KR20180008986A - Preparation method of carbon material using microalgae - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a method of producing a carbon material, which comprises the steps of: (step 1) removing at least a part of lipids from microalgae; (step 2) mixing the microalgae from which lipids have been removed in step 1 with an inorganic compound to conduct a synthesis reaction to produce an inorganic-microalgae complex; and (step 3) thermally treating the inorganic-microalgae complex produced in step 2 to produce an inorganic-carbon complex. The method of producing a carbon material according to the present invention can produce a carbon complex having spheres of a uniform size. Further, since hydroxyl groups (-OH) and amide groups (-N) are increased due to removing or extracting lipids from microalgae, inorganic materials such as metal can be coated more efficiently and uniformly. Furthermore, microalgae are an excellent carbon precursor material, and contain nitrogen and phosphorus, and thus can be used to produce a carbon material having desirable electrochemical properties.

Description

미세조류를 이용한 탄소 소재의 제조방법{Preparation method of carbon material using microalgae}Preparation method of carbon material using microalgae [

본 발명은 미세조류를 이용한 탄소 소재의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 미세조류를 이용하여 탄소 소재를 제조하는 방법과, 제조된 탄소 소재의 응용에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing carbon materials using microalgae, and more particularly, to a method for producing carbon materials using microalgae and an application of the carbon materials.

현재 우리 세계는 에너지 자원의 고갈과 환경 오염이 대두되고 있고, 이를 대처하는 하나의 방안으로 이차전지가 대두되고 있다. 이차전지는 노트북, 휴대폰 등과 같은 소형기기에 많이 적용되고 있지만, 최근에는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV)와 같은 전력 저장 시스템에 대한 이차전지의 적용에 큰 관심을 갖고 있다. 미래의 리튬 이차 전지 분야 중 특히 중대형 전지가 큰 기대를 모으고 있다. 일부 상용화를 시작한 HEV이외에 PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle; PHEV), EV(Electric Vehicle) 전지, 로봇용 전지 또는 태양열, 풍력, 조력 등의 대체 에너지 개발로 생산된 전기를 저장할 수 있는 전력 저장용 고성능 리튬 이차전지는 매우 중요한 에너지 저장시스템으로서 차세대 스마트 그리드 기술의 핵심 요소로 인식되어 있다. 하이브리드 자동차나 전력 저장 시스템에 적용할 수 있는 이차전지는 충방전 속도가 빠르고, 이차전지의 크기가 커야 한다. 물론, 가격, 용량, 안전성 또한 빼놓을 수 없다.At present, the depletion of energy resources and environmental pollution are emerging in the world, and secondary batteries are emerging as one way of coping with them. Although secondary batteries are widely applied to small-sized devices such as notebooks and mobile phones, they are very interested in application of secondary batteries to electric power storage systems such as hybrid electric vehicles (HEVs). Among the lithium secondary batteries of the future, mid- to large-sized batteries are particularly expected. In addition to HEVs, which have been commercialized in some commercial areas, they are capable of storing electricity generated by PHEV (PHEV), EV (Electric Vehicle) battery, robot battery or alternative energy such as solar, wind, Lithium secondary batteries are an important energy storage system and are recognized as a key element in next-generation smart grid technology. Secondary batteries which can be applied to hybrid vehicles or electric power storage systems must have a high charging / discharging speed and large secondary batteries. Of course, price, capacity and safety are essential.

특히, 리튬 이차 전지(또는 리튬 이온 전지)에 대한 수요가 크게 증가하고 있으며, 기존의 상용 리튬 이차 전지의 음극 소재를 대체할 수 있는 고용량 및 장수명 음극 개발이 활발히 진행되고 있다. 음극 소재의 고용량화가 이루어지면 리튬 이차 전지의 에너지 밀도도 향상시킬 수 있다.Particularly, the demand for a lithium secondary battery (or a lithium ion battery) is greatly increased, and a high capacity and long life negative electrode capable of replacing a negative electrode material of a conventional commercial lithium secondary battery are actively under development. When the capacity of the negative electrode material is increased, the energy density of the lithium secondary battery can also be improved.

