 내지 약 400 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 나노시트의 평균 입자 크기는 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 30 nm 내지 약 400 nm, 약 50 nm 내지 약 400 nm, 약 80 nm 내지 약 400 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 약 150 nm 내지 약 400 nm, 약 200 nm 내지 약 400 nm, 약 250 nm 내지 약 400 nm, 약 300 nm 내지 약 400 nm, 약 350 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 350 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 250 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 150 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 150 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the average particle size of the silicon nanosheets may be from about 10 nm to about 400 nm, but is not limited thereto. For example, the average particle size of the silicon nanosheets may range from about 10 nm to about 400 nm, from about 30 nm to about 400 nm, from about 50 nm to about 400 nm, from about 80 nm to about 400 nm, from about 100 nm to about 400 nm About 400 nm to about 400 nm, about 200 nm to about 400 nm, about 250 nm to about 400 nm, about 300 nm to about 400 nm, about 350 nm to about 400 nm, about 10 nm to about 350 nm , From about 10 nm to about 300 nm, from about 10 nm to about 250 nm, from about 10 nm to about 200 nm, from about 10 nm to about 150 nm, from about 10 nm to about 100 nm, from about 10 nm to about 80 nm, From about 10 nm to about 50 nm, from about 10 nm to about 30 nm, from about 100 nm to about 300 nm, from about 100 nm to about 200 nm, or from about 100 nm to about 150 nm.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 나노시트는 적어도 하나의 전도성 탄소화합물과 혼성화된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 탄소 화합물은 카본블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 활성 탄소(active carbon), 탄소 나노튜브(CNT), 그래파이트(graphite), 그래핀, 및 이들의 모든 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 특정 구현예에서, 상기 실리콘 나노시트는 그래핀과 혼성화됨으로써 더욱 우수한 전극 성능을 나타내는 것일 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the silicon nanosheets may be hybridized with at least one conductive carbon compound. For example, the conductive carbon compound may be selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, active carbon, carbon nanotubes (CNT), graphite, graphene, But it is not limited thereto. In certain embodiments of the invention, the silicon nanosheets may exhibit better electrode performance by being hybridized with graphene.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 2 측면에 따른 실리콘 나노시트를 포함하는 전지용 전극을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극은 전지, 특히 리튬 이온 전지, 리튬 에어 전지(lithium air battery), 및 리튬 황 전지(lithium sulfur battery)와 같은 리튬 전지, 또는 나트륨 이온 전지 및 나트륨 황 전지와 같은 나트륨 전지에 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 나노시트는 리튬 이온 전지의 음극 활물질로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
The third aspect of the present invention can provide an electrode for a battery comprising the silicon nanosheet according to the second aspect of the present invention. For example, the electrode can be a battery, particularly a lithium battery such as a lithium ion battery, a lithium air battery, and a lithium sulfur battery, or a sodium battery such as a sodium ion battery and a sodium sulfur battery But may not be limited thereto. For example, the silicon nanosheets may be included as an anode active material of a lithium ion battery, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 4 측면은, 본원의 제 3 측면에 따른 전극을 포함하는 애노드, 캐소드(cathode), 및 전해질을 포함하는 전지를 제공할 수 있다. 본원의 특정 구현예에서, 본원의 제 3 측면에 따른 전극을 포함하는 애노드, 캐소드, 및 전해질을 포함하는 리튬 이온 전지를 제공할 수 있다.A fourth aspect of the present invention may provide a battery comprising an anode, a cathode, and an electrolyte comprising an electrode according to the third aspect of the present application. In certain embodiments of the present application, a lithium ion battery comprising an anode, a cathode, and an electrolyte comprising an electrode according to the third aspect of the present invention can be provided.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 캐소드는, 리튬 함유 산화물, 리튬 함유 황화물, 리튬 함유 셀렌화물, 리튬 함유 할로겐화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present application, the cathode may comprise a material selected from the group consisting of a lithium-containing oxide, a lithium-containing sulfide, a lithium-containing selenide, a lithium-containing halide, and combinations thereof. .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 리튬 함유 산화물은 LixCoO2 (0.5<x<1.3), LixNiO2 (0.5<x<1.3), LixMnO2 (0.5<x<1.3), LixMn2O4 (0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2 (0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1 - yCoyO2 (0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1 - yMnyO2 (0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1 - yMnyO2 (0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4 (0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2 - zNizO4 (0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2 - zCozO4 (0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4 (0.5<x<1.3), LixFePO4 (0.5<x<1.3), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the invention, the lithium-containing oxide is LixCoO 2 (0.5 <x <1.3 ), Li x NiO 2 (0.5 <x <1.3), Li x MnO 2 (0.5 <x <1.3), Li x Mn 2 O 4 (0.5 <x < 1.3), Li x (Ni a Co b Mn c) O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), Li x Ni 1 - y Co y O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <y <1), Li x Co 1 - y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, 0≤ y <1), Li x Ni 1 - y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, O≤y <1), Li x (Ni a Co b Mn c) O 4 (0.5 <x <1.3, 0 < 2, 0 < c < 2, a + b + c = 2), Li x Mn 2 - z Ni z O 4 x Mn 2 - z Co z O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <z <2), Li x CoPO 4 (0.5 <x <1.3), Li x FePO 4 (0.5 <x <1.3), and combinations thereof But is not limited thereto.

본원의 다른 구현예에 따르면, 상기 캐소드는 나트륨을 삽입(insert) 및 탈삽입(de-insert)할 수 있는 적어도 하나의 캐소드 활물질, 특히 나트륨-금속 혼합 산화물과 같은 나트륨-함유 화합물을 포함할 수 있다. 본원의 상기 캐소드 활물질의 예로는, NaFeO2, NaCoO2, NaCrO2, NaMnO2, NaNiO2, NaNi1 /2Ti1 /2O2, NaNi1 /2Mn1 /2O2, Na2/3Fe1/3Mn2/3O2, NaNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2, NaMn2O4, NaNi1 /2Mn3 /2O2, NaFePO4, NaMnPO4, NaCoPO4, Na2FePO4F, Na2MnPO4F, Na2CoPO4F, 및 이들의 모든 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to another embodiment of the invention, the cathode may comprise at least one sodium-containing compound such as a sodium-metal mixed oxide, particularly at least one cathode active material capable of inserting and de-inserting sodium have. Examples of the cathode active material of the present application is, NaFeO 2, NaCoO 2, NaCrO 2, NaMnO 2, NaNiO 2, NaNi 1/2 Ti 1/2 O 2, NaNi 1/2 Mn 1/2 O 2, Na 2/3 Fe 1/3 Mn 2/3 O 2, NaNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, NaMn 2 O 4, NaNi 1/2 Mn 3/2 O 2, NaFePO 4, NaMnPO 4, NaCoPO 4 , Na 2 FePO 4 F, Na 2 MnPO 4 F, Na 2 CoPO 4 F, and any combination thereof.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질은 특별히 제한되지 않으며 통상의 리튬염과 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 이온 전지는 하기 화학식으로 표시되는 실란계 화합물을 첨가제로 함유하는 전해질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다:According to one embodiment of the present invention, the electrolyte is not particularly limited and may include, but is not limited to, a conventional lithium salt and a solvent. For example, the lithium ion battery may include, but is not limited to, an electrolyte containing a silane-based compound represented by the following formula as an additive:

Si-(R)y(OR')4-y Si- (R) y (OR ') 4-y

상기 화학식에서 R은 알킬기 또는 비닐기이며, R'은 알킬기 또는 알콕시기가 치환된 알킬기이며, y는 1 내지 3에서 선택되는 정수이다.In the above formula, R is an alkyl group or a vinyl group, R 'is an alkyl group or an alkyl group substituted with an alkoxy group, and y is an integer selected from 1 to 3.

상기 화학식에서 알킬기는 C1-C30의 알킬기이며, 비닐기는 C2-C20의 비닐기이며, 알콕시기는 C1-C30의 알콕시기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 실란계 화합물은 Si-(R)1(OR')3로 예시될 수 있으며, 트리메톡시(메틸)실란(SiCH3(OCH3)3), 또는 트리스(2-메톡시에톡시)바이닐실란(CH2=CHSi(OCH2CH2OCH2)3)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In the above formulas, the alkyl group is a C 1 -C 30 alkyl group, the vinyl group is a C 2 -C 20 vinyl group, and the alkoxy group may be a C 1 -C 30 alkoxy group, but the present invention is not limited thereto. The silane compound may be exemplified by Si- (R) 1 (OR ') 3, and may be exemplified by trimethoxy (methyl) silane (SiCH 3 (OCH 3 ) 3 ), or tris (2-methoxyethoxy) Silane (CH 2 = CHSi (OCH 2 CH 2 OCH 2 ) 3 ).

상기와 같은 실란계 화합물을 포함하는 전해질은 약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 실란계 화합물을 포함할 수 있으며, 이 경우 전해질 고유의 성능은 유지하면서 실리콘 산화물 표면에 보호층 형성을 효율적으로 유도할 수 있어 보다 유리할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.The electrolyte containing the silane-based compound may include about 2 wt% to about 10 wt% of the silane-based compound. In this case, it is possible to efficiently form the protective layer on the surface of the silicon oxide while maintaining the inherent performance of the electrolyte. And may be more advantageous, but may not be limited thereto.

