KR20170095622A - Method of making graphite for battery anode material using microwave - Google Patents

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KR20170095622A
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김태원
조창신
이진우
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for producing graphite, comprising the following steps: preparing carbon powder; mixing carbon powder and metal particles, so as to prepare a carbon-metal mixture; applying microwave to the carbon-metal mixture so as to acquire graphite-metal mixture; removing metal from the graphite-metal mixture so as to obtain graphite; and conducting reduction with graphite. In addition, the method for producing graphite further comprises the following steps: preparing a mixture of metal particles and carbon powder; applying microwave to the mixture so as to acquire graphite; and removing residual metal through acid treatment to graphite. Through the graphite production method using microwave, it is possible to obtain graphite for battery negative electrode materials from amorphous carbon.

Description

마이크로웨이브를 이용한 전지 음극제용 흑연 제조 방법{METHOD OF MAKING GRAPHITE FOR BATTERY ANODE MATERIAL USING MICROWAVE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for manufacturing graphite for battery cathodes using a microwave,

본 발명은 마이크로웨이브를 이용하여 비정질 탄소로부터 전지 음극제용 흑연을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing graphite for battery cathodes from amorphous carbon using microwaves.

흑연은 상용 배터리의 음극제로 가장 일반적으로 사용되는 물질로, 배터리 산업과 에너지 저장 분야에서 매우 중요한 위치에 있다. 하지만, 계속되는 수요의 증가로 인하여 천연 흑연은 공급 위기 물질 (Supply Risk Material)로 분류되어 있다.Graphite is the most commonly used anode material for commercial batteries, and is in a very important position in the battery and energy storage sectors. However, natural graphite is classified as a Supply Risk Material due to the continuous increase in demand.

인조 흑연의 제조는 탄소 재료를 3000℃ 열처 하는 흑연화 공정을 통해 이루어지는데, 일반적으로 사용되는 전기로의 경우 반응기 내부의 대기를 먼저 가열해야 하고, 느린 열전달 방식의 전도와 대류를 이용하기 때문에 에너지, 시간적인 낭비가 심하다. 따라서 대체적이고 효율적인 배터리 음극제 특성을 갖는 흑연 제조 방식이 필요하다. Artificial graphite is produced through a graphitization process in which a carbon material is heat-treated at 3000 ° C. In an electric furnace, which is generally used, the atmosphere inside the reactor must be heated first. Since slow conduction and convection are utilized, There is a waste of time. Therefore, there is a need for a graphite manufacturing method having alternative and efficient properties of battery cathodes.

한국공개특허 제2010-0122082호Korea Patent Publication No. 2010-0122082

본 발명의 목적은 마이크로웨이브를 이용하여 비정질 탄소로부터 배터리 음극제 특성을 갖는 흑연을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a method for producing graphite having battery anode characteristics from amorphous carbon using microwaves.

상기 본 발명의 목적은, 카본 분말을 마련하는 단계, 카본 분말에 금속 입자를 혼합하여 카본-금속 혼합물 마련하는 단계, 카본-금속 혼합물에 마이크로웨이브를 가하여 흑연-금속 혼합물을 얻는 단계, 흑연-금속 혼합물에서 금속을 제거하여 흑연을 얻는 단계 및 흑연을 환원 처리하는 단계를 포함하는 흑연 제조방법에 의해 달성된다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a graphite-metal composite, which comprises the steps of: providing a carbon powder; preparing a carbon-metal mixture by mixing metal particles with carbon powder; Removing the metal from the mixture to obtain graphite, and reducing the graphite.

카본 분말은 활성탄을 포함할 수 있다.The carbon powder may contain activated carbon.

금속은 전이금속을 포함할 수 있다.The metal may comprise a transition metal.

전이금속은 니켈, 구리, 코발트 및 철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The transition metal may include at least one of nickel, copper, cobalt and iron.

카본-금속 혼합물은 상기 카본 분말과 금속을 액상에서 혼합하여 마련할 수 있다.The carbon-metal mixture may be prepared by mixing the carbon powder and the metal in a liquid phase.

액상에서 혼합된 카본-금속 혼합물을 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.And drying the mixed carbon-metal mixture in the liquid phase.

금속은 금속 할라이드로부터 얻어질 수 있으며, 금속 할라이드는 니켈 클로라이드, 염화동 및 염화철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal may be obtained from a metal halide, and the metal halide may include at least one of nickel chloride, copper chloride and iron chloride.

금속은 금속 아세테이트로부터 얻어질 수 있으며, 금속 아세테이트는 니켈 아세테이트, 아세트산 구리 및 아세트산 철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal may be obtained from a metal acetate, and the metal acetate may include one or more of nickel acetate, copper acetate and iron acetate.