현재 리튬 이차 전지에 사용되는 음극 소재로는 탄소계 물질이 널리 사용되고 있다. 탄소계 음극활물질은 구조적으로 리튬 이온이 탄소 층 사이로 가역적으로 삽입, 탈리할 수 있다. 탄소계 음극활물질은 높은 용량을 갖는 장점이 있으며, 산화 환원 전위가 낮기 때문에 탄소계를 음극으로 사용하면, 높은 전위를 갖는다. BACKGROUND ART [0002] Carbon-based materials are widely used as cathode materials for lithium secondary batteries. The carbonaceous anode active material can structurally reversibly insert and desorb lithium ions between carbon layers. The carbonaceous anode active material has an advantage of high capacity and has a high potential when a carbon-based cathode is used because of its low oxidation-reduction potential.

한편, 바이오매스(biomass)는 다양한 구조 및 조성 특성으로 탄소계 물질의 전구체로서 사용될 수 있다. 특히, 박테리아(bacteria)나 미세조류(microalgae)와 같은 미생물은 그 형태, 크기 및 조성이 균일하며, 결과적으로 상기 미생물은 나노 크기 또는 마이크로 크기로 계층화되고 잘 정렬된 탄소원 및 템플레이트를 제공할 수 있다.On the other hand, biomass can be used as a precursor of carbon-based materials with various structure and composition characteristics. Particularly, microorganisms such as bacteria and microalgae are uniform in shape, size and composition, and as a result, the microorganisms can provide nano-sized or micro-sized layered and well-ordered carbon sources and templates .

이에, 본 발명자들은 미세조류를 이용한 탄소계 소재를 제조하는 방법에 대하여 연구하던 중, 탄소원이 되는 미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거한 후, 지질이 제거된 미세조류와 무기화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 이를 열처리하여 무기-탄소 복합체를 제조하는 방법을 개발하였으며, 상기 무기-탄소 복합체의 전기화학적 성능이 우수한 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have been studying a method for producing a carbonaceous material using microalgae, and at least a part of the lipids of microalgae as a carbon source is removed, and then the lipid-removed microalgae and the inorganic compound are mixed to prepare a mixture Carbon composite material. The present inventors have found that the inorganic-carbon composite material is excellent in electrochemical performance, and completed the present invention.

대한민국 공개특허 제10-2010-0014074호Korean Patent Publication No. 10-2010-0014074

본 발명의 목적은 전기화학적 성능이 우수한 탄소 소재의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a carbon material excellent in electrochemical performance.

본 발명의 또 다른 목적은 전기화학적 성능이 우수한 리튬 이온 전지용 음극 소재를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for manufacturing a negative electrode material for a lithium ion battery excellent in electrochemical performance.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거하는 단계(단계 1); Removing at least part of the lipids of the microalgae (step 1);

상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 무기화합물을 혼합한 후, 합성하여 무기-미세조류 복합체를 제조하는 단계(단계 2); 및Mixing the microalgae from which the lipid has been removed and the inorganic compound in the step 1 and synthesizing them to prepare an inorganic microalgae complex (step 2); And

상기 단계 2에서 제조된 무기-미세조류 복합체를 열처리하여 무기-탄소 복합체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 탄소 소재의 제조방법을 제공한다.And a step (step 3) of preparing an inorganic-carbon composite by heat-treating the inorganic micro-algae composite produced in step 2 (step 3).

또한, 본 발명은In addition,

상기의 제조방법으로 제조되는 탄소 소재를 제공한다.A carbon material produced by the above production method is provided.

나아가, 본 발명은Further,

상기의 제조방법으로 제조되는 탄소 소재를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 소재를 제공한다.A negative electrode material for a lithium ion battery comprising a carbonaceous material produced by the above production method is provided.

더욱 나아가, 본 발명은Further,

미세조류의 지질을 제거하는 단계(단계 1); Removing the lipids of the microalgae (step 1);

상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 음극활물질을 혼합한 후, 합성하여 음극활물질-미세조류 복합체를 제조하는 단계(단계 2); 및Preparing a negative electrode active material-microalgae composite by mixing the microalgae from which lipid has been removed and the negative electrode active material in step 1; And

상기 단계 2에서 제조된 음극활물질-미세조류 복합체를 열처리하여 음극활물질-탄소 복합체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 소재의 제조방법을 제공한다.And a step (step 3) of preparing the negative electrode active material-carbon composite by heat treating the negative electrode active material-microalgae composite prepared in the step 2 (step 3).