예를 들어, 상기 전해질은 LiTFSi, LiPF6 및 LiFSi의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 리튬염과, 비수용성 카보네이트계 용매 또는 LiTFSi, LiPF6 및 LiFSi의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 리튬염과 이미다졸리움계, 피롤리디늄계 및 피페리디늄계중에서 선택되는 하나인 상온 이온성 액체 용매를 함유하는 전해질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 특정한 구현예에서, 상기 전해질은 상기 기재된 리튬염 하나 또는 그 이상에 조합하여 선택적으로 LiPO2F2를 포함할 수 있다.For example, the lithium salt of the electrolyte is selected from the group consisting of LiTFSi, LiPF 6, and the lithium salt is selected from the group consisting of the combination of LiFSi and a non-water-soluble carbonate-based solvent or LiTFSi, LiPF 6, and combinations of LiFSi and But are not limited to, electrolytes containing a room temperature ionic liquid solvent which is one selected from imidazolium series, pyrrolidinium series and piperidinium series. In certain embodiments of the invention, the electrolyte may optionally comprise LiPO 2 F 2 in combination with one or more of the lithium salts described above.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질은 적어도 하나의 첨가제(additive), 특히 불화계 유기 화합물(fluorinated organic compound), 예를 들어, 불소-치환된 에틸렌 카보네이트, 폴리플루오로-치환된 디메틸 카보네이트, 불소-치환된 에틸 메틸 카보네이트, 및 불소-치환된 디에틸 카보네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 불화 카보닉 에스테르(fluorinated carbonic esters)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 바람직한 불소치환된 카보네이트들은 모노플루오로에틸렌 카보네이트(monofluoroethylene carbonate, F1EC), 4,4-디플루오로 에틸렌 카보네이트(4,4-difluoro ethylene carbonate), 4,5- 디플루오로 에틸렌 카보네이트(4,5-difluoro ethylene carbonate), 4-플루오로-4-메틸 에틸렌 카보네이트(4-fluoro-4-methyl ethylene carbonate), 4,5-디플루오로-4-메틸 에틸렌 카보네이트(4,5-difluoro-4-methyl ethylene carbonate), 4-플루오로-5-메틸 에틸렌 카보네이트(4-fluoro-5-methyl ethylene carbonate), 4,4-디플루오로-5-메틸 에틸렌 카보네이트(4,4-difluoro-5-methyl ethylene carbonate), 4-(플루오로메틸)-에틸렌 카보네이트[4-(fluoromethyl)-ethylene carbonate], 4-(디플루오로메틸)-에틸렌 카보네이트[4-(difluoromethyl)-ethylene carbonate], 4-(트리플루오로메틸)-에틸렌 카보네이트[4-(trifluoromethyl)-ethylene carbonate], 4-(플루오로메틸)-4-플루오로 에틸렌 카보네이트[4-(fluoromethyl)-4-fluoro ethylene carbonate], 4-(플루오로메틸)-5-플루오로 에틸렌 카보네이트[4-(fluoromethyl)-5-fluoro ethylene carbonate], 4-플루오로-4,5-디메틸 에틸렌 카보네이트[4-fluoro-4,5-dimethyl ethylene carbonate], 4,5-디플루오로-4,5-디메틸 에틸렌 카보네이트[4,5-difluoro-4,5-dimethyl ethylene carbonate], 및 4,4-디플루오로-5,5-디메틸 에틸렌 카보네이트[4,4-difluoro-5,5-dimethyl ethylene carbonate]; 플루오로메틸 메틸 카보네이트(fluoromethyl methyl carbonate), 디플루오로메틸 메틸 카보네이트(difluoromethyl methyl carbonate), 트리플루오로메틸 메틸 카보네이트(trifluoromethyl methyl carbonate), 비스(디플루오로)메틸 카보네이트[bis(difluoro)methyl carbonate], 및 비스(트리플루오로)메틸 카보네이트[bis(trifluoro)methyl carbonate]를 포함하는 디메틸 카보네이트 유도체들; 2-플루오로에틸 메틸 카보네이트(2-fluoroethyl methyl carbonate), 에틸 플루오로메틸 카보네이트(ethyl fluoromethyl carbonate), 2,2-디플루오로에틸 메틸 카보네이트(2,2-difluoroethyl methyl carbonate), 2-플루오로에틸 플루오로메틸 카보네이트(2-fluoroethyl fluoromethyl carbonate), 에틸 디플루오로메틸 카보네이트(ethyl difluoromethyl carbonate), 2,2,2-트리플루오로에틸 메틸 카보네이트(2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate), 2,2-디플루오로에틸 플루오로메틸 카보네이트(2,2-difluoroethyl fluoromethyl carbonate), 2-플루오로에틸 디플루오로메틸 카보네이트(2-fluoroethyl difluoromethyl carbonate), 및 에틸 트리플루오로메틸 카보네이트(ethyl trifluoromethyl carbonate)를 포함하는 에틸 메틸 카보네이트 유도체들; 및 에틸(2-플루오로에틸)카보네이트[ethyl (2-fluoroethyl) carbonate], 에틸(2,2-디플루오로에틸)카보네이트[ethyl (2,2-difluoroethyl) carbonate], 비스(2-플루오로에틸)카보네이트[bis(2-fluoroethyl) carbonate], 에틸(2,2,2-트리플루오로에틸)카보네이트[ethyl (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate], 2,2-디플루오로에틸 2′-플루오로에틸 카보네이트[2,2-difluoroethyl 2'-fluoroethyl carbonate], 비스(2,2-디플루오로에틸)카보네이트[bis(2,2-difluoroethyl) carbonate], 2,2,2-트리플루오로에틸 2′-플루오로에틸 카보네이트[2,2,2-trifluoroethyl 2'-fluoroethyl carbonate], 2,2,2-트리플루오로에틸 2',2'-디플루오로에틸 카보네이트[2,2,2-trifluoroethyl 2',2'-difluoroethyl carbonate], 및 비스(2,2,2-트리플루오로에틸)카보네이트[bis(2,2,2-trifluoroethyl) carbonate], 4-플루오로-4-비닐에틸렌 카보네이트(4-fluoro-4-vinylethylene carbonate), 4-플루오로-5-비닐에틸렌 카보네이트(4-fluoro-5-vinylethylene carbonate), 4,4-디플루오로-4-비닐에틸렌 카보네이트(4,4-difluoro-4-vinylethylene carbonate), 4,5-디플루오로-4-비닐에틸렌 카보네이트(4,5-difluoro-4-vinylethylene carbonate), 4-플루오로-4,5-디비닐에틸렌 카보네이트(4-fluoro-4,5-divinylethylene carbonate), 4,5-디플루오로-4,5-디비닐에틸렌 카보네이트(4,5-difluoro-4,5-divinylethylene carbonate), 4-플루오로-4-페닐에틸렌 카보네이트(4-fluoro-4-phenylethylene carbonate), 4-플루오로-5-페닐에틸렌 카보네이트(4-fluoro-5-phenylethylene carbonate), 4,4-디플루오로-5-페닐에틸렌 카보네이트(4,4-difluoro-5-phenylethylene carbonate), 4,5-디플루오로-4-페닐에틸렌 카보네이트(4,5-difluoro-4-phenylethylene carbonate) 및 4,5-디플루오로-4,5-디페닐에틸렌 카보네이트(4,5-difluoro-4,5-diphenylethylene carbonate), 플루오로메틸 페닐 카보네이트(fluoromethyl phenyl carbonate), 2-플루오로에틸 페닐 카보네이트(2-fluoroethyl phenyl carbonate), 2,2-디플루오로에틸 페닐 카보네이트(2,2-difluoroethyl phenyl carbonate) 및 2,2,2-트리플루오로에틸 페닐 카보네이트(2,2,2-trifluoroethyl phenyl carbonate), 플루오로메틸 비닐 카보네이트(fluoromethyl vinyl carbonate), 2-플루오로에틸 비닐 카보네이트(2-fluoroethyl vinyl carbonate), 2,2-디플루오로에틸 비닐 카보네이트(2,2-difluoroethyl vinyl carbonate) 및 2,2,2-트리플루오로에틸 비닐 카보네이트(2,2,2-trifluoroethyl vinyl carbonate), 플루오로메틸 알릴 카보네이트(fluoromethyl allyl carbonate), 2-플루오로에틸 알릴 카보네이트(2-fluoroethyl allyl carbonate), 2,2-디플루오로에틸 알릴 카보네이트(2,2-difluoroethyl allyl carbonate) 및 2,2,2-트리플루오로에틸 알릴 카보네이트(2,2,2-trifluoroethyl allyl carbonate)를 포함하는 디에틸 카보네이트 유도체들이다.According to one embodiment of the present application, the electrolyte may comprise at least one additive, in particular a fluorinated organic compound, such as fluorine-substituted ethylene carbonate, polyfluoro-substituted dimethyl carbonate, But are not limited to, fluorinated carbonic esters selected from the group consisting of fluorine-substituted ethylmethyl carbonate, and fluorine-substituted diethyl carbonate. Preferred fluorine-substituted carbonates are monofluoroethylene carbonate (F1EC), 4,4-difluoroethylene carbonate, 4,5-difluoroethylene carbonate (4,5 fluoro-4-methyl ethylene carbonate, 4,5-difluoro-4-methylethylenecarbonate, 4,5-difluoro-4- methyl ethylene carbonate, 4-fluoro-5-methyl ethylene carbonate, 4,4-difluoro-5-methyl ethylene carbonate, 4- (fluoromethyl) -ethylene carbonate, 4- (difluoromethyl) -ethylenecarbonate, 4- ( Trifluoromethyl) -ethylene carbonate [4- (trifluoromethyl) -ethylene carbonate], 4- (fluoromethyl) -4-fluoroethylenecarbonate Fluoromethyl-5-fluoro-ethylene carbonate], 4- (fluoromethyl) -5-fluoro-ethylene carbonate, 4-fluoro-4,5-dimethyl ethylene carbonate], 4,5-difluoro-4,5-dimethyl ethylene carbonate], 4,5- And 4,4-difluoro-5,5-dimethyl ethylene carbonate; Fluoromethyl methyl carbonate, difluoromethyl methyl carbonate, trifluoromethyl methyl carbonate, bis (difluoro) methyl carbonate [bis (difluoro) methyl carbonate , And bis (trifluoro) methyl carbonate [bis (trifluoromethyl) carbonate]; 2-fluoroethyl methyl carbonate, ethyl fluoromethyl carbonate, 2,2-difluoroethyl methyl carbonate, 2-fluoroethyl methyl carbonate, 2-fluoroethyl fluoromethyl carbonate, ethyl difluoromethyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate, 2 (trifluoromethyl) methyl carbonate, , 2-difluoroethyl fluoromethyl carbonate, 2-fluoroethyl difluoromethyl carbonate, and ethyl trifluoromethyl carbonate Ethyl methyl carbonate; Ethyl (2-fluoroethyl) carbonate, ethyl (2,2-difluoroethyl) carbonate, bis (2-fluoroethyl) carbonate, Ethyl (2, 2-trifluoroethyl) carbonate], ethyl (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate, 2,2-difluoroethyl 2 Bis (2,2-difluoroethyl) carbonate, 2,2,2-difluoroethyl carbonate, 2,2-difluoroethyl carbonate, Fluoroethyl carbonate [2,2,2-trifluoroethyl 2'-fluoroethyl carbonate], 2,2,2-trifluoroethyl 2 ', 2'-difluoroethyl carbonate [2,2,2- , 2-trifluoroethyl 2 ', 2'-difluoroethyl carbonate], and bis (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate [ 4-fluoro-4-vinylethylene carbonate, 4-fluoro-5-vinylethylene carbonate 4-fluoro-5-vinylethylene carbonate, 4,4-difluoro-4-vinylethylene carbonate, 4,5-difluoro-4- 4-fluoro-4-vinylethylene carbonate, 4-fluoro-4,5-divinylethylene carbonate, 4,5-difluoro- 4,5-difluoro-4,5-divinylethylene carbonate, 4-fluoro-4-phenylethylene carbonate, 4-fluoro-5-phenyl 4-fluoro-5-phenylethylene carbonate, 4,4-difluoro-5-phenylethylene carbonate, 4,5-difluoro-4-phenyl 4,5-difluoro-4-phenylethylene carbonate and 4,5-difluoro-4,5-diphenylethylene carbonate, fluoromethylphenyl carbonate, Fluoromethyl phenyl carbonate, 2-fluoro 2-fluoroethyl phenyl carbonate, 2,2-difluoroethyl phenyl carbonate, and 2,2,2-trifluoroethyl phenyl carbonate (2,2,2- trifluoromethyl vinyl carbonate, trifluoroethyl phenyl carbonate, fluoromethyl vinyl carbonate, 2-fluoroethyl vinyl carbonate, 2,2-difluoroethyl vinyl carbonate, And 2,2,2-trifluoroethyl vinyl carbonate, fluoromethyl allyl carbonate, 2-fluoroethyl allyl carbonate, Diethyl carbonate containing 2,2-difluoroethyl allyl carbonate and 2,2,2-trifluoroethyl allyl carbonate, Lt; / RTI &gt;

상기 전해질은 LiPF6인 리튬염을 포함하고 있지 않은 상온 이온성 용매일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. LiPF6인 리튬염을 포함하고 있지 않은 상온 이온성 용매는 음극에 포함된 실리콘 산화물과 LiPF6 유도체간 계면반응이 없을 뿐 아니라, 상온 이온성 용매는 초기 충방전 과정에서 안정한 SEI(solid electrolyte interphase) 층을 실리콘 산화물 박막 표면에 형성시켜 추후 전해질과의 계면반응을 억제시켜 충방전 사이클 성능이 안정화될 수 있기 때문이다. The electrolyte may be used for room temperature ionic liquids which do not contain LiPF 6 lithium salt, but may not be limited thereto. The ionic liquid at room temperature, which does not contain a lithium salt such as LiPF 6 , is a mixture of silicon oxide and LiPF 6 In addition to the absence of the interfacial reaction between the derivatives, the ionic solvent at room temperature forms a solid electrolyte interphase (SEI) layer on the surface of the silicon oxide thin film during the initial charge / discharge process to suppress the interfacial reaction with the electrolyte, It can be.

상기 용매는 특별히 제한되지 않으며 상온 이온성 용매 이외에 비수용성 카보네이트계 용매를 포함할 수 있으며, 상기 비수용성 카보네이트계 용매를 포함시 그 함량은 상온 이온성 용매 100 중량부에 대하여 약 5 중량부 내지 약 70 중량부일 수 있으며, 이 경우 이온성 액체 용매의 난연성 유지 또는 발화 억제 효과를 얻을 수 있어 유리할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. The solvent is not particularly limited and may include a non-water-soluble carbonate solvent in addition to a room temperature ionic solvent. When the water-insoluble carbonate solvent is contained, the content thereof is about 5 parts by weight to about 100 parts by weight 70 parts by weight. In this case, the ionic liquid solvent may be advantageous because it can provide flame retardancy maintenance or ignition inhibition effect, but the present invention is not limited thereto.

상기 비수용성 카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC) 또는 에틸메틸카보네이트(EMC)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.The water-insoluble carbonate-based solvent may include, but is not limited to, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), or ethyl methyl carbonate (EMC).

상기 리튬 이온 전지는, 음극 물질에 본원의 실리콘 나노시트의 제조 방법에 의하여 제조된 실리콘 나노시트를 포함하는 것으로서, 상기 실리콘 나노시트는 충방전 시 부피 변화가 거의 없고 높은 이온 전도도, 전기 전도도, 및 용량을 가지는 것일 수 있다.The lithium ion battery includes silicon nanosheets produced by the method of manufacturing the silicon nanosheets of the present invention in a negative electrode material. The silicon nanosheets have substantially no volume change during charging and discharging, and have high ion conductivity, electrical conductivity, Capacity. &Lt; / RTI &gt;

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 보다 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1 : 활석, 마그네슘, 및 1 M 염산 용액을 이용한 실리콘 나노시트의 제조 1: Preparation of Silicon Nanosheet Using Talc, Magnesium, and 1 M Hydrochloric Acid Solution

본 실시예에서는, 마그네슘 파우더 (SAMCHUN)와 활석(Talc, Alderich)을 다양한 비율 (Si : Mg의 비율이 1 : 1.56, 1 : 2.34, 1 : 3.12, 및 1 : 3.9)로 혼합하여 수득된 혼합물을 실험실에서 제작한 튜브형태의 전기로(furnace) 내에 삽입하여 H2 (5%)/Ar (95%) 분위기 및 650℃의 온도에서 3 시간 동안 열처리하였다. 이후, 분말 X-선 회절분석기 (Rigaku)를 이용하여 상기 열처리된 혼합물의 분말 X선-회절 패턴을 관찰하였다 (도 1). 도 1에 나타난 바에 따르면, MgO, Si, 및 Mg2Si의 피크를 관찰할 수 있는 바, 상기 열처리로 인하여 활석에 포함된 실리카가 환원되고 상기 마그네슘이 산화되어 MgO, Si, 및 Mg2Si 등이 형성되었음을 확인할 수 있다. Si : Mg = 1 : 1.56의 비율로 혼합한 경우에는 활석의 피크가 나타났으므로, 실리카를 완전히 환원시키기 위해서는 마그네슘을 그 이상의 비율로 혼합해 주어야 함을 알 수 있었다.In this embodiment, a mixture obtained by mixing magnesium powder (SAMCHUN) and talc (Talc, Alderich) in various ratios (Si: Mg ratios of 1: 1.56, 1: 2.34, 1: 3.12 and 1: the inserts in the form of a tube of an electrically produced in the laboratory (furnace) was heat-treated in H 2 (5%) / Ar (95%) atmosphere and a temperature of 650 ℃ for 3 hours. The powder X-ray diffraction pattern of the heat-treated mixture was then observed using a powder X-ray diffractometer (Rigaku) (Fig. 1). 1, peaks of MgO, Si, and Mg 2 Si can be observed. As a result of the heat treatment, the silica contained in the talc is reduced and the magnesium is oxidized to form MgO, Si, and Mg 2 Si As shown in Fig. When the ratio of Si: Mg = 1: 1.56 was mixed, a peak of talc appeared, so that it was necessary to mix magnesium at a higher ratio in order to completely reduce the silica.

도 2는 상기 열처리된 혼합물의 주사전자현미경(SEM)이미지이다. 도 2의 a는 Si : Mg의 비율이 1 : 3.12인 경우, 도 2의 b는 1 : 2.34인 경우의 주사전자현미경 이미지이다. Figure 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of the heat-treated mixture. FIG. 2 (a) is a scanning electron microscope image when the ratio of Si: Mg is 1: 3.12, and FIG. 2 (b) is 1: 2.34.

이어서, 35 중량% 내지 37 중량%의 염산 (SAMCHUN)을 증류수와 혼합하여 1 M 염산 용액을 제조하고, 상기 열처리된 혼합물 1 g 당 상기 1 M 염산 용액을 500 mL의 비율로 혼합하여 이를 하루 동안 교반하여 세척하였다. 이후, 상기 혼합물을 원심분리기 (Hanil, Combi 514R)를 이용하여 3500 rpm에서 30 분 동안 원심분리하며 상기 혼합물을 증류수로 세척하였다. 상기 세척에 의하여 상기 혼합물의 pH가 중성에 도달한 후, 상기 혼합물을 진공 오븐 상에서 100℃의 온도에서 건조하였다. 이어서, 상기 세척 과정에 의하여 마그네슘 산화물이 녹아 제거된 상기 혼합물의 X-선 회절 패턴을 관찰하였다 (도 3). 도 3에 나타난 바에 따르면, 상기 1 M HCl 용액을 이용하여 세척한 결과 실리콘의 피크만이 관찰된 것으로 보아, 상기 혼합물에서 실리콘 이외의 물질들은 대부분 세척되어 제거되었음을 확인할 수 있었다. Subsequently, a 1 M hydrochloric acid solution was prepared by mixing 35 wt% to 37 wt% hydrochloric acid (SAMCHUN) with distilled water, and the 1 M hydrochloric acid solution was mixed at a ratio of 500 mL per 1 g of the heat-treated mixture. And washed with stirring. The mixture was then centrifuged at 3500 rpm for 30 minutes using a centrifuge (Hanil, Combi 514R) and the mixture was washed with distilled water. After the pH of the mixture reached neutral by the washing, the mixture was dried in a vacuum oven at a temperature of 100 ° C. Then, the X-ray diffraction pattern of the mixture in which the magnesium oxide was dissolved and removed by the washing process was observed (FIG. 3). As shown in FIG. 3, only the peak of silicon was observed as a result of washing with the 1 M HCl solution. As a result, it was confirmed that most of the materials other than silicon in the mixture were washed away.