마이크로웨이브는 비활성 가스 분위기에서 인가될 수 있다.The microwave can be applied in an inert gas atmosphere.

금속 제거는 산 용액을 이용하여 수행될 수 있다.Metal removal can be performed using an acid solution.

산 용액은 염산을 포함할 수 있다.The acid solution may comprise hydrochloric acid.

환원 반응은 수소를 이용하여 수행될 수 있다.The reduction reaction can be performed using hydrogen.

상기 본 발명의 또 다른 목적은, 카본 분말과 금속 입자의 혼합물을 마련하는 단계, 혼합물에 마이크로웨이브를 가하여 흑연을 얻는 단계, 흑연에 산 처리를 통해 잔존 금속을 제거하는 단계를 포함하는 흑연 제조방법에 의해 달성된다. It is still another object of the present invention to provide a graphite manufacturing method which comprises the steps of: providing a mixture of carbon powder and metal particles; adding graphite to the mixture by microwaving; and removing graphite by acid treatment to remove the remaining metal Lt; / RTI >

카본 분말과 금속입자의 혼합물은 액상에서 혼합되어 마련되며, 혼합 후에 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The mixture of the carbon powder and the metal particles may be mixed in a liquid phase, and may be further dried after mixing.

산 처리는 염산을 통해 이루어질 수 있다.Acid treatment can be done with hydrochloric acid.

잔존 금속이 제거된 흑연에 환원처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.And reducing the graphite from which the residual metal has been removed.

환원 반응은 수소를 이용하여 수행될 수 있다.The reduction reaction can be performed using hydrogen.

금속 입자는 전이금속으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하며, 전이 금속은 니켈, 구리, 코발트 및 철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal particles are characterized by being obtained from a transition metal, and the transition metal may include at least one of nickel, copper, cobalt and iron.

금속 입자는 금속 할라이드 및 금속 아세테이트 중 어느 하나 이상으로부터 얻어질 수 있으며, 금속 할라이드는 니켈 클로라이드, 염화동 및 염화철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 금속 아세테이트는 니켈 아세테이트, 아세트산 구리 및 아세트산 철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal particles may be obtained from at least one of a metal halide and a metal acetate, and the metal halide may include at least one of nickel chloride, copper chloride and iron chloride, and the metal acetate may be at least one of nickel acetate, copper acetate and iron acetate And may include one or more.

본 발명에 따르면 마이크로웨이브를 이용하여 비정질 탄소로부터 배터리 음극제 특성을 갖는 흑연을 제조할 수 있다.According to the present invention, graphite having battery anode characteristics can be produced from amorphous carbon by using microwave.

도 1은 마이크로웨이브 반응 전의 탄소 파우더(MSP20), MSP20와 니켈 아세테이트를 함침 시킨 후 마이크로웨이브 반응을 시켜 얻은 흑연 파우더(MSP-MW), MSP-MW를 산 용액 처리하여 잔존 금속을 제거한 흑연 파우더(MSP20-Acid) 및 MSP20-Acid를 수소 분위기에서 환원 처리를 거친 흑연 파우더(MSP20-Reduc)의 X선 회절 분석 결과이다.
도 2는 마이크로웨이브 반응 전의 탄소 파우더(MSP20)와, MSP20에 니켈 아세테이트를 함침 시킨 후 마이크로웨이브 반응, 산 용액 처리 및 환원 처리를 거친 흑연 파우더(MSP20-Reduc)의 라만 분광 결과이다.
도 3은 마이크로웨이브 반응 전의 탄소 파우더(MSP20)와, MSP20에 니켈 아세테이트와 함침, 마이크로웨이브 반응, 산 용액 처리 및 환원 처리를 거친 흑연 파우더(MSP20-Reduc)의 미분전하용량도표 (dQ/dV plot)이다.
도 4는 마이크로웨이브 반응 전의 탄소 파우더(MSP20)와, MSP20에 니켈 아세테이트를 함침, 마이크로웨이브 반응, 산 용액 처리 및 환원 처리를 거친 흑연 파우더(MSP20-Reduc)의 방전 전위 곡선 (discharge potential profile)이다.
도 5는 마이크로웨이브 반응 전의 탄소 파우더(MSP20)와, MSP20에 니켈 아세테이트를 함침, 마이크로웨이브 반응, 산 용액 처리 및 환원 처리를 거친 흑연 파우더(MSP20-Reduc)의 싸이클 특성 (cycle performance) 이다.
도 6은 마이크로웨이브 반응 전의 탄소 파우더(MSP20)와, MSP20에 니켈 아세테이트 함침, 마이크로웨이브 반응, 산 용액 처리 및 환원 처리를 거친 흑연 파우더(MSP20-Reduc)의 C-rate 특성 (C-rate performance) 이다.
1 is a graphite powder (MSP-MW) obtained by microwave reaction after impregnating carbon powder (MSP20) before microwave reaction, MSP20 and nickel acetate, and graphite powder (MSP- MSP20-Acid) and MSP20-Acid were subjected to reduction treatment under a hydrogen atmosphere to give X-ray diffraction analysis of graphite powder (MSP20-Reduc).
2 is a graph showing Raman spectroscopic results of graphite powder (MSP20-Reduc) subjected to microwave reaction, acid solution treatment and reduction treatment after impregnating MSP20 with nickel acetate before microwave reaction.
3 shows the differential charge capacity (dQ / dV plot) of graphite powder (MSP20-Reduc) subjected to microwave reaction before carbon powder (MSP20) and MSP20 with impregnation with nickel acetate, microwave reaction, acid solution treatment and reduction treatment )to be.
4 is a discharge potential profile of carbon powder (MSP20) before microwave reaction and graphite powder (MSP20-Reduc) after impregnation of MSP20 with nickel acetate, microwave reaction, acid solution treatment and reduction treatment .
5 is a cycle performance of graphite powder (MSP20-Reduc) subjected to microwave reaction before carbon powder (MSP20), MSP20 impregnated with nickel acetate, microwave reaction, acid solution treatment and reduction treatment.
6 shows the C-rate performance of graphite powder (MSP20-Reduc) subjected to microwave reaction before carbon powder (MSP20) and MSP20 with nickel acetate impregnation, microwave reaction, acid solution treatment and reduction treatment, to be.