나아가, 본 발명은Further,

상기의 제조방법으로 제조된 음극 소재를 포함하는 음극;An anode including a cathode material manufactured by the above manufacturing method;

양극 활물질을 포함하는 양극; 및A cathode comprising a cathode active material; And

전해액;을 포함하는 리튬 이온 전지를 제공한다.A lithium ion battery comprising: an electrolyte;

본 발명에 따른 탄소 소재의 제조방법은 균일한 크기의 구형을 가지는 탄소 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 미세조류의 지질 제거 또는 추출로 인해 하이드록시기(-OH) 및 아마이드기(-N)이 증가하여 더욱 효율적이고 균질하게 금속 등의 무기물이 코팅되는 효과가 있다. 나아가, 미세조류는 우수한 탄소 전구체 물질로서 질소 및 인을 포함하고 있어 전기화학적 성능이 우수한 탄소 소재를 제조할 수 있다. The carbon material manufacturing method according to the present invention can produce a carbon composite having a spherical shape of a uniform size. In addition, since the lipid (-OH) and amide groups (-N) are increased due to the lipid removal or extraction of the microalgae, the effect is more efficiently and homogeneously coated with an inorganic substance such as a metal. Furthermore, the microalgae contain nitrogen and phosphorus as excellent carbon precursor materials, so that carbon materials having excellent electrochemical performance can be produced.

도 1은 미세조류 및 지질이 제거된 미세조류의 형상을 주사 전자 현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)으로 관찰한 사진이고;
도 2는 미세조류 및 지질이 제거된 미세조류를 적외선 분광 분석법(FT-IR)으로 분석한 그래프이고;
도 3은 실시예 1에서 제조된 탄소 소재를 투과 전자 현미경(TEM)으로 관찰한 사진이고;
도 4는 비교예 1에서 제조된 탄소 소재를 투과 전자 현미경(TEM)으로 관찰한 사진이고;
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 탄소 소재를 X-선 광전자 분광법(XPS)으로 분석한 표이다.
1 is a photograph of a microalgae and lipid-removed microalgae observed with a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM);
FIG. 2 is a graph showing an analysis of microalgae and lipid-removed microalgae by infrared spectroscopy (FT-IR);
FIG. 3 is a photograph of a carbon material produced in Example 1 by a transmission electron microscope (TEM); FIG.
4 is a photograph of a carbon material produced in Comparative Example 1 observed by a transmission electron microscope (TEM);
5 is a table in which the carbon material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

본 발명은The present invention

미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거하는 단계(단계 1); Removing at least part of the lipids of the microalgae (step 1);

상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 무기화합물을 혼합한 후, 합성하여 무기-미세조류 복합체를 제조하는 단계(단계 2); 및Mixing the microalgae from which the lipid has been removed and the inorganic compound in the step 1 and synthesizing them to prepare an inorganic microalgae complex (step 2); And

상기 단계 2에서 제조된 무기-미세조류 복합체를 열처리하여 무기-탄소 복합체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 탄소 소재의 제조방법을 제공한다.And a step (step 3) of preparing an inorganic-carbon composite by heat-treating the inorganic micro-algae composite produced in step 2 (step 3).

이하, 본 발명에 따른 탄소 소재의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the method for producing the carbon material according to the present invention will be described in detail for each step.

먼저, 본 발명에 따른 탄소 소재의 제조방법에 있어서, 단계 1은 미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거하는 단계이다.First, in the method for producing a carbonaceous material according to the present invention, step 1 is a step of removing at least a part of the lipids of the microalgae.

상기 단계 1은 지질이 제거된 미세조류를 준비하고자 하는 단계로서, 미세조류를 준비한 후, 미세조류 내에 존재하는 지질의 적어도 일부 또는 모두를 제거할 수 있다.Step 1 is a step for preparing microalgae from which lipid has been removed. After preparation of microalgae, at least a part or all of the lipid present in the microalgae can be removed.