도 4는 상기 열처리된 혼합물을 상기 HCl 용액을 이용하여 세척한 후의 주사전자현미경 이미지이다. 도 4의 a는 Si : Mg의 비율이 1 : 3.12인 경우, 그리고 도 4의 b는 1 : 2.34인 경우의 주사전자현미경 이미지이다. 상기 도 4의 b에 따르면, 판상의 실리콘 나노시트가 겹쳐 있는 형태를 관찰할 수 있었다.
FIG. 4 is a scanning electron microscope image after washing the heat-treated mixture with the HCl solution. FIG. FIG. 4 (a) is a scanning electron microscope image when the ratio of Si: Mg is 1: 3.12, and FIG. 4 (b) is 1: 2.34. According to Fig. 4 (b), it was observed that the plate-shaped silicon nanosheets overlap.

실시예Example 2 :  2 : 라포나이트Laponite , 마그네슘, 및 1 M 염산 용액을 이용한 실리콘 나노시트의 제조, Magnesium, and 1 M hydrochloric acid solution

본 실시예에서는, 마그네슘 파우더(SAMCHUN) 와 라포나이트 (Laponite, ROCKWOOD, RDS grade)를 마그네슘과 실리콘 비율이 약 3.9 : 1이 되도록 혼합한 후, 상기 혼합물을 H2 (5%)/Ar (95%) 분위기 및 650℃의 온도에서 3 시간 동안 열처리한 후의 분말 X-선 회절 패턴 (에칭 전)과, 상기 열처리된 혼합물을 HCl로 세척한 후의 분말 X-선 회절 패턴 (에칭 후)을 관찰하였다 (도 5). 도 5에 나타난 바에 따르면, 라포나이트를 사용한 경우에도 활석과 마찬가지로 실리카가 환원되어 실리콘이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 아울러, 열처리 후 HCl 용액을 이용하여 세척한 경우 (에칭 후), 산화마그네슘 등 실리콘 이외의 물질들이 세척되어 제거되었음을 에칭 전후의 피크를 비교하여 확인할 수 있다.
In this embodiment, magnesium powder (SAMCHUN) and laponite (ROCKWOOD, RDS grade) were mixed so that the ratio of magnesium and silicon was about 3.9: 1. The mixture was then mixed with H 2 (5%) / Ar %) Atmosphere and a powder X-ray diffraction pattern (after etching) after heat treatment at a temperature of 650 ° C for 3 hours and a powder X-ray diffraction pattern (after etching) after the heat-treated mixture was washed with HCl (Fig. 5). As shown in FIG. 5, it was confirmed that silica was reduced as in the case of talc, and silicon was formed even when laponite was used. In addition, it can be confirmed by comparing peaks before and after etching that the materials other than silicon such as magnesium oxide are removed by washing with HCl solution after the heat treatment (after etching).

실시예Example 3 : 활석, 마그네슘, 및 0.5 M 염산 용액을 이용한 실리콘 나노시트의 제조 3: Preparation of Silicon Nanosheet Using Talc, Magnesium, and 0.5 M Hydrochloric Acid Solution

본 실시예에서는, 마그네슘 파우더 (SAMCHUN)와 활석(Talc, Alderich)을 다양한 비율 (Si : Mg의 비율이 1 : 1, 1 : 2, 및 1 : 2.3)로 혼합하고, 실험실에서 제작한 튜브형태의 전기로(furnace) 내에 삽입하여 H2 (5%)/Ar (95%) 분위기 및 650℃의 온도에서 3 시간 동안 열처리하였다. 이후, 분말 X-선 회절분석기 (Rigaku)를 이용하여 상기 열처리된 혼합물의 분말 X-선 회절 패턴을 관찰하였다 (도 6). 도 6에 나타난 바에 따르면, Si : Mg가 1 : 1 및 1 : 2의 몰 비율로 혼합된 혼합물의 열처리 후 결과물의 경우, Si 및 MgO의 피크 이외에도 잔존 활석의 피크를 관찰할 수 있었다. Si : Mg의 몰 비율이 1 : 2.3인 혼합물에서는 활석의 피크는 사라졌으나 Mg2Si 및 Mg2SiO4 피크가 관찰되었다. In this embodiment, magnesium powder (SAMCHUN) and talc (Alderich) were mixed in various ratios (Si: Mg ratios of 1: 1, 1: 2, and 1: 2.3) It was inserted into the electric furnace (furnace) of the heat-treated in H 2 (5%) / Ar (95%) atmosphere and a temperature of 650 ℃ for 3 hours. Thereafter, the powder X-ray diffraction pattern of the heat-treated mixture was observed using a powder X-ray diffractometer (Rigaku) (FIG. 6). As shown in FIG. 6, peaks of residual talc in addition to the peaks of Si and MgO could be observed in the case of the result after heat treatment of the mixture in which Si: Mg was mixed at a molar ratio of 1: 1 and 1: 2. In the mixture with Si: Mg molar ratio of 1: 2.3, the peaks of talc disappeared but the peaks of Mg 2 Si and Mg 2 SiO 4 were observed.

다음으로, 상기 열처리된 혼합물을 상기 실시예 1과 달리 0.5 M 염산 용액을 이용하여 하루 동안 세척하고, 상기 0.5 M 염산 용액을 새로운 것으로 교체하여 추가적으로 하루 동안 세척한 후, 이를 분말 X-선 회절 패턴 분석하였다 (도 7). 도 7에 나타난 바에 따르면, Si : Mg의 몰 비율이 1 : 1 및 1 : 2인 혼합물의 경우, 실리콘과 활석의 피크가 나타났으며, 1 : 2.3인 혼합물의 경우에는 실리콘의 피크 및 미확인 물질의 작은 피크들을 관찰할 수 있었다.Next, the heat-treated mixture was washed with a 0.5 M hydrochloric acid solution for one day unlike Example 1, and the 0.5 M hydrochloric acid solution was replaced with a fresh one. After washing for another day, the powder was subjected to a powder X-ray diffraction pattern (Fig. 7). 7, peaks of silicon and talc were observed for mixtures with Si: Mg molar ratios of 1: 1 and 1: 2, and peaks of silicon and unidentified materials for mixtures of 1: The small peaks of.

상기 관찰한 바에 따르면, 실리콘 나노시트의 제조에 필요한 마그네슘 양보다 적은 마그네슘이 사용된 경우에는 활석이 잔존하였으며, 필요한 양 이상의 마그네슘이 사용된 경우에는 순수한 실리콘을 수득하는 데 영향을 미쳤다.According to the above observations, talc remained when magnesium was used less than the amount of magnesium required for the production of silicon nanosheets, and when pure magnesium was used, more magnesium was needed.

도 8은, Si : Mg의 몰 비율이 1 : 2.3인 상기 혼합물을 열처리하고 0.5 M 염산 용액을 이용하여 세척한 후 수득한 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM, Jeol JEM-2100F) 이미지이다. 상기 도 8에 나타난 이미지로부터 측정한 실리콘 나노시트의 평균적인 종횡비는 약 1 : 1 내지 약 1 : 3이었다.
FIG. 8 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM, Jeol JEM-2100F) image obtained after heat-treating the mixture having a Si: Mg molar ratio of 1: 2.3 and washing with a 0.5 M hydrochloric acid solution. The average aspect ratio of the silicon nanosheets measured from the image shown in FIG. 8 was about 1: 1 to about 1: 3.

실시예Example 4 : 제조된 실리콘 나노시트의 B.E.T. 표면적 측정 4: B.E.T. of the prepared silicon nanosheets. Surface area measurement

상기 실시예 3의 방법과 동일한 방법에 따라 활석으로부터 제조된 실리콘 나노시트의 표면적을 Micromeritics ASAP 2020 instrument를 이용하여 질소 흡착 탈착 등온선 측정 방법(N2 adsorption-desorption isotherm measurement)에 의하여 측정하였다. 아울러, 상기 결과에 BJH(Barrett, Johner and Halenda) 방정식을 적용하여 기공 크기를 계산하였다. 상기 기공은 리튬의 탈삽입 경로가 될 수 있으며, 상기 기공 크기가 리튬의 탈삽입이 가능할 정도의 크기를 가지고 상기 기공의 양이 많으면, 반응에 관여하는 표면적이 커지므로 음극 물질로서 더욱 큰 용량과 성능을 가지게 된다. The surface area of the silicon nanosheets prepared from the talc was measured by the N 2 adsorption-desorption isotherm measurement using a Micromeritics ASAP 2020 instrument according to the same method as in Example 3 above. In addition, the pore size was calculated by applying the BJH (Barrett, Johner and Halenda) equation to the above results. The pore may be a de-insertion path of lithium. If the pore size is large enough to enable the lithium intercalation and the amount of the pore is large, the surface area involved in the reaction becomes large, Performance.

도 9는 활석을 이용한 다양한 Si : Mg 몰 비율에 따른 실리콘 나노시트의 B.E.T. 표면적을 나타낸 그래프 및 이로부터 도출된 실리콘 나노시트의 B.E.T. 표면적을 나타낸 표이다. 도 10은 활석을 이용한 다양한 Si : Mg 몰 비율에 따른 실리콘 나노시트의 기공 직경(pore diameter) 분포를 나타낸 그래프이다. 이에 따르면, 활석에 마그네슘을 혼합하여 열처리함으로써 환원한 후 염산 용액을 이용하여 세척한 경우, 그러한 공정을 거치지 않은(pristine) 활석에 비하여 B.E.T. 표면적 및 기공의 크기가 뚜렷하게 증가하였음을 확인할 수 있다.
9 is a graph showing the BET surface area of silicon nanosheets with various Si: Mg molar ratios using talc and the BET surface area of the silicon nanosheets derived therefrom. 10 is a graph showing the pore diameter distribution of silicon nanosheets according to various Si: Mg molar ratios using talc. According to this, when the talc was mixed with magnesium and reduced by heat treatment and then washed with a hydrochloric acid solution, the BET surface area and pore size were significantly increased as compared with the pristine talc.

실시예Example 5 : 층상  5: Layered 박리된Peeled 점토를 이용한 실리콘 나노시트의 제조 Manufacture of Silicon Nanosheet Using Clay

본 실시예에서는, 라포나이트 및 벤토나이트 (Aldrich)를 층상 박리시킨 후, 이를 이용하여 실리콘 나노시트를 제조하여 그 특성을 각각 분석하였다. 먼저, 0.2 중량%의 라포나이트 및 벤토나이트 수용성 분산액을 각각 준비하였다. 상기 분산액을 24 시간 동안 강하게 교반시킨 후, 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 이후, 상기 초음파 처리된 상기 분산액을 동결 건조함으로써, 박리된 라포나이트 및 박리된 벤토나이트를 각각 수득하였다. 활석 대신 상기 박리된 라포나이트 및 박리된 벤토나이트가 각각 사용되었다는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 공정에 의하여 실리콘 나노시트를 제조하였다.In this embodiment, laponite and bentonite (Aldrich) were delaminated, and then silicon nanosheets were prepared and their characteristics were analyzed. First, 0.2% by weight of laponite and bentonite aqueous dispersion were prepared, respectively. The dispersion was stirred vigorously for 24 hours and then sonicated for 1 hour. Thereafter, the ultrasonic treated dispersion was lyophilized to obtain separated laponite and exfoliated bentonite, respectively. Silicon nanosheets were prepared by the same procedure as in Example 3, except that the exfoliated laponite and exfoliated bentonite were used instead of talc, respectively.

도 11의 a는 초음파 처리 후 동결건조된 라포나이트의 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)이미지이고, 도 11의 b는 초음파 처리된 라포나이트의 틴들 효과를 나타낸 사진이며, 도 11의 c는 동결건조된, 박리된 라포나이트의 사진이다.11 (a) is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image of lyophilized laponite after ultrasonic treatment, and Fig. 11 (b) is a photograph showing a tin effect of ultrasonicated laponite , And Fig. 11 (c) is a photograph of lyophilized, peeled laponite.

도 12의 a는 초음파 처리 후 동결건조된 벤토나이트의 FE-SEM 이미지이고, 도 12의 b는 초음파 처리된 벤토나이트의 틴들 효과를 나타낸 사진이며, 도 12의 c는 동결건조된, 박리된 벤토나이트의 사진이다.Fig. 12 (a) is an FE-SEM image of freeze-dried bentonite after ultrasonic treatment, Fig. 12 (b) is a photograph showing a tin effect of ultrasonic treated bentonite, to be.

도 13의 a는 박리된 라포나이트의 TEM 이미지이고, 도 13의 b는 박리된 라포나이트의 제한시야 전자회절분석(SAED, acceleration voltage 200 kV, FEI-TecnaiG2 F20 microscope, FEI company) 패턴을 나타내는 것이다. 일반적으로 라포나이트의 직경은 약 25 nm로 알려져 있는데, 도 13의 a에 따르면 약 20 nm, 약 40 nm 등의 크기를 가지는 라포나이트 입자가 관찰되었다. Fig. 13a shows a TEM image of the peeled laponite, and Fig. 13b shows a pattern of a limited field electron diffraction (SAED, acceleration voltage 200 kV, FEI-TecnaiG2 F20 microscope, FEI company) . In general, the diameter of laponite is known to be about 25 nm. According to FIG. 13a, laponite particles having a size of about 20 nm, about 40 nm, and the like are observed.

도 14의 a는 박리된 벤토나이트의 TEM 이미지이고, 도 14의 b는 박리된 벤토나이트의 SAED 패턴을 나타내는 것이다. 도 14의 a에 따르면, 약 40 nm 이상의 크기를 가지는 벤토나이트 입자가 관찰되었다.Fig. 14 (a) is a TEM image of exfoliated bentonite, and Fig. 14 (b) is a SAED pattern of exfoliated bentonite. According to Fig. 14a, bentonite particles having a size of about 40 nm or more were observed.

도 15의 a는 박리 및 동결건조된 라포나이트 및 박리되지 않은 라포나이트의 XRD 패턴을 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 15의 b는 박리 및 동결건조된 벤토나이트 및 박리되지 않은 벤토나이트의 XRD 패턴을 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 15의 a 및 b에 나타난 바에 따르면, 박리 및 동결건조 후 대체적으로 피크의 크기가 감소하였다. 다만, XRD 피크가 같은 위치에서 나타난 것으로 보아, 동결건조 과정에서 재적층(restacking)이 일어나는 것으로 분석되었다.15 (a) is a graph comparing XRD patterns of exfoliated and lyophilized laponite and non-exfoliated laponite, and FIG. 15 (b) shows the XRD patterns of exfoliated and lyophilized bentonite and exfoliated bentonite Fig. As shown in Figs. 15 (a) and 15 (b), the peaks generally decreased in size after peeling and freeze-drying. However, when the XRD peak appeared at the same position, it was analyzed that restacking occurred in the lyophilization process.