본 발명에서는 탄소를 금속과 혼합한 후 마이크로웨이브를 이용하여 탄소를 흑연화시켜 산 용액 처리 및 환원 처리를 통해 배터리 음극제 특성을 갖는 흑연을 생산한다.In the present invention, carbon is mixed with a metal, followed by graphitization of carbon using a microwave, and an acid solution treatment and reduction treatment are performed to produce graphite having battery anode characteristics.

여기서의 ‘혼합’은 단순한 물리적인 혼합 뿐 아니라 화학적으로 결합되어 있는 상태도 포함한다.The 'mixing' here includes chemical bonding as well as simple physical mixing.

마이크로웨이브는 매질을 통하지 않고 원하는 물질에 바로 에너지를 전달할 수 있기 때문에 반응 속도가 빠른 특징이 있다. 하지만 마이크로웨이브가 탄소 내에 침투 가능한 거리에 한계가 있기 때문에, 원료가 되는 탄소는 파우더 형태로 마련될 수 있다.Microwave is characterized by its fast reaction rate because it can directly transfer energy to a desired substance without going through the medium. However, since the microwave has a limited range of penetration into the carbon, the carbon as the raw material can be provided in powder form.

금속은 전도성이 큰 전기적 성질을 가지고 있어, 마이크로웨이브를 조사할 때에 에너지가 표면에 집중되며 반사되거나, 순간적으로 고온을 만들 수 있는 특징을 갖는다.Metals are characterized by their high electrical conductivity, which means that when irradiating microwaves, energy is concentrated on the surface and reflected or instantaneously brought to high temperatures.

또한 철, 니켈 등의 금속은 촉매 작용을 통해 상대적으로 저온에서 탄소를 결정화 시키는 역할을 한다. 따라서 탄소 파우더와 금속을 혼합 후 마이크로웨이브를 가하면 기존 흑연화 공정에 비해 낮은 온도에서 짧은 시간 안에 흑연화에 도달할 수 있다.In addition, metals such as iron and nickel serve to crystallize carbon at a relatively low temperature through catalysis. Therefore, when microwave is applied after mixing carbon powder and metal, graphitization can be achieved in a short time at a lower temperature than the existing graphitization process.

금속은 촉매 흑연화를 통하여 비정질 탄소를 결정성 흑연으로 변화시킬 수 있는 금속이면 제한없이 사용 가능하다. The metal can be used without restrictions as long as it is a metal capable of converting amorphous carbon into crystalline graphite through catalytic graphitization.

상기 금속은 전이금속일 수 있으며, 철, 구리, 코발트, 니켈 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 금속은 금속 전구체로부터 얻을 수 있으며, 금속 할라이드 및 금속 아세테이트 중 어느 하나 이상으로부터 얻어질 수 있다. 또한, 금속 할라이드는 니켈 클로라이드, 염화동 및 염화철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 금속 아세테이트는 니켈 아세테이트, 아세트산 구리, 아세트산 철 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal may be a transition metal, and may be any one of iron, copper, cobalt, and nickel. Further, the metal may be obtained from a metal precursor, and may be obtained from at least one of a metal halide and a metal acetate. In addition, the metal halide may include at least one of nickel chloride, copper chloride, and iron chloride, and the metal acetate may include at least one of nickel acetate, copper acetate, and iron acetate.