구체적으로, 상기 단계 1의 미세조류는 해조류, 남조류, 크립토조류, 황금색조류, 유글레나조류, 규조류, 갈조류, 홍조류, 녹조류 및 차축조류 등일 수 있다. 상기 미세조류는 그 자체만으로도 탄소원으로 사용될 수 있으며, 산소환원반응의 활성에 적합한 헤테로 원소들이 이미 함유되어 있다. Specifically, the microalgae of step 1 may be algae, cyanobacteria, cryptobales, golden algae, euglena algae, diatoms, brown algae, red algae, green algae and axle algae. The microalgae can be used alone as a carbon source, and already contain hetero elements suitable for the activity of the oxygen reduction reaction.

이때 본 발명에서는 미세조류의 지질 제거를 통해 하이드록시기(-OH) 및 아마이드기(-N)를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 추후 무기화합물과의 혼합 및 열처리 과정에서 더욱 효율적이고 균질하게 금속 등의 무기물을 코팅시킬 수 있다.At this time, in the present invention, it is possible to increase the hydroxyl group (-OH) and the amide group (-N) by removing the lipid of the microalgae, and thereby, more efficiently and homogeneously in the mixing and heat- Can be coated.

또한, 상기 단계 1의 지질 제거는 미세조류의 지질을 제거 또는 추출할 수 있는 방법이면 제한되지 않은 다양한 방법을 수행할 수 있으나, 구체적인 일례로써, 미세조류의 지질을 유기 용매로 추출하는 단계(단계 1-1);를 수행하여 제거할 수 있다.In addition, the lipid removal in step 1 may be performed by various methods that can remove or extract lipid from microalgae. However, as a specific example, the lipid of microalgae may be extracted with an organic solvent 1-1). ≪ / RTI >

상기 단계 1-1의 유기 용매는 클로로포롬(chloroform), 메탄올(methanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 및 아세톤(acetone) 등을 사용할 수 있으나, 상기 유기 용매가 이에 제한되는 것은 아니며, 미세조류의 지질을 추출할 수 있는 유기 용매이면 제한되지 않고 사용할 수 있다.The organic solvent in step 1-1 may be chloroform, methanol, dimethylformamide (DMF), or acetone. However, the organic solvent is not limited thereto, Any organic solvent capable of extracting algae lipids can be used without limitation.

또한, 상기 단계 1-1의 추출은 미세조류를 유기 용매에 첨가한 후, 300 rpm 내지 4,000 rpm의 회전 속도로 수행될 수 있으며, 500 rpm 내지 3,000 rpm의 회전속도로 수행될 수 있고, 750 rpm 내지 2,000 rpm의 회전속도로 수행될 수 있다. 또한, 상기 교반은 10 분 내지 24 시간 동안 수행될 수 있으며, 30 분 내지 12 시간 동안 수행될 수 있고, 60 분 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the extraction in step 1-1 may be performed at a rotation speed of 300 rpm to 4,000 rpm after adding microalgae to the organic solvent, and may be performed at a rotation speed of 500 rpm to 3,000 rpm, To 2,000 rpm. Further, the stirring may be performed for 10 minutes to 24 hours, and may be performed for 30 minutes to 12 hours, and may be performed for 60 minutes to 6 hours.

나아가, 상기 단계 1을 수행하고 난 후, 지질이 제거된 미세조류를 여과 및 건조하는 단계(단계 1-2);를 더 포함할 수 있다. 상기 단계 1을 수행하여 지질이 제거된 미세조류는 유기 용매와 같이 존재할 수 있다. 때문에, 상기 단계 1을 수행하고 난 후, 지질이 제거된 미세조류만을 얻기 위해 여과 및 건조 공정을 거칠 수 있으며, 상기 여과 및 건조 공정은 원심분리기, 필터 등을 이용하여 여과시킨 후, 동결건조하여 수행될 수 있다.Further, the method may further include a step (step 1-2) of filtering and drying the lipid-removed microalgae after performing step 1 above. The lipid-removed microalgae may be present as an organic solvent by performing the step 1 above. Therefore, after performing the step 1, filtration and drying may be performed to obtain only microalgae from which lipid has been removed. The filtration and drying process is performed by filtration using a centrifugal separator, a filter, etc., followed by lyophilization .