도 16의 a는 활석 대신 박리된 라포나이트가 사용되었다는 것을 제외하고 상기 실시예 3과 동일한 방법에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 XRD 패턴을 나타낸 것이며, 도 16의 b는 활석 대신 박리된 벤토나이트가 사용되었다는 것을 제외하고 상기 실시예 3과 동일한 방법에 따라 제조된 실리콘 나노시트의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 도 16의 a 및 b에 나타난 바에 따르면, 환원 후에 실리콘이 생성되었음을 확인하였다. 벤토나이트의 경우에는, 점토가 가지는 다양한 금속 원소에 의하여 실리콘 이외의 물질의 피크도 관찰되었다.
16A shows an XRD pattern of a silicon nanosheet prepared according to the same method as that of Example 3 except that laponite removed instead of talc was used, and FIG. 16B shows that the removed bentonite was used instead of talc The XRD patterns of the silicon nanosheets prepared in the same manner as in Example 3 are shown. 16A and 16B, it was confirmed that silicon was generated after the reduction. In the case of bentonite, peaks of materials other than silicon were also observed by various metal elements of the clay.

실시예Example 6 : 제조된 실리콘 나노시트를 이용한 정전류 테스트( 6: Constant current test using fabricated silicon nanosheets ( galvanostaticgalvanostatic testtest ))

본 실시예에서는, Si : Mg의 몰 비율이 1 : 2인 마그네슘 파우더와 활석의 혼합물을 상기 실시예에 기재된 방법에 따라 열처리 및 0.5 M 염산 용액에서의 세척을 수행한 후, 충방전시험기 (MACCOR SERIES 4000)를 이용하여 정전류 테스트를 수행하였다.In this embodiment, a mixture of magnesium powder and talc having a molar ratio of Si: Mg of 1: 2 was subjected to heat treatment and washing in a 0.5 M hydrochloric acid solution according to the method described in the above example, SERIES 4000) was used for the constant current test.

활물질로서는 활석으로부터 제조된 실리콘 나노시트를 사용하였고, 상기 실리콘 나노시트 : 전도성 개량제인 Super P : PAA(polyacrylic acid)를 50 : 35 : 15의 중량비로 에탄올 내에서 혼합한 후 이를 구리 호일에 도포하였다. 이어서, 상기 도포된 혼합 물질을 100℃에서 4 시간 동안 건조한 후, 2016 셀(cell)로 조립하였다. 테스트 셀(test cell)의 상대 전극으로는 리튬 금속 호일을 사용하였으며, 분리막(separator)으로는 Celgard2500 (Celgard)를 사용하였다. 전해질로는 1 M LiPF6 (EC/DEC = 1/1 (v/v), 솔브레인)를 사용하였다.Silicon nanosheets prepared from talc were used as the active material, and the silicon nanosheets: Super P: PAA (polyacrylic acid) as a conductivity improver were mixed in ethanol at a weight ratio of 50: 35: 15, and then coated on copper foil . Subsequently, the applied mixed material was dried at 100 DEG C for 4 hours and then assembled into 2016 cells. A lithium metal foil was used as a counter electrode of the test cell, and Celgard 2500 (Celgard) was used as a separator. As the electrolyte, 1 M LiPF 6 (EC / DEC = 1/1 (v / v), Solbrain) was used.

먼저 전류밀도의 변화에 따라 전지 용량이 어느 정도로 유지되는지 여부를 확인하기 위하여, 서로 다른 전류밀도 하에서의 충방전 실험을 진행하였다. 255 mA/g (0.061 C) 및 68 mA/g (0.016 C)의 전류밀도에서 0.01 V가 될 때까지 방전시키고, 255 mA/g으로 1.0 V가 될 때까지 충전한 후, 1 분간 휴식하는 사이클을 20 회 반복하였다 (도 17 및 도 18). First, charge and discharge experiments under different current densities were carried out in order to confirm to what extent the battery capacity was maintained in accordance with the change of the current density. The battery was discharged at a current density of 255 mA / g (0.061 C) and 68 mA / g (0.016 C) until it reached 0.01 V, charged at 255 mA / g to 1.0 V, Was repeated 20 times (Figs. 17 and 18).

도 17 및 도 18에서 전지의 용량을 측정한 그래프를 보면, 첫 번째 방전 단계 (첫 번째 사이클, 1로 표시된 곡선) 이후와 두 번째 방전 단계 (두 번째 사이클, 2로 표시된 곡선) 이후의 충방전 용량이 거의 비슷하게 유지되었다. 특히, 도 17에 나타난 바에 따르면 두 번째 사이클 이후에도 800 mAh/g 정도로 안정적인 용량을 유지하였다. 이에, 본원의 실리콘 나노시트는 사이클이 반복되어도 용량이 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한, 방전(lithiation) 및 충전(delithiation) 단계에서 0.5 V 이하의 낮은 전압에서 리튬의 탈삽입이 일어난다는 것을 확인하였다.17 and 18, a graph showing the capacity of the battery is obtained as follows. Charge-discharge after the first discharge cycle (first cycle, curve indicated by 1) and after the second discharge cycle (second cycle, The capacity remained nearly similar. In particular, as shown in FIG. 17, the capacity was maintained at about 800 mAh / g even after the second cycle. Thus, it was confirmed that the capacity of the silicon nanosheet of the present invention was maintained even if the cycle was repeated. Also, it was confirmed that the lithium intercalation occurs at a low voltage of 0.5 V or less in the lithiation and delithiation steps.

또한, 도 17 및 도 18에서 포텐셜(potential) 그래프를 보면, 다양한 비가역적 반응이 진행되는 첫 번째 사이클과 두 번째 사이클의 충전 곡선이 유사하므로, 이후의 사이클에서도 유사한 경향을 보일 것으로 예상된다. 일반적으로, 전류밀도가 증가함에 따라 물질의 전기적 용량이 줄어들게 되는데, 따라서 전류밀도가 달라짐에 따라 얼마나 용량이 달라지는지 알 수 있다. 작은 전류밀도로 충방전 시 비교적 큰 충방전 용량을 가지게 되는데, 도 17 및 도 18에 나타난 바를 보면 큰 전류밀도로 충방전한 경우에도 작은 전류밀도로 충방전한 경우와 큰 차이 없는 용량을 가지므로, 본원의 실리콘 나노시트는 고용량으로 빠른 충방전이 가능한 물질임을 확인할 수 있었다.In FIGS. 17 and 18, the potential curve is similar to that in the subsequent cycles because the charge curve of the first cycle and the second cycle in which various irreversible reactions proceed is similar. Generally, as the current density increases, the electrical capacity of the material decreases, and thus the capacity varies as the current density varies. 17 and 18 show that even when charging / discharging at a large current density, the capacity is not significantly different from that in the case of charging / discharging at a small current density, since the charging / discharging at a small current density has a relatively large charging / discharging capacity , It can be confirmed that the silicon nanosheet of the present invention is a material capable of rapidly charging and discharging at a high capacity.

도 19에 나타난 바에 따르면, 20 회까지 충방전을 거듭하여도 상기 셀의 용량 변화가 매우 적었다. 이러한 결과는, 본원의 실리콘 나노시트를 음극 활물질로서 포함하는 셀이 충방전을 거듭하여도 그 용량을 안정적으로 유지한다는 것을 보여준다.
As shown in FIG. 19, even when charging / discharging was repeated up to 20 times, the capacity change of the cell was extremely small. These results show that a cell containing the present silicon nano-sheet as a negative electrode active material stably maintains its capacity even after repeated charging and discharging.

실시예Example 7 :  7: 라포나이트를Laponite 이용한 실리콘  Used silicon 나노물질의Nanomaterial 제조 -  Produce - 재적층Reclamation

2 g/L 농도로 증류수 내에 분산시킨 라포나이트 서스펜션(suspension) 500 mL을 12 시간 동안 교반하여 상기 라포나이트를 박리시켰다. 이어서, 상기 박리된 라포나이트를 포함하는 콜로이드에 Mg2 +를 첨가하여 상기 박리된 라포나이트를 재적층(restacking)시켰다. 구체적으로, 상기 라포나이트는 층간에 Na+ 이온을 포함하므로, 상기 라포나이트에 포함된 총 Na+ 이온을 대체할 정도의 전하량을 가지는 Mg2 +량을 환산하여 그 값을 계산하고, 그 두 배 정도의, 즉 과량의 MgCl2 를 상기 콜로이드에 첨가하였다. 본 실시예에서는 라포나이트 0.2 g을 포함하는 100 mL 콜로이드에 3.5 M MgCl2 수용액 20 mL를 첨가하고, 12 시간 동안 교반하며 재적층시켜 상기 콜로이드를 분말화시켰다 .500 mL of a laponite suspension dispersed in distilled water at a concentration of 2 g / L was stirred for 12 hours to peel the laponite. It was then enrolled layer (restacking) the exfoliated Laponite by the addition of Mg 2 + a colloid comprising a peeling the Laponite. Specifically, the Laponite Since the interlayer comprises a Na + ion, in terms of the total Mg 2 + quantity with the amount of the electric charges on the degree to replace the Na + ions contained in the Laponite and calculate its value, the double enough, that is, it was added an excess amount of MgCl 2 to the colloid. In this Example, 20 mL of a 3.5 M MgCl 2 aqueous solution was added to a 100 mL colloid containing 0.2 g of laponite, and the colloid was pulverized by agitation for 12 hours with stirring.

상기 재적층된 분말을 수득하고, SiO2 : Mg 비율을 정하고, 상기 재적층된 분말과 Mg 분말을 혼합하였다. 구체적으로, 실리콘의 몰 수를 계산하여, 실리콘의 몰 수 대비 1 : 2 (SiO2 : Mg)의 비율로 Mg 분말을 혼합하고, 이후 30 분간 몰타르(mortar)를 이용하여 분쇄하며 혼합하였다. 이어서, 자체 제작한 튜브 퍼니스(furnace)내에 상기 혼합물을 넣고, 3.3℃/분의 승온속도로 가열하여 5% H2/95% Ar 분위기에서 마그네시오써믹(magnesiothermic) 반응에 의하여 상기 혼합물에 포함된 실리카를 환원시켰다. 환원을 위한 가열 온도는 약 500℃ 내지 약 650℃로 다양화하였다. 환원이 완료된 상기 혼합물을 꺼내어, 상기 혼합물 1 g당 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반하여 에칭한 후, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거하고, 다시 새로운 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반하고, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거한 후, 증류수를 이용하여 세척하였다. 이어서, 200℃의 진공에서 12 시간 동안 건조하였다. 본 실시예에 의하여 제조된 실리콘 나노물질은 그래핀을 포함하므로, 산화그래핀을 첨가하지 않고 제조한 실리콘 나노물질에 비하여 어두운 색을 띄었다.
To obtain a powder, and the register roll layer, SiO 2: establish the Mg ratio, and mixed with the powder layer and the register roll Mg powder. Specifically, the number of moles of silicon was calculated, and the Mg powder was mixed at a ratio of 1: 2 (SiO 2 : Mg) to the number of moles of silicon, and then pulverized and mixed using a mortar for 30 minutes. Subsequently, the mixture was placed in a self-made tube furnace, heated at a heating rate of 3.3 ° C / min, and subjected to a magnesiothermic reaction in a 5% H 2 /95% The silica was reduced. The heating temperature for reduction varied from about 500 ° C to about 650 ° C. After completion of the reduction, the mixture was taken out, and the mixture was stirred with 500 mL of a 0.5 M hydrochloric acid solution per g of the mixture for 24 hours. The etching solution used was removed by centrifugation, and 500 mL of a fresh 0.5 M hydrochloric acid solution For 24 hours, and the used etching solution was removed by centrifugation and washed with distilled water. Then, it was dried in a vacuum of 200 캜 for 12 hours. Since the silicon nanomaterials prepared according to the present embodiment contain graphene, they are darker than the silicon nanomaterials prepared without adding the graphene oxide.

실시예Example 8 :  8 : 라포나이트를Laponite 이용한 실리콘  Used silicon 나노물질의Nanomaterial 제조 - 동결 건조 Manufacturing - Freeze-dried

5 g/L 농도의 라포나이트 서스펜션(suspension) 100 mL을 24 시간 교반하고 1 시간 동안 초음파분산기 (5510, Branson)를 이용하여 분산시키는 과정을 2 회 반복하여 상기 라포나이트를 박리시켰다. 이어서, 상기 박리된 라포나이트를 포함하는 콜로이드를 5 일간 동결 건조하여 분말화시켰다. 구체적으로, 상기 콜로이드를 액체질소를 이용하여 급속 냉각시킨 후, 동결 건조기 (Ilsin Boibase Freeze Dryer FD8508)내에서 -75℃, 5 mTorr의 환경에서 동결 건조를 진행하였다. 100 ml of a laponite suspension having a concentration of 5 g / L was stirred for 24 hours and dispersed using an ultrasonic disperser (5510, Branson) for 1 hour, and the laponite was peeled off twice. Then, the colloid containing the peeled laponite was lyophilized for 5 days to be pulverized. Specifically, the colloid was rapidly cooled using liquid nitrogen, and then freeze-dried in an environment of -75 ° C and 5 mTorr in a freeze dryer (Ilsin Boibase Freeze Dryer FD8508).

상기 동결 건조된 분말을 수득하고, SiO2 : Mg 몰 비율을 1 : 2로 하여, 상기 동결 건조된 분말과 Mg 분말을 상기 정해진 비율로 혼합하였다. 이어서, 자체 제작한 튜브 퍼니스(furnace)내에 상기 혼합물을 넣고, 3.3℃/분의 승온 속도로 가열하여 마그네시오써믹(magnesiothermic) 반응에 의하여 상기 혼합물에 포함된 실리카를 환원시켰다. 환원을 위한 가열 온도는 약 550℃ 내지 약 650℃로 다양화하였다. 환원이 완료된 상기 혼합물을 꺼내어, 상기 혼합물 1 g당 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반하여 에칭한 후, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거하고, 다시 새로운 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반한 후, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거하고, 이후 증류수를 이용하여 세척하였다. 이어서, 200℃의 진공에서 12 시간 동안 건조하였다.
The lyophilized powder was obtained and the lyophilized powder and the Mg powder were mixed at the above-mentioned ratio at a SiO 2 : Mg molar ratio of 1: 2. The mixture was then placed in a self-made tube furnace and heated at a rate of 3.3 ° C / min to reduce the silica contained in the mixture by a magnesiothermic reaction. The heating temperature for the reduction varied from about 550 ° C to about 650 ° C. After completion of the reduction, the mixture was taken out, and the mixture was stirred with 500 mL of a 0.5 M hydrochloric acid solution per g of the mixture for 24 hours. The etching solution used was removed by centrifugation, and 500 mL of a fresh 0.5 M hydrochloric acid solution After stirring for 24 hours, the etching solution used was removed by centrifugation and then washed with distilled water. Then, it was dried in a vacuum of 200 캜 for 12 hours.