탄소와 금속의 혼합물은 탄소 파우더와 금속 파우더의 교반으로 얻어질 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며 탄소와 금속이 잘 혼합될 수 있다면, 파우더가 아닌 다른 형태이거나, 교반이 아닌 다른 혼합 방법이 가능하다.A mixture of carbon and metal can be obtained by stirring carbon powder and metal powder. However, the present invention is not limited to this, and if the carbon and the metal can be mixed well, it may be a form other than the powder, or a mixing method other than stirring may be possible.

탄소 파우더의 기공 부피가 클 때, 탄소 파우더가 금속과의 교반 시 금속이 균일하게 분포될 수 있다. 따라서 탄소 파우더는 표면적이 넓은 활성탄의 파우더로 사용할 수 있으며, 교반 시 금속이 균일하게 분포할 수 있는 탄소 파우더라면 다른 실시예도 가능하다.When the pore volume of the carbon powder is large, the metal may be uniformly distributed when the carbon powder is stirred with the metal. Therefore, the carbon powder can be used as a powder of activated carbon having a large surface area, and other embodiments are possible as far as the carbon powder is capable of uniformly distributing the metal during stirring.

금속 소스로 니켈 아세테이트를 사용하는 경우 흑연 제조방법에 대해 설명한다.When nickel acetate is used as the metal source, the graphite manufacturing method will be described.

탄소 파우더와 니켈 아세테이트를 수용액 내에서 교반하여 탄소-니켈 혼합물을 만든 후 탄소-니켈 혼합물을 건조시킨다. 이 때, 탄소-니켈 혼합물을 건조하지 않을 시에는 혼합물에 액체가 남아 있을 수 있기 때문에, 원하지 않은 반응이 일어날 수 있으며, 마이크로웨이브 반응 효율이 낮아질 수 있다.Carbon powder and nickel acetate are stirred in an aqueous solution to make a carbon-nickel mixture and then the carbon-nickel mixture is dried. At this time, when the carbon-nickel mixture is not dried, liquid may remain in the mixture, so undesired reactions may occur and microwave reaction efficiency may be lowered.

얻어진 탄소-니켈 혼합물의 파우더에 마이크로웨이브를 가하면 흑연이 얻어진다. 얻어진 흑연은 분말 상태일 수 있으며 미량의 니켈을 포함할 수 있다. 마이크로웨이브는 탄소-니켈 혼합물을 비활성가스 분위기로 만들어 주는 역할을 한다.When microwave is applied to the powder of the obtained carbon-nickel mixture, graphite is obtained. The obtained graphite may be in powder form and may contain a trace amount of nickel. The microwave serves to make the carbon-nickel mixture into an inert gas atmosphere.

반응 후 잔존하는 미량의 니켈은, 산 용액으로 처리하여 제거할 수 있으며, 이 때 사용하는 산 용액은 염산일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The remaining trace amount of nickel after the reaction can be removed by treatment with an acid solution, and the acid solution used may be hydrochloric acid, but is not limited thereto.

산 용액으로 처리된 탄소-니켈 혼합물은 이후, 환원 반응을 진행하는데, 이는 산 용액 처리 시 생길 수 있는 작용기를 제거하기 위함이다. 이 때, 환원 반응은 수소를 이용한 환원반응일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The carbon-nickel mixture treated with the acid solution then undergoes a reduction reaction in order to remove functional groups which may occur during the acid solution treatment. At this time, the reduction reaction may be a reduction reaction using hydrogen, but is not limited thereto.

이하, 마이크로웨이브를 이용한 배터리 음극제용 흑연 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이하의 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a method for producing graphite for a battery anode using microwaves will be described in detail with reference to examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

<실험예><Experimental Example>

흑연 제조Graphite manufacture

a) 니켈 아세테이트 함침a) nickel acetate impregnation

활성탄 파우더의 한 종류인 MSP20 1g 당 6 mmol 의 니켈 아세테이트를 에탄올에 혼합하여 상온에서 12시간 이상 교반시켜 주었다. 에탄올이 모두 증발한 탄소-금속 혼합물을 75℃ 오븐에서 24시간 건조시켰다. 건조에 의해 탄소-금속 혼합물은 다시 파우더 형태가 되었다.Six millimoles of nickel acetate per gram of MSP20, a kind of activated carbon powder, was mixed with ethanol and stirred at room temperature for 12 hours or more. The carbon-metal mixture in which all of the ethanol evaporated was dried in an oven at 75 DEG C for 24 hours. By drying, the carbon-metal mixture became powder again.