또한, 상기 단계 1에서 제거된 지질은 바이오디젤 합성에 사용될 수 있다. 미세조류의 지질은 산 또는 염기 촉매 하에서 짧은 길이의 알코올(메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등)과 반응하여 생성되는 지방산 알킬 에스테르(fatty acid methyl ester, FAME)를 형성할 수 있다. In addition, the lipid removed in step 1 above may be used for biodiesel synthesis. The lipid of the microalgae can form a fatty acid methyl ester (FAME), which is produced by reacting with short-chain alcohol (methanol, ethanol, propanol, butanol, etc.) under acid or base catalyst.

다음으로, 본 발명에 따른 탄소 소재의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 무기화합물을 혼합한 후, 합성하여 무기-미세조류 복합체를 제조하는 단계이다.Next, in the method for producing a carbonaceous material according to the present invention, Step 2 is a step of preparing inorganic-microalgae complex by mixing lipid-removed microalgae and an inorganic compound in the step 1 and then synthesizing them.

상기 단계 2에서는 지질이 제거된 미세조류와 혼합하여 무기-미세조류 복합체를 제조하기 위해 무기화합물을 혼합하는 단계이다.In step 2, inorganic compounds are mixed to prepare inorganic-microalgae complex by mixing with lipid-removed microalgae.

구체적으로, 상기 단계 2의 무기화합물은 탄소 소재와 복합화하여 다양한 응용분야에 사용될 수 있는 무기물을 형성할 수 있는 무기화합물인 것이 바람직하며, 구체적인 일례로써, 상기 제조방법으로 제조되는 탄소 소재를 리튬 이온 전지의 전극 재료로 응용하는 경우, 전극활물질로 사용되는 금속을 포함하는 금속화합물인 것이 바람직하고, 촉매로 사용되는 경우 촉매 활성 금속을 포함하는 화합물인 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는, Sn, Si, Mg, Ca, Al, Ge, Pb, As, Sb, Bi, Pt, Ag, Au, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ti, Ni, V, W, Zn 등의 원소를 포함하는 염일 수 있다.Specifically, the inorganic compound of step 2 is preferably an inorganic compound capable of forming an inorganic material that can be used in various application fields by being combined with a carbon material. As a specific example, the carbon material produced by the above- When it is applied as an electrode material for a battery, it is preferably a metal compound including a metal used as an electrode active material, and when used as a catalyst, it is preferably a compound containing a catalytically active metal. More specifically, Sn, Si, Mg, Ca, Al, Ge, Pb, As, Sb, Bi, Pt, Ag, Au, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, , Zn, and the like.

또한, 상기 단계 2의 혼합은 용매를 사용하여 수행할 수 있으며, 바람직하게는 증류수를 사용하여 혼합할 수 있다.In addition, the mixing in step 2 may be performed using a solvent, and preferably, mixed using distilled water.

나아가, 상기 단계 2의 혼합을 증류수를 사용하여 수행하는 경우에는, 상기 지질이 제거된 미세조류의 농도는 10 g/L 내지 1,000 g/L일 수 있으며, 50 g/L 내지 500 g/L일 수 있고, 80 g/L 내지 200 g/L일 수 있다.Further, when the mixing of step 2 is carried out using distilled water, the concentration of the lipid-removed microalgae may be 10 g / L to 1,000 g / L, and may be 50 g / L to 500 g / L And can be from 80 g / L to 200 g / L.

또한, 상기 단계 2에서 혼합되는 무기화합물의 농도는 0.01 M 내지 0.5 M인 것이 바람직하고, 0.02 M 내지 0.2 M인 것이 더욱 바람직하며, 0.03 M 내지 0.1 M인 것이 가장 바람직하다. 상기 단계 2에서 첨가되는 무기화합물의 농도가 0.01 M 미만일 경우에는 첨가되는 무기화합물이 미미하여 추후 무기-탄소 복합체로서 성능을 발휘하기 어려운 문제가 있으며, 0.5 M를 초과하는 경우에는 과도한 무기화합물의 양으로 인해 무기화합물만으로 뭉쳐서 형성되는 불순물이 발생하는 문제가 있다.In addition, the concentration of the inorganic compound to be mixed in step 2 is preferably 0.01 M to 0.5 M, more preferably 0.02 M to 0.2 M, most preferably 0.03 M to 0.1 M. If the concentration of the inorganic compound to be added in the step 2 is less than 0.01 M, there is a problem that the inorganic compound to be added is insufficient and it is difficult to exert its performance as the inorganic-carbon composite in the future. If it exceeds 0.5 M, There is a problem that an impurity which is formed by clumping with only the inorganic compound is generated.