실시예Example 9 :  9: 라포나이트를Laponite 이용하여 제조한 실리콘  Silicon produced by using 나노물질의Nanomaterial 특성 분석 Character analysis

본 실시예에서는, X-선 회절분석법 (D/max 2000vk, Rigaku 분말 X-선 회절분석기)을 이용하여 제조된 실리콘 나노물질의 특성을 분석하였다. 상기 실시예 7 및 실시예 8의 방법에 의하여 실리콘 나노물질들이 수득되었으나, 열처리 조건 및 Si : Mg 몰 비율 등에 따라 상기 실리콘 나노물질에 불순물이 일부 포함되거나 결정성이 달라질 수 있으므로, 이러한 특성들을 X-선 회절분석법을 이용하여 분석하였다. 도 20a 내지 도 20c는 라포나이트로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. SiO2 : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였으며, 도 20a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 20b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 20c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 열처리하여 수득된 실리콘 나노물질의 회절 패턴이다. 도 20a 및 도 20b에서는 뚜렷한 실리콘 피크들과 함께 비정질의 실리콘 산화물로 보이는 20˚에서 30˚사이의 넓고 완만한 피크가 관찰되었다. 도 20c에서는 뚜렷한 실리콘 피크들과 불순물로 추정되는 작은 피크들이 관찰되었다.In this example, characteristics of silicon nanomaterials prepared using X-ray diffraction analysis (D / max 2000vk, Rigaku powder X-ray diffractometer) were analyzed. Although the silicon nanomaterials were obtained by the methods of Examples 7 and 8, since the silicon nanomaterials may contain some impurities or have different crystallizabilities depending on the heat treatment conditions and the molar ratio of Si: Mg, - ray diffraction analysis. FIGS. 20A to 20C are cross-sectional diagrams showing the results of X-ray diffraction analysis of the silicon nanomaterials obtained by pulverizing the colloid containing the silica-containing material obtained from laponite by a re-layering method and reducing and etching it by a magnesio- Fig. The molar ratio of SiO 2 : Mg was 1: 2. Fig. 20 (a) was annealed at 550 캜 for 6 hours, Fig. 20 (b) was annealed at 600 캜 for 1 hour, It is the diffraction pattern of the material. In FIGS. 20A and 20B, a broad and gentle peak between 20 ° and 30 °, which is seen as amorphous silicon oxide, with distinct silicon peaks was observed. In FIG. 20C, distinct silicon peaks and small peaks, which are assumed to be impurities, were observed.

도 21a 내지 도 21c는 라포나이트로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원한 뒤 에칭을 수행하지 않고 수득한 실리콘 물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Si : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였으며, 도 21a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 21b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 21c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 열처리하여 수득된 실리콘 물질의 회절 패턴이다. 도 21a 내지 도 21c를 통해 라포나이트를 재적층한 물질은 마그네시오써믹 반응을 통해 실리콘 나노물질, MgO, Mg2Si 및 약간의 불순물을 포함하는 물질로 변화하였음을 관찰하였다. FIGS. 21A to 21C are diagrams showing a state in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite is pulverized by a re-lamination method, reduced through a magnesioamic reaction, and then subjected to X- Ray diffraction analysis. The molar ratio of Si: Mg was 1: 2. Fig. 21a shows the results of the heat treatment at 550 DEG C for 6 hours, Fig. 21B shows the heat treatment at 600 DEG C for 1 hour, Diffraction pattern. 21A to 21C, it was observed that the material having re-deposited laponite changed into a material containing silicon nano material, MgO, Mg 2 Si and some impurities through magnesioamic reaction.

상기 실험 결과들로부터, 에칭 공정을 수행함으로써 환원된 실리콘 물질 내의 불순물들이 대부분 제거되어 실리콘 나노물질들만이 주로 남겨지게 됨을 확인하였다.From the above experimental results, it was confirmed that most of the impurities in the reduced silicon material were removed by performing the etching process, so that only the silicon nanomaterials were mainly left.

전기화학적 특성은 Maccor 2000 series 충방전기를 이용 하여 퍼텐셜 레인지(potential range) 0.01 V 내지 1 V, 210 mA/g (0.05 C)의 조건에서 실험하여 분석하였다. 이때, 전해질로서 1 M LiPF6 (in EC/DEC 1:1 volume ratio)에 배터리 애노드(anode)의 안정성을 증가시켜주는 첨가제인 F1EC를 3 부피% 첨가하여 사용하였다. The electrochemical properties were analyzed by using a Maccor 2000 series charge / discharge device under the conditions of potential range of 0.01 V to 1 V and 210 mA / g (0.05 C). At this time, 3 vol% of F1EC, which is an additive for increasing the stability of a battery anode, was added to 1 M LiPF 6 (in EC / DEC 1: 1 volume ratio) as an electrolyte.

도 22a 내지 도 22c는 라포나이트로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 550℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 22a는 용량 보존(capacity retention), 도 22b는 속도 특성(rate capability), 도 22c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 18 사이클 후에 약 6%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.FIGS. 22A to 22C are diagrams showing a state in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite is pulverized by a re-laminating method, followed by reduction and etching at 550 DEG C for 6 hours by a magnesium- And the electrochemical characteristics of the polymer electrolyte membrane were measured. FIG. 22A is a graph showing measured capacity retention, FIG. 22B is a rate capability, and FIG. 22C is a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 6% was observed after 18 cycles.

도 23a 내지 도 23c는 라포나이트로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 600℃에서 1 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 23a는 용량 보존(capacity retention), 도 23b는 속도 특성(rate capability), 도 23c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 17 사이클 후에 약 4%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.FIGS. 23A to 23C are diagrams showing a case in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite is pulverized by a re-layering method, followed by reduction at 600.degree. C. for 1 hour by a magnesium- And the electrochemical characteristics of the polymer electrolyte membrane were measured. FIG. 23A is a graph showing measured capacity retention, FIG. 23B is a rate capability, and FIG. 23C is a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 4% after 17 cycles was observed.

도 24a 내지 도 24b는 라포나이트로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 650℃에서 3 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 24a는 용량 보존(capacity retention), 도 24b는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 50 사이클 후 약 70%의 용량 손실이 관찰되었다. 24A to 24B are graphs showing the relationship between the amount of the silica nanomaterials obtained by laminating the colloid containing the silica-containing material obtained from the laponite by the re-layering method, reducing it at 650 DEG C for 3 hours by the magnesio- And the electrochemical characteristics of the polymer electrolyte membrane were measured. FIG. 24A is a graph showing the capacity retention, and FIG. 24B is a graph showing a measured charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 70% was observed after 50 cycles.

도 25a는 라포나이트로부터 수득한 실리카 함유 콜로이드를 동결 건조 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 온도와 시간을 달리하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 상단 그래프는 550℃에서 3 시간 동안, 중단 그래프는 525℃에서 6 시간 동안, 하단 그래프는 525℃에서 3 시간 동안 각각 열처리하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 물질의 회절 패턴이다. 525℃에서 3 시간 동안, 및 525℃에서 6 시간 동안 반응시킨 실리콘 물질의 회절 패턴에서는 뚜렷한 실리콘 피크들과 함께 비정질의 실리콘 산화물로 보이는 20˚에서 30˚사이의 넓고 완만한 피크를 관찰할 수 있었다. 550℃에서 3 시간 동안 반응시킨 실리콘 물질의 회절 패턴에서는 뚜렷한 실리콘 피크들을 관찰할 수 있었다.25A is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of silicon nanomaterials obtained by pulverizing silica-containing colloids obtained from laponite by a freeze-drying method, reducing and etching the particles by temperature and time by a magnesioamic reaction Fig. The upper graph is the diffraction pattern of the silicon material obtained by annealing at 550 ° C for 3 hours, the interruption graph at 525 ° C for 6 hours, and the lower graph at annealing at 525 ° C for 3 hours. The diffraction pattern of the silicon material reacted at 525 ° C for 3 hours and at 525 ° C for 6 hours showed a broad and gentle peak between 20 ° and 30 °, which appears to be amorphous silicon oxide, with distinct silicon peaks . In the diffraction pattern of the silicon material reacted at 550 ° C for 3 hours, distinct silicon peaks were observed.

도 25b는 라포나이트로부터 수득한 실리카 함유 콜로이드를 동결 건조 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 525℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 용량 보존 분석 그래프이다. Si : Mg 비율은 1 : 2였으며, F1EC는 사용하지 않았다. 동결 건조 방법에 의하여 수득된 실리콘 나노물질은 재적층 방법에 의하여 수득된 실리콘 나노물질에 비하여 낮은 용량을 보였으나, 대신에 높은 안정성을 보였다.
25B is a graph showing the capacity preservation analysis of the silicon nanomaterial obtained by powdering the silica-containing colloid obtained from laponite by a freeze-drying method and reducing and etching at 525 DEG C for 6 hours by a magnesioamic reaction. Si: Mg ratio was 1: 2, and F1EC was not used. The silicon nanomaterials obtained by the freeze-drying method showed lower capacity than the silicon nanomaterials obtained by the re-layering method, but showed high stability instead.

실시예Example 10 :  10: 라포나이트Laponite  And 산화그래핀을Oxidized graphene 이용한 실리콘  Used silicon 나노물질의Nanomaterial 제조 ( Produce ( 재적층Reclamation ))

2 g/L 농도의 라포나이트 서스펜션(suspension) 500 mL을 18 시간 동안 교반하여 상기 라포나이트를 박리시켰다. 이어서, 상기 박리된 라포나이트를 포함하는 콜로이드에 수정된 허머스(modified Hummer's) 방법에 의하여 준비된 산화그래핀 0.05 중량%를 포함하는 서스펜션을 첨가하였다. 라포나이트를 포함하는 콜로이드에 첨가되는 산화그래핀의 양은 라포나이트에 포함된 실리콘의 중량과 비교하여 결정하였다. 라포나이트는 59.5 중량%의 SiO2를 포함하고, SiO2는 46.7 중량%의 실리콘을 포함하므로, 라포나이트는 27.8 중량%의 실리콘을 포함한다. 이를 감안하여, 최종 산물 (그래핀과 실리콘의 복합체)에 포함된 실리콘에 대한 그래핀 의 중량 비율이 각각 10%, 7.5%, 5%이 되도록 계산하여 첨가하였다. 본 실시예에서는 라포나이트 1 g을 포함하는 500 mL 서스펜션(suspension)에 산화그래핀 0.05 중량%를 포함하는 서스펜션을 각각 62 mL, 45 mL, 29 mL씩 첨가하고 3.6 mM MgCl2 용액 500 mL를 첨가한 후 12 시간 동안 교반하며 라포나이트와 산화그래핀을 함께 재적층하고 원심분리기를 이용하여 증류수로 세척한 후 50℃ 오븐에서 건조시켜 분말화시켰다. 500 mL of a laponite suspension having a concentration of 2 g / L was stirred for 18 hours to peel off the laponite. A suspension containing 0.05 wt% of the graphene oxide prepared by the modified Hummer's method was then added to the colloid containing the exfoliated laponite. The amount of graphene oxide added to the colloid containing laponite was determined relative to the weight of silicon contained in the laponite. The laponite contains 59.5 wt% SiO 2 , and the SiO 2 contains 46.7 wt% of silicon, so that the laponite contains 27.8 wt% of silicon. In view of this, the weight ratio of graphene to silicon contained in the final product (composite of graphene and silicon) was calculated to be 10%, 7.5%, and 5%, respectively. In this example, suspensions containing 0.05% by weight of graphene oxide are added to a 500 mL suspension containing 1 g of laponite in amounts of 62 mL, 45 mL and 29 mL, respectively, and 500 mL of 3.6 mM MgCl 2 solution is added And then agitated for 12 hours. Then, the laponite and the oxidized graphene were re-layered together, washed with distilled water using a centrifuge, and then dried in an oven at 50 ° C for pulverization.

상기 재적층된 분말을 수득하고, SiO2 : Mg 몰 비율을 1 : 2로 하여, 상기 재적층된 분말과 Mg 분말을 혼합하였다. 이어서, 자체 제작한 튜브 퍼니스(furnace)내에 상기 혼합물을 넣고, 3.3℃/분의 승온 속도로 가열하여 마그네시오써믹(magnesiothermic) 반응에 의하여 상기 혼합물에 포함된 실리카를 환원시켰다. 환원을 위한 가열 온도는 약 500℃ 내지 약 650℃로 다양화하였다. 환원이 완료된 상기 혼합물을 꺼내어, 상기 혼합물 1 g당 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반하여 에칭한 후, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거하고, 다시 새로운 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반한 후, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거하고, 이후 증류수를 이용하여 세척하였다. 이어서, 200℃의 진공에서 24 시간 동안 건조하였다. 본 실시예에 의하여 제조된 실리콘 나노물질은 그래핀을 포함하므로, 산화그래핀을 첨가하지 않고 제조한 실리콘 나노물질에 비하여 어두운 색을 띄었다.The re-laminated powder was obtained, and the re-deposited powder and Mg powder were mixed with SiO 2 : Mg molar ratio of 1: 2. The mixture was then placed in a self-made tube furnace and heated at a rate of 3.3 ° C / min to reduce the silica contained in the mixture by a magnesiothermic reaction. The heating temperature for reduction varied from about 500 ° C to about 650 ° C. After completion of the reduction, the mixture was taken out, and the mixture was stirred with 500 mL of a 0.5 M hydrochloric acid solution per g of the mixture for 24 hours. The etching solution used was removed by centrifugation, and 500 mL of a fresh 0.5 M hydrochloric acid solution After stirring for 24 hours, the etching solution used was removed by centrifugation and then washed with distilled water. Then, it was dried in a vacuum of 200 캜 for 24 hours. Since the silicon nanomaterials prepared according to the present embodiment contain graphene, they are darker than the silicon nanomaterials prepared without adding the graphene oxide.

도 26의 왼쪽 사진은 본 실시예에 따라 제조된 실리카-함유 콜로이드이며, 도 26의 오른쪽 사진은 본 실시예에 따라 제조된 분말화된 실리카-함유 물질이다.
26 is a silica-containing colloid prepared according to this embodiment, and the right photograph of FIG. 26 is a powdered silica-containing material produced according to this embodiment.

실시예Example 11 :  11: 라포나이트Laponite  And 산화그래핀을Oxidized graphene 이용하여 제조한 실리콘  Silicon produced by using 나노물질Nanomaterial 의 특성 분석 - Analysis of characteristics - 재적층Reclamation

본 실시예에서는, X-선 회절분석법을 이용하여 제조된 실리콘 나노물질의 특성을 분석하였다. In this example, characteristics of silicon nanomaterials prepared using X-ray diffraction analysis were analyzed.