b) 마이크로웨이브 반응 b) microwave reaction

위에서 얻어진 탄소-금속 혼합물의 파우더를 석영관에 넣어 마이크로웨이브 반응을 진행하여 흑연을 얻었다. 2.45 GHz의 마이크로웨이브를 1500 W 파워로 5분간 조사하였다. 반응 전과 반응 중에 아르곤을 100 sccm으로 흘려주어 산소와의 반응을 차단시켰다. 반응 후에도 아르곤을 과량 흘려주어 상온이 된 후에 흑연 (MSP20-MW)을 꺼냈다. 얻어진 흑연은 파우더 형태이다.The powder of the carbon-metal mixture obtained above was placed in a quartz tube to conduct microwave reaction to obtain graphite. 2.45 GHz microwave was irradiated for 5 minutes at 1500 W power. Argon was flowed at 100 sccm before the reaction and during the reaction to block the reaction with oxygen. The graphite (MSP20-MW) was taken out after allowing the argon to flow at an ordinary temperature after the reaction. The obtained graphite is in powder form.

c) 잔존 니켈 제거 및 환원c) Remaining Nickel Removal and Reduction

위에서 얻어진 흑연에 잔존하는 니켈을 염산을 이용하여 제거하였다. 1M 농도의 염산용약에 위에서 얻은 흑연을 넣고 12시간 교반(600 rpm, 75℃)한 뒤 필터링 및 건조를 거쳐 니켈이 제거된 흑연 파우더(MSP20-Acid)를 얻었다. 이후 900℃ 퍼니스에서 수소 분위기 (아르곤 500 sccm, 수소 200 sccm)로 30분간 반응시키는 환원 반응을 통해 염산 처리 과정에서 생길 수 있는 작용기들이 제거된 흑연 파우더를 얻었다(MSP20-Reduc). The nickel remaining on the graphite obtained above was removed using hydrochloric acid. The graphite obtained above was added to 1M hydrochloric acid solution and stirred for 12 hours (600 rpm, 75 ° C), filtered and dried to obtain graphite powder (MSP20-Acid) from which nickel was removed. Thereafter, a graphite powder (MSP20-Reduc) was obtained in which a functional group generated during the hydrochloric acid treatment was removed by a reduction reaction in a hydrogen atmosphere (500 sccm of argon and 200 sccm of hydrogen) for 30 minutes in a 900 ° C. furnace.

d) 이차전지 음극 특성 평가d) Evaluation of secondary battery anode characteristics

MSP20-Reduc 샘플과의 비교를 위해 MSP20 샘플을 이용한 전극을 제작하였다. 각각의 전극 제조법은, 활물질 : 전도성 탄소 (carbon black) : 고분자 바인더 (polyvinylidene difluoride)를 각각 8 : 1 : 1 의 질량비로 혼합한 후 N-methyl-2-pyrrolidone을 용매로 사용하여 슬러리를 제작한다. 슬러리를 구리 집전체 위에 도포한 후 60℃ 오븐에서 건조한 후 110℃ 진공 오븐에서 전극을 완전히 건조한다. 건조한 전극은 둥근 모양으로 잘라 리튬 이차전지 셀에 투입한다. 상대 전극으로 리튬 금속을, 전해액으로는 1.0 M lithium hexafluorophosphate의 염이 녹아있는 ethylene carbonate/dimethyl carbonate (1:1 부피비) 용액과 1.0 M lithium perchlorate 의 염이 녹아있는 propylene carbonate 전해액을 사용한다. 산소와 수분이 차단된 글로브 박스 내부에서 CR2032 리튬 이온 전지를 제작한다. 완성한 전지는 다양한 전류 밀도를 흘려주어 정전류 충방전을 진행했다. For comparison with the MSP20-Reduc sample, an electrode using MSP20 sample was prepared. Each electrode is manufactured by mixing active material: carbon black: polyvinylidene difluoride in a mass ratio of 8: 1: 1, and then using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to prepare a slurry . The slurry is applied on a copper collector, dried in an oven at 60 ° C and completely dried in a vacuum oven at 110 ° C. The dried electrode is cut into a round shape and charged into a lithium secondary battery cell. Lithium metal is used as a counter electrode, ethylene carbonate / dimethyl carbonate (1: 1 volume ratio) solution in which 1.0 M lithium hexafluorophosphate salt is dissolved, and propylene carbonate electrolyte in which 1.0 M lithium perchlorate salt is dissolved. A CR2032 lithium ion battery is manufactured inside a glove box with oxygen and moisture blocking. The completed battery was subjected to constant current charging and discharging by flowing various current densities.