나아가, 상기 단계 2의 합성은 수열합성이고, 100 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 6 시간 내지 60 시간 동안 수행할 수 있으며, 150 ℃ 내지 250 ℃의 온도에서 12 시간 내지 48 시간 동안 수행할 수 있고, 175 ℃ 내지 225 ℃의 온도에서 18 시간 내지 36 시간 동안 수행할 수 있다.Further, the synthesis of step 2 is hydrothermal synthesis and may be carried out at a temperature of 100 ° C to 300 ° C for 6 hours to 60 hours, at a temperature of 150 ° C to 250 ° C for 12 hours to 48 hours, And at a temperature of 175 [deg.] C to 225 [deg.] C for 18 to 36 hours.

또한, 상기 단계 2의 합성 이후, 생성된 무기-미세조류 복합체를 회수하고자 여과 및 건조 단계(단계 2-1);를 더 수행할 수 있다. 상기 단계 2에서 합성 방법으로 수열합성을 수행하여 합성된 무기물 및 미세조류를 포함하는 복합체는 증류수와 같이 존재할 수 있다. 때문에, 상기 단계 2를 수행하고 난 후, 무기-미세조류 복합체만을 얻기 위해 여과 및 건조 공정을 거칠 수 있으며, 상기 여과 및 건조 공정은 원심분리기, 필터 등을 이용하여 여과시킨 후, 80 ℃ 내지 150 ℃의 온도, 바람직하게는 100 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 건조하여 수행될 수 있다.Further, after the synthesis of step 2, a filtration and drying step (step 2-1) may be further performed in order to recover the resulting inorganic micro-algae complex. In the step 2, the complex including the inorganic material and the microalgae synthesized by the hydrothermal synthesis according to the synthesis method may exist together with the distilled water. Therefore, after performing the step 2, the filtration and drying process may be performed to obtain only the inorganic micro-algae complex. The filtration and drying process may be performed using a centrifugal separator, a filter, Lt; 0 > C, preferably 100 < 0 > C to 120 < 0 > C.

다음으로, 본 발명에 따른 탄소 소재의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 무기-미세조류 복합체를 열처리하여 무기-탄소 복합체를 제조하는 단계이다.Next, in the method for producing a carbon material according to the present invention, step 3 is a step of preparing an inorganic-carbon composite by heat-treating the inorganic micro-algae composite produced in step 2 above.

상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 제조된 복합체를 열처리하여 탄화시킴으로써 무기물 및 탄소를 포함하는 무기-탄소 복합체를 제조한다.In step 3, the composite produced in step 2 is carbonized by heat treatment to produce an inorganic-carbon composite containing an inorganic material and carbon.

구체적으로, 상기 단계 3의 열처리는 450 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 수행할 수 있다. 또한, 상기 단계 3의 열처리는 아르곤, 질소, 또는 5 % 이내의 수소를 포함하는 아르곤 또는 질소 기체 조건에서 수행될 수 있다.Specifically, the heat treatment in step 3 may be performed at a temperature of 450 ° C to 1,000 ° C. In addition, the heat treatment in step 3 may be performed under argon, nitrogen, or argon or nitrogen gas conditions containing hydrogen within 5%.

구체적인 일례로써, 상기 단계 3의 열처리는 450 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 1 차 열처리 후, 650 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 2 차 열처리하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 1 차 열처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행하고, 상기 2 차 열처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행할 수 있다.As a specific example, it is preferable that the heat treatment in the step 3 is performed by a first heat treatment at a temperature of 450 ° C to 600 ° C, and then a second heat treatment at a temperature of 650 ° C to 1,000 ° C. The first heat treatment may be performed for 30 minutes to 2 hours, and the second heat treatment may be performed for 30 minutes to 2 hours.