(1) 실리콘 (1) Silicon 나노물질Nanomaterial 내에 함유된  Contained within 그래핀이Grapin 5 중량%인 경우 5% by weight

본 실시예에서는, 라포나이트 및 산화그래핀 용액을 이용하여 최종 산물 내의 그래핀의 질량비가 5 중량%가 되도록 제조한 실리콘 나노물질의 특성을 분석하였다.In this example, the characteristics of silicon nanomaterials prepared so that the mass ratio of graphene in the final product was 5 wt% by using laponite and oxidized graphene solution were analyzed.

도 27a 내지 도 27c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Si : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였다. 도 27a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 27b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 27c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 열처리한 후 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 분석 결과이다. 도 27a 내지 도 27c에서는 실리콘의 회절 패턴과 비정질의 실리콘 산화물로 보이는 20˚에서 30˚사이의 넓고 완만한 피크가 관찰되었다.FIGS. 27A to 27C are graphs showing the relationship between the X-ray diffraction intensity of the silicon nanomaterial obtained by pulverizing colloid containing silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene by re-lamination method and reducing and etching by magnesio- - ray diffraction analysis. The molar ratio of Si: Mg was 1: 2. 27A is an analysis result of silicon nanomaterials obtained by heat treatment at 550 DEG C for 6 hours, FIG. 27B at 600 DEG C for 1 hour and FIG. 27C at 650 DEG C for 3 hours, respectively, and then etching. 27A to 27C, a diffuse pattern of silicon and a broad and gentle peak between 20 DEG and 30 DEG appearing as amorphous silicon oxide were observed.

도 28a 내지 도 28c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원한 후 에칭을 수행하지 않고 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Si : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였다. 도 28a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 28b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 28c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 열처리하여 수득된 실리콘 물질의 회절 패턴이다. 도 28a와 도 28b에서 관찰되는 바에 따르면, 실리콘 나노물질, MgO, Mg2Si 및 약간의 불순물을 포함하는 물질이 생성되었음을 확인하였으며, 도 28c에서 관찰되는 바에 따르면, 실리콘 나노물질, MgO를 포함하는 물질이 생성되었음을 확인하였다. FIGS. 28A to 28C are diagrams showing the results obtained by pulverizing a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene by a re-lamination method, reducing it through a magnesioamic reaction, X-ray diffraction analysis of nanomaterials. The molar ratio of Si: Mg was 1: 2. Fig. 28A is a diffraction pattern of the silicon material obtained by heat treatment at 550 DEG C for 6 hours, Fig. 28B is at 600 DEG C for 1 hour, and Fig. 28C is at 650 DEG C for 3 hours. According to that observed in Figure 28a and Figure 28b, it was confirmed that the resulting material comprises silicon nano material, MgO, Mg 2 Si and some impurities, and reportedly observed in Figure 28c, including the silicon nano-material, MgO It was confirmed that the material was produced.

상기 실험 결과들로부터, 에칭 공정을 수행함으로써 환원된 실리콘 물질 내의 불순물들이 대부분 제거되어 실리콘 나노물질들만이 주로 남겨지게 됨을 확인하였다.From the above experimental results, it was confirmed that most of the impurities in the reduced silicon material were removed by performing the etching process, so that only the silicon nanomaterials were mainly left.

도 29a 내지 도 29c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 550℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 29a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 29b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 29c)이다. 도 29a에서는 약 300 nm의 실리콘 입자 위에 약 50 nm 이하의 실리콘 입자가 모여 있는 것을 확인하였다. 도 29b에서는 면간 거리가 0.30 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 29c에서는 실리콘의 결정에 의해 생기는 패턴을 확인하였다. 29A to 29C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-laminating method and then reduced and etched at 550 DEG C for 6 hours through a magnesio- (FIG. 29A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 29B), and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 29C) of a silicon nanomaterial. 29A, it is confirmed that silicon particles of about 50 nm or less are gathered on the silicon particles of about 300 nm. In Fig. 29B, a lattice of a silicon (111) plane with an interplanar distance of 0.30 nm was confirmed. In Fig. 29C, a pattern generated by crystal of silicon was confirmed.

도 30a 내지 도 30c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 600℃에서 1 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 30a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 30b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 30c)을 분석한 것이다. 도 30a에서는 약 500 nm의 큰 실리콘 입자 위에 약 100 nm 또는 약 50 nm 이하의 실리콘 입자들이 모여 있는 것을 확인하였다. 도 30b에서는 면간 거리가 0.31 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 30c에서는 실리콘의 결정에 의해 생기는 패턴을 확인하였다. 30A to 30C show that colloids containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene are pulverized by a re-layering method and then reduced and etched at 600 DEG C for 1 hour through a magnesio- (FIG. 30A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 30B), and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 30C) of a silicon nanomaterial. 30A, it is confirmed that silicon particles of about 100 nm or less and about 50 nm or less are gathered on a large silicon particle of about 500 nm. In Fig. 30 (b), a lattice of a silicon (111) plane with an interplanar distance of 0.31 nm was confirmed. In Fig. 30C, a pattern formed by the crystal of silicon was confirmed.

도 31a 내지 도 31c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 650℃에서 3 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 31a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 31b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 31c)을 분석한 것이다. 도 31a에서는 작은 입자들을 포함하지 않는 약 400 nm의 실리콘 입자를 확인하였다. 도 31b에서는 면간 거리가 0.30 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 31c에서는 실리콘의 결정 구조에 의해 생기는 패턴을 확인하였다. 31A to 31C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-laminating method, followed by reduction and etching at 650 DEG C for 3 hours through a magnesio- (FIG. 31A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 31B), and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 31C) of a silicon nanomaterial. In Fig. 31 (a), about 400 nm of silicon particles without small particles were identified. In Fig. 31B, a lattice of a silicon (111) face having an interplanar distance of 0.30 nm was confirmed. In Fig. 31C, a pattern formed by the crystal structure of silicon was confirmed.

도 32a 내지 도 32c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 N2 흡탈착 등온선 분석 결과이다. 도 32a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 32b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 32c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 환원하여 수득한 실리콘 나노물질을 분석한 것이다. 이로부터 도출된 실리콘 나노물질의 기공 크기는 도 32a는 약 10.8 nm 이하, 도 32b는 약 10.1 nm 이하, 및 도 32c는 약 10.7 nm 이하로 분석되었다.FIGS. 32A to 32C are graphs showing the relationship between the number of N atoms of the silicon nanomaterial obtained by pulverizing the colloid containing the silica-containing material obtained from laponite and the oxidized graphene by reallocation method, reducing and etching through the magnesioamic reaction, 2 adsorption / desorption isotherm analysis results. 32A is the analysis of the silicon nanomaterials obtained by reducing them at 550 DEG C for 6 hours, FIG. 32B for 600 DEG C for 1 hour, and FIG. 32C for 650 DEG C for 3 hours. The pore sizes of the silicon nanomaterials derived therefrom were analyzed to be less than about 10.8 nm in FIG. 32A, less than about 10.1 nm in FIG. 32B, and less than about 10.7 nm in FIG. 32C.

도 33a 내지 도 33c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 550℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 33a는 용량 보존(capacity retention), 도 33b는 속도 특성(rate capability), 도 33c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 50 사이클 후에 약 23%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.33A to 33C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-layering method and then reduced and etched at 550 DEG C for 6 hours through a magnesio- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 33A shows capacity retention, FIG. 33B shows a rate capability, and FIG. 33C shows a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 23% was observed after 50 cycles.

도 34a 내지 도 34c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 600℃에서 1 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 34a는 용량 보존(capacity retention), 도 34b는 속도 특성(rate capability), 도 34c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 48 사이클 후에 약 17%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.34A to 34C show that colloid containing silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by re-layering method and then reduced and etched at 600 DEG C for 1 hour through a magnesio- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 34A shows capacity retention, FIG. 34B shows a rate capability, and FIG. 34C shows a graph of measured charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 17% was observed after 48 cycles.

도 35a 내지 도 35c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 650℃에서 3 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 35a는 용량 보존(capacity retention), 도 35b는 속도 특성(rate capability), 도 35c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 40 사이클 후에 약 35%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.35A to 35C show that colloids containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene are pulverized by a re-layering method and then reduced and etched at 650 DEG C for 3 hours through a magnesio- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 35A is a graph showing measured capacity retention, FIG. 35B is a rate capability, and FIG. 35C is a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 35% was observed after 40 cycles.

(2) 실리콘 (2) Silicon 나노물질Nanomaterial 내에 함유된  Contained within 그래핀이Grapin 7.5 중량%인 경우 7.5% by weight

본 실시예에서는, 라포나이트 및 산화그래핀 용액을 이용하여 최종 산물 내의 그래핀의 질량비가 7.5 중량%가 되도록 제조한 실리콘 나노물질의 특성을 분석하였다.In this example, the characteristics of silicon nanomaterials prepared so that the mass ratio of graphene in the final product was 7.5 wt% by using laponite and oxidized graphene solution were analyzed.

도 36a 내지 도 36c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Si : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였다. 도 36a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 36b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 36c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 열처리한 후 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 분석 결과이다. 도 36a 내지 도 36c에서는 실리콘의 회절 패턴과 비정질의 실리콘 산화물로 보이는 20˚에서 30˚사이의 넓고 완만한 피크가 관찰되었다.FIGS. 36A to 36C are diagrams showing a state in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-layering method and then subjected to reduction by a magnetosimic reaction and X - ray diffraction analysis. The molar ratio of Si: Mg was 1: 2. 36A is an analysis result of silicon nanomaterials obtained by heat treatment at 550 DEG C for 6 hours, FIG. 36B at 600 DEG C for 1 hour, FIG. 36C at 650 DEG C for 3 hours, and then etching. 36A to 36C, a diffuse pattern of silicon and a broad and gentle peak between 20 [deg.] And 30 [deg.], Which is indicated by amorphous silicon oxide, were observed.

도 37a 내지 도 37c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원한 후 에칭하지 않고 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Si : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였다. 도 37a은 550℃에서 6 시간 동안, 도 37b는 600℃에서 1 시간 동안 각각 열처리하여 수득한 물질을 분석한 것이며, 이에 따르면 마그네시오써믹 반응을 통해 실리콘 나노물질, MgO, Mg2Si 및 약간의 불순물을 포함하는 물질이 생성되었음을 확인하였다. 도 37c는 650℃에서 3 시간 동안 열처리하여 수득된 실리콘 물질의 분석 결과이며, 이에 따르면 마그네시오써믹 반응을 통해 실리콘 나노물질, MgO를 포함하는 물질이 생성되었음을 확인하였다. 37A to 37C are cross-sectional views illustrating a method for producing a silicon nanomaterial according to the present invention, in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-laminating method and then reduced through a magnesiothermic reaction, X-ray diffraction analysis. The molar ratio of Si: Mg was 1: 2. FIG. 37A shows the result of analyzing the material obtained by heat treatment at 550 ° C. for 6 hours and FIG. 37B at 600 ° C. for 1 hour. According to the analysis, the silicon nano material, MgO, Mg 2 Si, It was confirmed that a substance containing impurities was generated. FIG. 37C shows the results of analysis of the silicon material obtained by heat treatment at 650 ° C for 3 hours. As a result, it was confirmed that silicon nano materials and MgO-containing materials were produced through the magnesioamic reaction.

상기 실험 결과들로부터, 에칭 공정을 수행함으로써 환원된 실리콘 물질 내의 불순물들이 대부분 제거되어 실리콘 나노물질들만이 주로 남겨지게 됨을 확인하였다.From the above experimental results, it was confirmed that most of the impurities in the reduced silicon material were removed by performing the etching process, so that only the silicon nanomaterials were mainly left.

도 38a 내지 도 38c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 550℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 38a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 38b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 38c)을 분석한 것이다. 도 38a에서는 작은 입자들을 포함하지 않는 약 400 nm의 실리콘 입자를 확인하였다. 도 38b에서는 면간 거리가 0.31 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 38c에서는 실리콘의 결정 구조에 의해 생기는 패턴이 관찰되었다.38A to 38C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-laminating method and then reduced and etched at 550 DEG C for 6 hours through a magnesio- (FIG. 38A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 38B) and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 38C) of a silicon nanomaterial. In Fig. 38A, about 400 nm of silicon particles not containing small particles were identified. In Fig. 38 (b), a lattice of a silicon (111) plane with an interplanar distance of 0.31 nm was confirmed. In Fig. 38C, a pattern caused by the crystal structure of silicon was observed.

도 39a 내지 도 39c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 600℃에서 1 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 39a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 39b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 39c)을 분석한 것이다. 도 39a에서는 작은 입자들을 거의 포함하지 않는 약 400 nm의 실리콘 입자를 확인하였다. 도 39b에서는 면간 거리가 0.30 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 39c에서는 실리콘의 결정 구조에 의해 생기는 패턴이 관찰되었다.39A to 39C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-laminating method, followed by reduction and etching at 600 DEG C for 1 hour through a magnesium- (FIG. 39A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 39B) and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 39C) of a silicon nanomaterial. In Fig. 39 (a), about 400 nm of silicon particles were observed which hardly contained small particles. In Fig. 39 (b), a lattice of a silicon (111) face having an interplanar distance of 0.30 nm was confirmed. In Fig. 39C, a pattern caused by the crystal structure of silicon was observed.

도 40a 내지 도 40c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 650℃에서 3 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 40a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 40b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 40c)을 분석한 것이다. 도 40a에서는 합성된 물질이 약 10 nm 이하의 작은 실리콘 입자부터 약 100 nm 이하의 실리콘 입자까지 다양한 크기의 작은 실리콘 입자들을 포함하는 것을 확인하였다. 도 40b에서는 면간 거리가 0.31 nm인 실리콘 (111)면의 격자가 관찰되었다. 도 40c에서는 실리콘의 결정 구조에 의해 생기는 패턴이 관찰되었다.40A to 40C show that colloids containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene are pulverized by a re-laminating method, followed by reduction and etching at 650 DEG C for 3 hours through a magnesio- (FIG. 40A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 40B) and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 40C) of a silicon nanomaterial. In FIG. 40a, it was confirmed that the synthesized material includes small silicon particles of various sizes ranging from small silicon particles of about 10 nm or less to silicon particles of about 100 nm or less. In Fig. 40B, a lattice of a silicon (111) plane with an interplanar distance of 0.31 nm was observed. In Fig. 40C, a pattern caused by the crystal structure of silicon was observed.