X선 회절 분석(X-ray diffraction spectroscopy)X-ray diffraction spectroscopy

도 1은 마이크로웨이브 반응 전의 탄소 파우더(MSP20, 회색 실선), 니켈 아세테이트를 함침 시킨 후 마이크로웨이브 반응을 시켜 얻은 흑연 파우더(MSP20-MW, 겨자색 실선), 염산 처리를 통해 잔존 니켈을 제거한 흑연 파우더(MSP20-Acid, 주황색 실선)와 수소 환원 반응을 통해서 염산 처리 과정에서 생길 수 있는 작용기를 제거한 흑연 파우더(MSP20-Reduc, 붉은색 실선)의 X선 회절 분석 결과이다. 1 is a graphite powder (MSP20-MW, mustard solid line) obtained by microwave reaction after impregnating carbon powder (MSP20, gray solid line) before microwave reaction, graphite powder MSP20-Acid, solid orange line) and graphite powder (MSP20-Reduc, red solid line) with the functional groups removed during hydrochloric acid treatment through hydrogen reduction reaction.

도 1의 X선 회절 분석 결과를 보면, MSP20 그래프와 비교해볼 때, 니켈 아세테이트를 함침 시킨 후 마이크로웨이브 반응을 시킨 뒤에 흑연화의 지표로 사용되는 26°부근의 (002) 피크가 생긴 것을 알 수 있다.(MSP20-MW, MSP20-Acid 및 MSP20-Reduc의 검은색 별로 표시된 부분). 또한, MSP20-Acid 그래프를 살펴보면, 마이크로웨이브 반응 후 잔존하는 니켈 (MSP20-MW의 검은색 다이아몬드로 표시된 부분)이 산 처리 과정에서 대부분 사라지는 것도 확인할 수 있다.The results of the X-ray diffraction analysis of FIG. 1 show that, when compared with the MSP20 graph, the (002) peak near 26 °, which is used as an index of graphitization after the microwave reaction after impregnation with nickel acetate, (MSP20-MW, MSP20-Acid, and MSP20-Reduc). In addition, the MSP20-Acid graph shows that the remaining nickel (the portion indicated by the black diamond of MSP20-MW) after the microwave reaction disappears mostly during the acid treatment.

표 1은 샘플 별 (002) 피크의 위치, Bragg’s law를 통해 환산한 층간 거리(d002)를 타나낸 것이다. 표 1에서 볼 수 있듯이, 마이크로웨이브 처리를 통하여 생긴 (002) 피크의 위치와 층간 거리는 상용 흑연의 값과 거의 유사하며, 산 처리 및 수소 환원반응 과정에서 큰 변화 없이 구조를 잘 유지하고 있음을 확인할 수 있다. Table 1 shows the position of the (002) peak per sample and the interlayer distance (d 002 ) converted by Bragg's law. As can be seen in Table 1, the position of the (002) peak generated by the microwave treatment and the inter-layer distance are almost similar to those of the commercial graphite, and it is confirmed that the structure is well maintained without significant change in acid treatment and hydrogen reduction reaction .

따라서 본 발명에 따르면, 마이크로웨이브 가열을 통하여 상용 흑연과 유사한 품질의 흑연을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain graphite having a quality similar to that of commercial graphite by microwave heating.

Figure pat00001
Figure pat00001

라만 분광법(Raman Spectroscopy) 분석Raman spectroscopy analysis

도 2는 라만 분광법 결과를 통해 탄소 파우더의 구조 변화를 확인한 것이다. 탄소 소재의 가장 특징적인 라만 피크는 잘 정렬된 흑연 측에서 관찰되는 G-band(1582cm-1)와 정렬되지 않은 구조에서 관찰되는 D-band(1350cm-1)라고 할 수 있다. 이 두 밴드의 강도 비율(intensity ratio, IG/ID)이 클수록 흑연의 정렬 정도가 좋다고 할 수 있다.FIG. 2 shows structural changes of carbon powder through Raman spectroscopy. The most characteristic Raman peak of the carbon material is the D-band (1350 cm -1 ) observed in the unaligned structure with the G-band (1582 cm -1 ) observed on the well aligned graphite side. The larger the intensity ratio (I G / I D ) of these two bands, the better the alignment of the graphite.

도 2에서 회색 실선은 MSP20의 분석결과이고 붉 색 실선은 MSP20-Reduc 의 분석결과이다.In FIG. 2, the gray solid line is the analysis result of MSP20 and the solid red line is the analysis result of MSP20-Reduc.

본 실험에서 탄소 파우더의 IG/ID는 마이크로웨이브 반응 전 1.07에서 마이크로웨이브 반응 후 1.89로 확연하게 증가하였다. 또한, MSP20에서는 볼 수 없었던, 결정성이 높은 흑연에서 발견되는 2D peak 와 2D’ peak를 MSP20-Reduc에서 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면, 마이크로웨이브 가열을 통해 결정성이 높은 흑연을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.In this experiment, I G / I D of carbon powder increased remarkably from 1.07 before microwave reaction to 1.89 after microwave reaction. In addition, MSP20-Reduc can be used to identify 2D peaks and 2D peaks found in highly crystalline graphite that could not be seen in MSP20. Therefore, according to the present invention, graphite having high crystallinity can be obtained through microwave heating.