전술한 바와 같은, 본 발명에 따른 탄소 소재의 제조방법은 미세조류의 지질 제거 또는 추출로 인해 하이드록시기(-OH) 및 아마이드기(-N)이 증가하여 더욱 효율적이고 균질하게 금속 등의 무기물이 코팅되는 효과가 있다. As described above, in the method for producing a carbonaceous material according to the present invention, the hydroxyl group (-OH) and the amide group (-N) are increased due to lipid removal or extraction of microalgae, There is an effect of coating.

또한, 균일한 크기의 구형을 가지는 탄소 복합체를 제조할 수 있으며, 상기 미세조류는 우수한 탄소 전구체 물질로서 질소 및 인을 포함하고 있어 전기화학적 성능이 우수한 탄소 소재로서 사용될 수 있다. In addition, a carbon composite having a spherical shape of a uniform size can be produced. The microalgae contain nitrogen and phosphorus as excellent carbon precursor materials and can be used as a carbon material having excellent electrochemical performance.

나아가, 본 발명은Further,

지질이 제거된 미세조류와 무기화합물을 혼합한 후, 합성하여 무기-미세조류 복합체를 제조하는 단계(단계 1); 및Preparing inorganic-microalgae complexes by mixing microalgae from which lipids have been removed and inorganic compounds (Step 1); And

상기 단계 2에서 제조된 무기-미세조류 복합체를 열처리하여 무기-탄소 복합체를 제조하는 단계(단계 2);를 통해 탄소 소재를 제조할 수 있다.The carbon material may be manufactured through the step of preparing the inorganic-carbon composite by heat-treating the inorganic micro-algae composite prepared in the step 2 (step 2).

구체적으로는, 바이오디젤 생산공정에서 발생하는 지질이 제거된 미세조류를 준비하여, 상기 탄소 소재 제조의 원료로 사용할 수 있다.Specifically, microalgae from which lipids are removed from the biodiesel production process can be prepared and used as a raw material for manufacturing the carbon material.

이와 같이, 바이오디젤 생산공정에서 발생하는 지질이 제거된 미세조류를 사용하는 경우, 바이오매스의 활용에 따른 지질이 추출된 미세조류 폐기물의 양이 확대되는 문제를 해결하여, 친환경적인 신재생 연료의 제조방법으로서 재활용될 수 있다. As described above, when micro-algae from which lipid is removed from the biodiesel production process is used, the problem of increasing the amount of micro-algae waste extracted from the biomass is eliminated, And can be recycled as a manufacturing method.

나아가, 본 발명은Further,

상기의 제조방법으로 제조되는 탄소 소재를 제공한다.A carbon material produced by the above production method is provided.

본 발명에 따른 탄소 소재는 지질이 제거된 미세조류를 이용하여 제조되는 탄소 소재로서, 무기물 및 탄소를 포함하고, 균일한 크기의 구형을 가진다.The carbonaceous material according to the present invention is a carbonaceous material produced using lipid-free microalgae, which contains inorganic substances and carbon, and has a spherical shape of a uniform size.

구체적으로, 상기 탄소 소재의 크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있으며, 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있고, 1 ㎛ 내지 4 ㎛일 수 있다.Specifically, the size of the carbon material may be 0.1 탆 to 10 탆, may be 0.5 탆 to 5 탆, and may be 1 탆 to 4 탆.

또한, 미세조류의 지질 제거 또는 추출로 인해 하이드록시기(-OH) 및 아마이드기(-N)이 증가하여 더욱 효율적이고 균질하게 금속 등의 무기물이 코팅되어 있으며, 이에 따라, 전기화학적 성능이 우수한 탄소 소재이다.In addition, since the lipid (-OH) and amide groups (-N) are increased due to lipid removal or extraction of microalgae, inorganic substances such as metals are coated more efficiently and homogeneously, Carbon material.

나아가, 상기 탄소 소재는 이차 전지의 전극, 연료 전지의 전극, 슈퍼커패시터, 센서, 촉매, 물분해 촉매 및 수소저장용 재료 등의 용도로 사용될 수 있다.Furthermore, the carbon material may be used for an electrode of a secondary battery, an electrode of a fuel cell, a supercapacitor, a sensor, a catalyst, a water decomposition catalyst, and a hydrogen storage material.