도 41a 내지 도 41c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 N2 흡탈착 등온선 분석 결과이다. 도 41a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 41b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 41c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 환원하여 수득한 실리콘 나노물질을 분석한 것이다. 이로부터 도출된 실리콘 나노물질의 기공 크기는 도 41a는 약 8.3 nm 이하, 도 41b는 약 8.7 nm 이하, 및 도 41c는 약 12.0 nm 이하로 분석되었다.Figs. 41A to 41C are diagrams showing the relationship between the number of N atoms of the silicon nanomaterial obtained by pulverizing a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene by a re-layering method, reducing and etching through a magnesioamic reaction, 2 adsorption / desorption isotherm analysis results. FIG. 41A is a graph showing the results of analysis of silicon nanomaterials obtained by reducing at 550.degree. C. for 6 hours, FIG. 41B at 600.degree. C. for 1 hour, and FIG. 41C at 650.degree. C. for 3 hours. The pore sizes of the silicon nanomaterials derived therefrom were analyzed to be about 8.3 nm or less in FIG. 41A, about 8.7 nm or less in FIG. 41B, and about 12.0 nm or less in FIG. 41C.

도 42a 내지 도 42c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 550℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 42a는 용량 보존(capacity retention), 도 42b는 속도 특성(rate capability), 도 42c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 50 사이클 후에 약 23%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.42A to 42C show that the colloid containing the silica-containing material obtained from laponite and the oxidized graphene is pulverized by the re-laminating method and then subjected to reduction and etching at 550 DEG C for 6 hours through a magnesium- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 42A is a graph showing the capacity retention, FIG. 42B is a rate capability, and FIG. 42C is a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 23% was observed after 50 cycles.

도 43a 내지 도 43c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 600℃에서 1 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 43a는 용량 보존(capacity retention), 도 43b는 속도 특성(rate capability), 도 43c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 50 사이클 후에 약 18%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.43A to 43C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-layering method and then reduced and etched at 600 ° C for 1 hour through a magnesium- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 43A is a graph showing measured capacity retention, FIG. 43B is a rate capability, and FIG. 43C is a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 18% was observed after 50 cycles.

도 44a 내지 도 44c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 650℃에서 3 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 44a는 용량 보존(capacity retention), 도 44b는 속도 특성(rate capability), 도 44c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 30 사이클 후에 약 39%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다44A to 44C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a reclamation method and then reduced and etched at 650 DEG C for 3 hours through a magnesioamic reaction And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 44A shows capacity retention, FIG. 44B shows a rate capability, and FIG. 44C shows a graph of measured charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 39% was observed after 30 cycles

(3) 실리콘 (3) Silicon 나노물질Nanomaterial 내에 함유된  Contained within 그래핀이Grapin 10 중량%인 경우  10% by weight

본 실시예에서는, 라포나이트 및 산화그래핀 용액을 이용하여 최종 산물 내의 그래핀의 질량비가 10 중량%가 되도록 제조한 실리콘 나노물질의 특성을 분석하였다.In this example, the characteristics of silicon nanomaterials prepared so that the mass ratio of graphene in the final product was 10 wt% using laponite and oxidized graphene solution were analyzed.

도 45a 내지 도 45c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응에 의하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Si : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였다. 도 45a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 45b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 45c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 열처리한 후 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 분석 결과이다. 도 45a 내지 도 45c에서는 실리콘의 회절 패턴과 비정질의 실리콘 산화물로 보이는 20˚에서 30˚사이의 넓고 완만한 피크가 관찰되었다.FIGS. 45A to 45C are diagrams showing a state in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-lamination method and then subjected to reduction by a magnetosimic reaction and X - ray diffraction analysis. The molar ratio of Si: Mg was 1: 2. 45A is the analysis result of the silicon nanomaterials obtained by heat treatment at 550 DEG C for 6 hours, FIG. 45B for 600 DEG C for 1 hour and FIG. 45C for 650 DEG C for 3 hours. 45A to 45C, a broad and gentle peak between 20 DEG and 30 DEG, which is seen as an amorphous silicon oxide, was observed in the diffraction pattern of silicon.

도 46a 내지 도 46c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원한 후 에칭하지 않고 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Si : Mg의 몰 비율은 1 : 2로 하였다. 도 46a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 46b는 600℃에서 1 시간 동안 각각 열처리하여 분석한 결과로서, 마그네시오써믹 반응을 통해 실리콘 나노물질, MgO, Mg2Si 및 약간의 불순물을 포함하는 물질이 생성되었음을 확인하였다. 도 46c는 650℃에서 3 시간 동안 열처리하여 분석한 결과로서, 실리콘 나노물질 및 MgO를 포함하는 물질이 생성되었음을 확인하였다.46A to 46C are diagrams showing a state in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-laminating method and then reduced through a magnesiothermic reaction, and then the silicon nanomaterial X-ray diffraction analysis. The molar ratio of Si: Mg was 1: 2. FIG. 46A shows the results of analysis by heat treatment at 550 ° C. for 6 hours and FIG. 46B at 600 ° C. for 1 hour. As a result of the analysis, the material including silicon nano material, MgO, Mg 2 Si and some impurities Was generated. Figure 46 (c) shows that silicon nano materials and MgO-containing materials were produced as a result of the heat treatment at 650 ° C for 3 hours.

상기 실험 결과들로부터, 에칭 공정을 수행함으로써 환원된 실리콘 물질 내의 불순물들이 대부분 제거되어 실리콘 나노물질들만이 주로 남겨지게 됨을 확인하였다.From the above experimental results, it was confirmed that most of the impurities in the reduced silicon material were removed by performing the etching process, so that only the silicon nanomaterials were mainly left.

도 47a 내지 도 47c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 550℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 47a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 47b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 47c)을 분석한 것이다. 도 47a에서는 그래핀 및 20 nm 이하의 작은 실리콘 입자들을 확인하였다. 도 47b에서는 면간 거리가 0.31 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 47c에서는 실리콘의 결정 구조에 의해 생기는 패턴이 확인되었다.47A to 47C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-layering method and then reduced and etched at 550 DEG C for 6 hours through a magnesioamic reaction (FIG. 47A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 47B) and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 47C) of a silicon nanomaterial. 47A shows graphene and small silicon particles of 20 nm or less. In Fig. 47B, a lattice of a silicon (111) face having an interplanar distance of 0.31 nm was confirmed. In Fig. 47C, a pattern caused by the crystal structure of silicon was confirmed.

도 48a 내지 도 48c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 600℃에서 1 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 48a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 48b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 48c)을 분석한 것이다. 도 48a에서는 약 20 nm 이하의 작은 실리콘 입자들을 확인하였다. 도 48b에서는 면간 거리가 0.31 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 48c에서는 실리콘의 결정 구조에 의해 생기는 패턴이 확인되었다.48A to 48C show that colloid containing silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by re-layering method and then reduced and etched at 600 DEG C for 1 hour through a magnesio- (FIG. 48A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 48B), and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 48C) of a silicon nanomaterial. 48A, small silicon particles of about 20 nm or less were identified. In Fig. 48B, a lattice of a silicon (111) plane with an interplanar distance of 0.31 nm was confirmed. In Fig. 48C, a pattern caused by the crystal structure of silicon was confirmed.

도 49a 내지 도 49c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 650℃에서 3 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 투과전자현미경 이미지 (도 49a), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 (도 49b), 및 제한시야전자회절(SAED) 패턴 (도 49c)을 분석한 것이다. 도 49a에서는 약 400 nm 실리콘 입자와 약 20 nm 정도의 작은 실리콘 입자들을 확인하였다. 도 49b에서는 면간 거리가 0.31 nm인 실리콘 (111)면의 격자를 확인하였다. 도 49c에서는 실리콘의 결정 구조에 의해 생기는 패턴이 확인되었다.49A to 49C show that colloids containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene are pulverized by a re-layering method, followed by reduction and etching at 650 DEG C for 3 hours through a magnesio- (FIG. 49A), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (FIG. 49B) and a limited field electron diffraction (SAED) pattern (FIG. 49C) of a silicon nanomaterial. 49A, about 400 nm silicon particles and silicon particles as small as about 20 nm are identified. In Fig. 49 (b), a lattice of a silicon (111) plane with an interplanar distance of 0.31 nm was confirmed. In Fig. 49C, a pattern caused by the crystal structure of silicon was confirmed.

도 50a 내지 도 50c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 N2 흡탈착 등온선 분석 결과이다. 도 50a는 550℃에서 6 시간 동안, 도 50b는 600℃에서 1 시간 동안, 도 50c는 650℃에서 3 시간 동안 각각 환원하여 수득한 실리콘 나노물질을 분석한 것이다. 이로부터 도출된 실리콘 나노물질의 기공 크기는 도 50a는 약 10.2 nm 이하, 도 50b는 약 11.2 nm 이하, 및 도 50c는 약 9.7 nm 이하로 분석되었다.FIGS. 50A to 50C are graphs showing the relationship between the number of N atoms of a silicon nanomaterial obtained by pulverizing a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene by a re-layering method, reducing and etching through a magnesioamic reaction, 2 adsorption / desorption isotherm analysis results. FIG. 50A is the analysis of the obtained silicon nanomaterials by reducing them at 550 DEG C for 6 hours, FIG. 50B for 600 DEG C for 1 hour, and FIG. 50C for 650 DEG C for 3 hours. The pore sizes of the silicon nanomaterials derived therefrom were analyzed to be about 10.2 nm or less in FIG. 50A, about 11.2 nm or less in FIG. 50B, and about 9.7 nm or less in FIG. 50C.

도 51a 및 도 51b는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 550℃에서 6 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 51a는 속도 특성(rate capability), 도 51b는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 다른 온도에서 열처리를 거친 물질의 경우와 비교하여 볼 때 속도 특성이 크게 다르지는 않으나, 상대적으로 낮은 용량을 가지고 있음을 확인하였다.Figures 51A and 51B show a method in which a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-layering method, followed by reduction and etching at 550 ° C for 6 hours through a magnesium- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 51A is a graph showing a rate capability and FIG. 51B is a graph showing a charge-discharge profile measured. As can be seen from the above graphs, the rate characteristics are not significantly different from those of the heat-treated materials at other temperatures, but they are confirmed to have a relatively low capacity.

도 52a 내지 도 52c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 600℃에서 1 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 52a는 용량 보존(capacity retention), 도 52b는 속도 특성(rate capability), 도 52c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 40 사이클 후에 약 32%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.FIGS. 52A to 52C show that a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by a re-layering method and then reduced and etched at 600 DEG C for 1 hour through a magnesium- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 52A shows a capacity retention, FIG. 52B shows a rate capability, and FIG. 52C shows a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 32% was observed after 40 cycles.

도 53a 내지 도 53c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 재적층 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 650℃에서 3 시간 동안 환원하고 에칭하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 53a는 용량 보존(capacity retention), 도 53b는 속도 특성(rate capability), 도 53c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 50 사이클 후에 약 11%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다.
53A to 53C show that colloid containing silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene is pulverized by re-layering method and then reduced and etched at 650 DEG C for 3 hours through a magnesio- And the electrochemical characteristics of a silicon nanomaterial are measured. FIG. 53A is a graph showing measured capacity retention, FIG. 53B is a rate capability, and FIG. 53C is a charge-discharge profile. As analyzed in the graphs, a capacity loss of about 11% was observed after 50 cycles.

실시예Example 12 :  12: 라포나이트Laponite  And 산화그래핀을Oxidized graphene 이용한 실리콘  Used silicon 나노물질의Nanomaterial 제조 - 동결 건조 Manufacturing - Freeze-dried

본 실시예에서는, 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 동결 건조 방법에 의하여 분말화한 뒤 환원시킴으로써 실리콘 나노물질을 제조하였다.In this Example, a colloid containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene was pulverized by a lyophilization method and then reduced to prepare a silicon nanomaterial.

5 g/L 농도의 라포나이트 서스펜션(suspension) 500 mL을 48 시간 동안 교반하여 상기 라포나이트를 박리시켰다. 이어서, 상기 박리된 라포나이트를 포함하는 콜로이드에 수정된 허머스(modified Hummer′s) 방법에 의하여 준비된 산화그래핀 0.05 중량%를 포함하는 서스펜션을 첨가하였다. 산화그래핀의 양은 라포나이트가 포함하는 실리콘의 중량과 비교하여 결정하였다. 라포나이트는 59.5 중량%의 SiO2를 포함하고, SiO2는 46.7 중량%의 Si를 포함하므로 라포나이트는 27.8 중량%의 실리콘을 포함한다. 이를 감안하여, 최종 산물인 실리콘 나노물질 (그래핀과 실리콘의 복합체)에 포함된 실리콘에 대한 그래핀의 중량 비율이 각각 6.5%, 10%, 12.5%가 되도록 계산하여 첨가하였다. 본 실시예에서는 산화그래핀 0.05중량%를 포함하는 콜로이드 30 mL에 분산된 라포나이트 170 mL를 첨가하거나, 산화그래핀 0.05중량%을 포함하는 콜로이드 45 mL에 분산된 라포나이트 155 mL를 첨가하거나, 산화그래핀 0.05 중량%를 포함하는 콜로이드 54 mL에 분산된 라포나이트 146 mL를 첨가하여 1 시간 동안 교반하였다. 이어서, 상기 혼합 콜로이드를 5 일간 동결 건조하여 분말화시켰다. 구체적으로, 상기 콜로이드를 액체질소를 이용하여 급속 냉각시킨 후, 동결 건조기 (Ilsin Boibase Freeze Dryer FD8508)내에서 -75℃, 5 mTorr의 환경에서 동결 건조를 진행하였다.500 mL of a laponite suspension having a concentration of 5 g / L was stirred for 48 hours to peel off the laponite. A suspension containing 0.05 wt% of the graphene oxide prepared by the modified Hummer's method was then added to the colloid containing the exfoliated laponite. The amount of graphene oxide was determined in comparison with the weight of silicon contained in the laponite. The laponite contains 59.5% by weight of SiO 2 , and the SiO 2 contains 46.7% by weight of Si, so that the laponite contains 27.8% by weight of silicon. In consideration of this, the weight ratio of graphene to silicon contained in the final product, silicon nanomaterial (a complex of graphene and silicon) was calculated to be 6.5%, 10%, and 12.5%, respectively. In this embodiment, 170 mL of laponite dispersed in 30 mL of colloid containing 0.05 wt% of oxidized graphene is added, or 155 mL of laponite dispersed in 45 mL of colloid containing 0.05 wt% of graphene oxide is added, 146 mL of laponite dispersed in 54 mL of a colloid containing 0.05 wt% of graphene oxide was added and stirred for 1 hour. Then, the mixed colloid was lyophilized and pulverized for 5 days. Specifically, the colloid was rapidly cooled using liquid nitrogen, and then freeze-dried in an environment of -75 ° C and 5 mTorr in a freeze dryer (Ilsin Boibase Freeze Dryer FD8508).