배터리 battery 음극제Negative electrode material 특성 분석 Character analysis

도 3은 MSP20과 MSP20-Reduc을 각각 음극제로 사용한 배터리의 미분전하용량도표 (dQ/dV plot) 이다. 산화-환원 반응이 넓은 준위에 걸쳐서 나타나는 MSP20 과 달리, MSP20-Reduc의 경우 0.21 V에 반응이 집중되는 전형적인 결정성 흑연의 전지 특성을 보인다. 이를 통해 마이크로웨이브를 이용한 흑연화가 효과적으로 일어났다는 것을 전기화학적으로 확인할 수 있었다.3 is a differential charge capacity chart (dQ / dV plot) of a battery using MSP20 and MSP20-Reduc as cathode materials, respectively. Unlike MSP20, where the oxidation-reduction reaction occurs over a wide range, MSP20-Reduc shows a typical crystalline graphite battery characteristic with a concentration of 0.21V. It was confirmed electrochemically that graphitization using microwave was effective.

도 4는 MSP20과 MSP20-Reduc을 각각 음극제로 사용한 배터리의 방전 전위 곡선 (discharge potential profile) 이다. 방전 전위 곡선은 1M 의 LiClO4 과 프로필렌 카보네이트(PC) 전해질을 이용하여 측정하였다. MSP20-Reduc의 경우 MSP20와는 다르게, 1V 근처에서부터 긴 수평선이 나타나는데, 이는 기존에 보고된 폴리카보네이트 전해질에서 흑연 음극제가 나타내는 결과와 유사하다. 따라서, 도 4의 결과 역시 흑연화가 효과적으로 일어났음을 전기화학적으로 확인할 수 있었다.4 is a discharge potential profile of a battery using MSP20 and MSP20-Reduc as cathode materials, respectively. The discharge potential curve was measured using a 1 M LiClO 4 and propylene carbonate (PC) electrolyte. In MSP20-Reduc, unlike MSP20, a long horizon appears from near 1V, which is similar to the graphite cathode shown in the previously reported polycarbonate electrolyte. Thus, the results of FIG. 4 also confirmed electrochemically that graphitization occurred effectively.

도 5는 MSP20과 MSP20-Reduc을 각각 음극제로 사용한 배터리의 사이클 특성 (battery cycle performance) 측정 결과이다. 두 샘플로 만들어진 전지들 모두 0.2C rate에서 4 사이클 동안 활성화 (activation) 시켰고, 이후에 1C rate로 특성을 측정하였다. MSP20-Reduc를 음극제로 만들어진 전지의 경우 최대 용량이 321 mA h g-1이며, 300 사이클 이상에서도 안정적인 용량 특성을 보인다. 반면에 MSP20을 음극제로 하여 만들어진 전지의 경우 300번째 사이클에서는 최대 용량의 절반에 해당하는 용량을 보인다. 따라서 마이크로웨이브 흑연화를 거친 탄소 파우더에서, 배터리의 음극제로서의 더 큰 용량과 안정적인 성능을 확인할 수 있었다.5 shows the result of measurement of the battery cycle performance of the battery using MSP20 and MSP20-Reduc as cathode materials, respectively. Cells made from both samples were activated for 4 cycles at 0.2C rate and then characterized at 1C rate. MSP20-Reduc is a negative electrode, the maximum capacity is 321 mA hg -1 , and the capacity is stable even over 300 cycles. On the other hand, in the case of a battery made of cathode material of MSP20, the capacity corresponding to half of the maximum capacity is shown in the 300th cycle. Therefore, in the carbon powder subjected to the microwave graphitization, it was confirmed that the capacity and the stable performance of the battery as a negative electrode material were higher.

도 6은 MSP20과 MSP20-Reduc를 각각 음극제로 사용한 배터리의 C-rate 특성(C-rate performance)을 나타낸 것이다. 1C rate 이상에서 MSP20-Reduc는 MSP20에 비해 더 높은 용량을 보임을 확인할 수 있다. 따라서 마이크로웨이브 흑연화를 거친 탄소 파우더를 음극제로 사용한 배터리가 고속 충방전 환경에서도 뛰어난 특성을 보인다고 할 수 있다. FIG. 6 shows the C-rate performance (C-rate performance) of a battery using MSP20 and MSP20-Reduc as cathode materials, respectively. At a rate of 1C or higher, MSP20-Reduc shows higher capacity than MSP20. Therefore, it can be said that the battery using the carbon powder having the microwave graphitization as the negative electrode shows excellent characteristics even in the high-speed charging / discharging environment.