이후, SiO2 : Mg 몰 비율을 다양하게 하여, 상기 분말과 Mg 분말을 혼합하였다. 구체적으로, SiO2: Mg 몰 비율은 1 : 2, 1 : 2.5, 1 : 3, 및 1 : 4이었다. 이어서, 자체 제작한 튜브 퍼니스(furnace)내에 상기 혼합물을 넣고, 3.3℃/분의 승온속도로 가열하여 마그네시오써믹(magnesiothermic) 반응에 의하여 상기 혼합물에 포함된 실리카를 환원시켰다. 환원을 위한 가열 온도는 약 520℃ 내지 약 550℃로 다양화하였다. 환원 분위기는 5% H2 / 95% Ar 기체 분위기였으며 승온 후 3 시간 동안 온도를 유지하였다. 환원이 완료된 상기 혼합물을 꺼내어, 상기 혼합물 1 g당 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반하여 에칭한 후, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거하고, 다시 새로운 0.5 M 염산 용액 500 mL을 이용하여 24 시간 동안 교반한 후, 사용된 에칭 용액을 원심분리하여 제거하고, 증류수를 이용하여 세척하였다. 이어서, 180℃의 진공에서 24 시간 동안 건조하였다.
Thereafter, the powder was mixed with the Mg powder by varying the SiO 2 : Mg molar ratio. Specifically, SiO 2 : Mg molar ratios were 1: 2, 1: 2.5, 1: 3, and 1: 4. The mixture was then placed in a self-made tube furnace and heated at a rate of 3.3 ° C / min to reduce the silica contained in the mixture by a magnesiothermic reaction. The heating temperature for the reduction varied from about 520 ° C to about 550 ° C. The reducing atmosphere was 5% H 2 /95% Ar gas atmosphere and the temperature was maintained for 3 hours after the heating. After completion of the reduction, the mixture was taken out, and the mixture was stirred with 500 mL of a 0.5 M hydrochloric acid solution per g of the mixture for 24 hours. The etching solution used was removed by centrifugation, and 500 mL of a fresh 0.5 M hydrochloric acid solution After stirring for 24 hours, the used etching solution was removed by centrifugation and washed with distilled water. Then, it was dried in a vacuum of 180 캜 for 24 hours.

실시예Example 13 :  13: 라포나이트Laponite  And 산화그래핀을Oxidized graphene 이용하여 제조한 실리콘  Silicon produced by using 나노물질의Nanomaterial 특성 분석 Character analysis

본 실시예에서는 실리콘 나노물질 제조 시에 사용된 산화그래핀 용액의 농도, 및 환원 조건을 다양화하여 제조된 실리콘 나노물질들의 특성을 분석하였다.In this example, the concentration of the oxidized graphene solution used in the preparation of the silicon nanomaterial and the characteristics of the silicon nanomaterials prepared by varying the reducing conditions were analyzed.

도 54a 내지 도 54c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 동결 건조 방법에 의하여 분말화한 뒤 환원하여 수득한 실리콘 나노물질들의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 54a는 6.5 중량% 그래핀을 포함하는 실리콘 나노물질, 도 54b는 10 중량% 그래핀을 포함하는 실리콘 나노물질, 및 도 54c는 12.5 중량% 그래핀을 포함하는 실리콘 나노물질의 분석 결과이다. 54A to 54C are graphs showing the X-ray diffraction analysis results of the silicon nanomaterials obtained by pulverizing and colloidizing the colloid containing the silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene by the lyophilization method to be. FIG. 54A is a result of analysis of a silicon nanomaterial including 6.5 wt% graphene, FIG. 54B is a silicon nanomaterial including 10 wt% graphene, and FIG. 54C is an analysis result of silicon nanomaterial including 12.5 wt% graphene.

도 54a의 상단 그래프는 520℃에서 3 시간 동안 환원하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과이며, 이때 Si : Mg의 몰비는 1 : 2.5였고, 도 54a의 하단 그래프는 520℃에서 1 시간 30 분 동안 환원하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과이며, 이때 Si : Mg의 몰비는 1 : 2였다. The upper graph of FIG. 54A shows the results of X-ray diffraction analysis of the obtained silicon nanomaterials at 520 DEG C for 3 hours, wherein the molar ratio of Si: Mg was 1: 2.5, and the lower graph of FIG. Ray diffraction analysis of the silicon nanomaterial obtained by reduction for 30 minutes, wherein the molar ratio of Si: Mg was 1: 2.

도 54b의 상단 그래프는 550℃에서 3 시간 동안 환원하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과이며, 이때 Si : Mg의 몰비는 1 : 4였고, 도 54b의 하단 그래프는 550℃에서 3 시간 동안 환원하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과이며, 이때 Si : Mg의 몰비는 1 : 3이었다. The upper graph of FIG. 54B shows the results of X-ray diffraction analysis of the obtained silicon nanomaterials at 550 ° C. for 3 hours, wherein the molar ratio of Si: Mg was 1: 4, and the lower graph of FIG. X-ray diffraction analysis of the silicon nanomaterial obtained by reduction over time showed that the molar ratio of Si: Mg was 1: 3.

도 54c는 550℃에서 3 시간 동안 환원하여 수득한 실리콘 나노물질의 X-선 회절 분석 결과이며, 이때 Si : Mg의 몰비는 1 : 2였다. FIG. 54C shows X-ray diffraction analysis results of the silicon nanomaterial obtained by reduction at 550 ° C. for 3 hours, wherein the molar ratio of Si: Mg was 1: 2.

도 55a 내지 도 55c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 동결 건조 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 550℃에서 3 시간 동안 환원하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 실리콘 나노물질에 포함된 그래핀은 약 10 중량%이 되도록 제조하였으며, Si : Mg의 몰비는 1 : 4였다. 도 55a는 용량 보존(capacity retention), 도 55b는 속도 특성(rate capability), 도 55c는 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 도 55a에 의하여 F1EC의 함량에 따라 10 중량% 그래핀을 포함하는 실리콘 나노물질의 용량이 어떻게 변화하는지 비교하여 확인할 수 있었다. 하지만 이 결과는 완전히 F1EC 함량에 따라 다르게 나타나는 것으로는 보여지지 않았다. 전해질이 10% F1EC를 포함하는 경우 50 사이클 후에 약 12%의 용량 손실(capacity loss)이 관찰되었다. 도 55b와 도 55c에서는 높은 전류밀도에도 안정적인 용량과 안정적인 퍼텐셜 vs. 용량 그래프를 보여주었다.55A to 55C show that colloids containing a silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene are pulverized by a lyophilization method and then reduced at 550 DEG C for 3 hours through a magnesiothermic reaction to obtain a silicone And the electrochemical characteristics of the nanomaterial are measured. The graphene contained in the silicon nanomaterial was prepared to be about 10% by weight, and the molar ratio of Si: Mg was 1: 4. FIG. 55A is a graph showing measured capacity retention, FIG. 55B is a rate capability, and FIG. 55C is a charge-discharge profile. According to the analysis of the graphs, the capacity of the silicon nanomaterial including 10 wt% graphene varies according to the content of F1EC according to FIG. 55A. However, the results were not completely different depending on the F1EC content. A capacity loss of about 12% was observed after 50 cycles when the electrolyte contained 10% F1EC. 55B and 55C show the stable capacity and the stable potential vs. the high current density. Capacity graph is shown.

도 56a 내지 도 56c는 라포나이트 및 산화그래핀으로부터 수득한 실리카-함유 물질을 포함하는 콜로이드를 동결 건조 방법에 의하여 분말화한 뒤 마그네시오써믹 반응을 통하여 환원하여 수득한 실리콘 나노물질의 전기화학적 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 56a는 10 중량% 그래핀을 포함하며 Si : Mg의 몰비가 1 : 3인 조건 하에서 제조된 실리콘 나노물질의 용량 보존(capacity retention) 특성을 나타낸 것이고, 도 56b는 12.5 중량% 그래핀을 포함하며 Si : Mg의 몰비가 1 : 2인 조건 하에서 제조된 실리콘 나노물질을 F1EC 미포함 조건 하에서 분석한 속도 특성(rate capability)을 나타낸 것이고, 도 56c는 12.5% 그래핀을 포함하며 Si : Mg의 몰비가 1 : 2인 조건 하에서 제조된 실리콘 나노물질을 F1EC 미포함 조건 하에서 분석한 충방전 프로파일(charge-discharge profile)을 그래프로 나타낸 것이다. 상기 그래프들에서 분석된 바에 따르면, 0.05 C의 전류밀도로 충방전시 용량은 안정적이었으나, 약 600 mAh/g 으로 낮은 용량을 보였다.
56a to 56c are graphs showing the electrochemical characteristics of silicon nanomaterials obtained by pulverizing colloids containing silica-containing material obtained from laponite and oxidized graphene by a lyophilization method and reducing them through a magnesioamic reaction As shown in FIG. FIG. 56A shows the capacity retention characteristics of silicon nanomaterials prepared with a 10% by weight graphene and a molar ratio of Si: Mg of 1: 3, and FIG. 56B shows the capacity retention characteristics of 12.5% by weight graphene 56C shows the rate capability of the silicon nanomaterial prepared under the condition of Si: Mg molar ratio of 1: 2 under F1EC-free conditions. FIG. 56C shows the molar ratio of Si: Mg Is a graph showing the charge-discharge profile of a silicon nanomaterial prepared under the condition of 1: 2 under an F1EC-free condition. According to the above graphs, the capacity at the current density of 0.05 C was stable during charging and discharging, but the capacity was low at about 600 mAh / g.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (16)

점토(clay) 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리함으로써 상기 점토에 함유된 실리카를 실리콘 나노시트로 환원시키는 것을 포함하는,
실리콘 나노시트(silicon nanosheet)의 제조 방법.
Comprising reducing the silica contained in said clay to a silicon nanosheet by heat treating a mixture comprising clay and an alkaline earth metal,
Method of manufacturing silicon nanosheet.
제 1 항에 있어서,
상기 열처리된 혼합물을 산성 용액을 이용하여 에칭함으로써 상기 실리콘 나노시트를 수득하는 것을 추가로 포함하는, 실리콘 나노시트의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising obtaining the silicon nanosheet by etching the heat-treated mixture using an acidic solution.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 점토는 층상 점토를 포함하는 것인, 실리콘 나노시트의 제조 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the clay comprises a layered clay.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 점토는, 몬트모릴로나이트(montmorillonite), 논트로나이트(nontronite), 베이델라이트(beidellite), 벤토나이트(bentonite), 헥토라이트(hectorite), 라포나이트(laponite), 사포나이트(saponite), 소코나이트(sauconite), 버미큘라이트(vermiculite), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 스멕타이트족 광물을 포함하는 것인, 실리콘 나노시트의 제조 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The clay may be selected from the group consisting of montmorillonite, nontronite, beidellite, bentonite, hectorite, laponite, saponite, And a smectite-based mineral selected from the group consisting of sauconite, vermiculite, and combinations thereof.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열처리는 300℃ 내지 1,000℃, 바람직하게는 400℃ 내지 800℃, 더욱 바람직하게는 550℃ 내지 750℃의 온도 에서 수행되는 것인, 실리콘 나노시트의 제조 방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the heat treatment is carried out at a temperature of 300 ° C to 1,000 ° C, preferably 400 ° C to 800 ° C, more preferably 550 ° C to 750 ° C.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합물에 있어서 상기 점토에 함유된 규소 및 상기 알칼리토 금속의 몰 비율이 1 : 0.1 내지 1 : 10 , 바람직하게는 1 : 0.5 내지 1 : 5, 더욱 바람직하게는 1 : 0.5 내지 1 : 3인, 실리콘 나노시트의 제조 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The molar ratio of silicon contained in the clay and the alkaline earth metal in the mixture is 1: 0.1 to 1:10, preferably 1: 0.5 to 1: 5, more preferably 1: 0.5 to 1: 3 , A method for producing a silicon nanosheet.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 점토 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리하기 전에, 상기 점토에 알칼리토 금속의 양이온을 첨가하여 상기 점토를 재적층(restacking) 시키는 것, 또는 상기 점토를 동결 건조 시키는 것을 포함하는 것인, 실리콘 나노시트의 제조 방법.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Adding a cation of an alkaline earth metal to the clay before heat treating the mixture comprising the clay and the alkaline earth metal to restack the clay or lyophilizing the clay. Method of manufacturing silicon nanosheet.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 점토 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물은, 산화그래핀을 추가 포함하는 것인, 실리콘 나노시트의 제조 방법.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the mixture comprising the clay and the alkaline earth metal further comprises graphene oxide.
제 8 항에 있어서
상기 산화그래핀을 추가 포함하는 상기 점토 및 알칼리토 금속을 포함하는 혼합물을 열처리함으로써, 상기 점토에 함유된 실리카 및 상기 산화그래핀을 실리콘 나노시트 및 그래핀으로 각각 환원시킴으로써 실리콘과 그래핀을 함유하는 복합체를 형성하는 것을 포함하는, 실리콘 나노시트(silicon nanosheet)의 제조 방법.
The method of claim 8, wherein
The mixture of the clay and the alkaline earth metal, which further comprises the graphene oxide, is heat-treated to reduce the silica contained in the clay and the graphene oxide to silicon nano-sheet and graphene, respectively, To form a composite of a silicon nanosheet.
점토와 실질적으로 유사한 층상 구조를 포함하는, 실리콘 나노시트.
A silicon nanosheet comprising a layered structure substantially similar to clay.
제 10 항에 있어서,
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되는 것인, 실리콘 나노시트.
11. The method of claim 10,
A silicon nanosheet, which is produced by the method of any one of claims 1 to 9.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
BET 표면적이 20 m2/g 내지 300 m2/g 인, 실리콘 나노시트.
The method according to claim 10 or 11,
And a BET surface area of 20 m 2 / g to 300 m 2 / g.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
10 nm 내지 300 nm의 크기를 가지고 1 : 1 내지 1 : 10의 종횡비를 가지는, 실리콘 나노시트.
13. The method according to any one of claims 10 to 12,
A silicon nanosheet having a size of 10 nm to 300 nm and an aspect ratio of 1: 1 to 1:10.
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실리콘 나노시트는 카본블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 활성 탄소(active carbon), 탄소 나노튜브(CNT), 그래파이트(graphite), 그래핀, 및 이들의 모든 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전도성 탄소화합물과 혼성화된 것인, 실리콘 나노시트.
14. The method according to any one of claims 10 to 13,
The silicon nanosheets may be formed of a material selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, active carbon, carbon nanotube (CNT), graphite, graphene, &Lt; / RTI &gt; wherein at least one of the carbon nanotubes is hybridized with at least one conductive carbon compound.
제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 실리콘 나노시트를 포함하는, 전극.
14. An electrode comprising a silicon nanosheet according to any one of claims 10 to 14.
제 15 항에 따른 전극을 포함하는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 및 전해질을 포함하는, 리튬 이온 전지.A lithium ion battery comprising an anode, a cathode, and an electrolyte comprising an electrode according to claim 15.
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