Claims (19)

카본 분말을 마련하는 단계;
상기 카본 분말에 금속 입자를 혼합하여 카본-금속 혼합물 마련하는 단계;
상기 카본-금속 혼합물에 마이크로웨이브를 가하여 흑연-금속 혼합물을 얻는 단계;
상기 흑연-금속 혼합물에서 금속을 제거하여 흑연을 얻는 단계;및
상기 흑연을 환원처리하는 단계;
를 포함하는 흑연 제조방법.
Providing a carbon powder;
Mixing the carbon particles with metal particles to prepare a carbon-metal mixture;
Adding microwave to the carbon-metal mixture to obtain a graphite-metal mixture;
Removing the metal from the graphite-metal mixture to obtain graphite; and
Reducing the graphite;
&Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 카본 분말은 활성탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon powder comprises activated carbon.
제1항에 있어서,
상기 금속은 전이금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal comprises a transition metal.
제3항에 있어서,
상기 전이금속은 니켈, 구리, 코발트 및 철 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the transition metal comprises at least one of nickel, copper, cobalt and iron.
제1항에 있어서,
상기 카본-금속 혼합물은 상기 카본 분말과 금속을 액상에서 혼합하여 마련하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon-metal mixture is prepared by mixing the carbon powder and the metal in a liquid phase.
제5항에 있어서,
상기 액상에서 혼합된 카본-금속 혼합물을 건조시키는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
6. The method of claim 5,
Drying the mixed carbon-metal mixture in the liquid phase;
Further comprising the steps of:
제5항에 있어서,
상기 금속은 금속 할라이드로부터 얻어지는 것을 특징으로 하며,
상기 금속 할라이드는 니켈 클로라이드, 염화동 및 염화철 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Characterized in that the metal is obtained from a metal halide,
Wherein the metal halide comprises at least one of nickel chloride, copper chloride and iron chloride.
제5항에 있어서,
상기 금속은 금속 아세테이트로부터 얻어지는 것을 특징으로 하며,
상기 금속 아세테이트는 니켈 아세테이트, 아세트산 구리 및 아세트산 철 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Characterized in that the metal is obtained from a metal acetate,
Wherein the metal acetate comprises at least one of nickel acetate, copper acetate, and iron acetate.
제1항에 있어서,
상기 마이크로웨이브는 비활성 가스 분위기에서 인가되는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the microwave is applied in an inert gas atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 금속 제거는 산 용액을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 흑연 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal removal is carried out using an acid solution.
제10항에 있어서,
상기 산 용액은 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the acid solution comprises hydrochloric acid.
제1항에 있어서,
상기 환원 반응은 수소를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reduction reaction is carried out using hydrogen.
카본 분말과 금속 입자의 혼합물을 마련하는 단계;
상기 혼합물에 마이크로웨이브를 가하여 흑연을 얻는 단계;
상기 흑연에 산 처리를 통해 잔존 금속을 제거하는 단계;
를 포함하는 흑연 제조방법.
Providing a mixture of carbon powder and metal particles;
Adding microwave to the mixture to obtain graphite;
Removing the remaining metal by acid treatment on the graphite;
&Lt; / RTI &gt;
제13항에 있어서,
상기 카본 분말과 상기 금속입자의 혼합물은 액상에서 혼합되어 마련되며,
상기 혼합 후에 건조하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the mixture of the carbon powder and the metal particles is mixed in a liquid phase,
Drying after mixing;
Further comprising the steps of:
제13항에 있어서,
상기 산 처리는 염산을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the acid treatment is carried out with hydrochloric acid.
제13항에 있어서,
상기 잔존 금속이 제거된 흑연에 환원처리 하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
14. The method of claim 13,
Reducing the graphite from which the residual metal has been removed;
Further comprising the steps of:
제16항에 있어서,
상기 환원 반응은 수소를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the reduction reaction is carried out using hydrogen.
제14항에 있어서,
상기 금속 입자는 전이 금속으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하며,
상기 전이 금속은 니켈, 구리, 코발트 및 철 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the metal particles are obtained from a transition metal,
Wherein the transition metal comprises at least one of nickel, copper, cobalt and iron.
제14항에 있어서,
상기 금속 입자는 금속 할라이드 및 금속 아세테이트 중 어느 하나 이상으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하며,
상기 금속 할라이드는 니켈 클로라이드, 염화동 및 염화철 중 어느 하나 이상을 포함하며,
상기 금속 아세테이트는 니켈 아세테이트, 아세트산 구리 및 아세트산 철 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the metal particles are obtained from at least one of a metal halide and a metal acetate,
Wherein the metal halide comprises at least one of nickel chloride, copper chloride and iron chloride,
Wherein the metal acetate comprises at least one of nickel acetate, copper acetate, and iron acetate.
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