더욱 나아가, 본 발명은Further,

상기의 제조방법으로 제조되는 탄소 소재를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 소재를 제공한다.A negative electrode material for a lithium ion battery comprising a carbonaceous material produced by the above production method is provided.

나아가, 본 발명은Further,

미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거하는 단계(단계 1); Removing at least part of the lipids of the microalgae (step 1);

상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 음극활물질을 혼합한 후, 합성하여 음극활물질-미세조류 복합체를 제조하는 단계(단계 2); 및Preparing a negative electrode active material-microalgae composite by mixing the microalgae from which lipid has been removed and the negative electrode active material in step 1; And

상기 단계 2에서 제조된 음극활물질-미세조류 복합체를 열처리하여 음극활물질-탄소 복합체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 소재의 제조방법을 제공한다.And a step (step 3) of preparing the negative electrode active material-carbon composite by heat treating the negative electrode active material-microalgae composite prepared in the step 2 (step 3).

이하, 본 발명에 따른 리튬 이온 전지용 음극 소재의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a cathode material for a lithium ion battery according to the present invention will be described in detail for each step.

먼저, 본 발명에 따른 리튬 이온 전지 음극 소재의 제조방법에 있어서, 단계 1은 미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거하는 단계이다.First, in the method for manufacturing a lithium ion battery negative electrode material according to the present invention, step 1 is a step of removing at least a part of the lipid of the microalgae.

상기 단계 1은 지질이 제거된 미세조류를 준비하고자 하는 단계로서, 미세조류를 준비한 후, 미세조류 내에 존재하는 지질의 적어도 일부 또는 모두를 제거할 수 있다.Step 1 is a step for preparing microalgae from which lipid has been removed. After preparation of microalgae, at least a part or all of the lipid present in the microalgae can be removed.

구체적으로, 상기 단계 1의 미세조류는 해조류, 남조류, 크립토조류, 황금색조류, 유글레나조류, 규조류, 갈조류, 홍조류, 녹조류 및 차축조류 등일 수 있다. 상기 미세조류는 그 자체만으로도 탄소원으로 사용될 수 있으며, 산소환원반응의 활성에 적합한 헤테로 원소들이 이미 함유되어 있다. Specifically, the microalgae of step 1 may be algae, cyanobacteria, cryptobales, golden algae, euglena algae, diatoms, brown algae, red algae, green algae and axle algae. The microalgae can be used alone as a carbon source, and already contain hetero elements suitable for the activity of the oxygen reduction reaction.

이때 본 발명에서는 미세조류의 지질 제거를 통해 하이드록시기(-OH) 및 아마이드기(-N)를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 추후 무기화합물과의 혼합 및 열처리 과정에서 더욱 효율적이고 균질하게 금속 등의 무기물을 코팅시킬 수 있다.At this time, in the present invention, it is possible to increase the hydroxyl group (-OH) and the amide group (-N) by removing the lipid of the microalgae, and thereby, more efficiently and homogeneously in the mixing and heat- Can be coated.

또한, 상기 단계 1의 지질 제거는 미세조류의 지질을 제거 또는 추출할 수 있는 방법이면 제한되지 않은 다양한 방법을 수행할 수 있으나, 구체적인 일례로써, 미세조류의 지질을 유기 용매로 추출하는 단계(단계 1-1);를 수행하여 제거할 수 있다.In addition, the lipid removal in step 1 may be performed by various methods that can remove or extract lipid from microalgae. However, as a specific example, the lipid of microalgae may be extracted with an organic solvent 1-1). ≪ / RTI >

상기 단계 1-1의 유기 용매는 클로로포롬(chloroform), 메탄올(methanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 및 아세톤(acetone) 등을 사용할 수 있으나, 상기 유기 용매가 이에 제한되는 것은 아니며, 미세조류의 지질을 추출할 수 있는 유기 용매이면 제한되지 않고 사용할 수 있다.The organic solvent in step 1-1 may be chloroform, methanol, dimethylformamide (DMF), or acetone. However, the organic solvent is not limited thereto, Any organic solvent capable of extracting algae lipids can be used without limitation.

또한, 상기 단계 1-1의 추출은 미세조류를 유기 용매에 첨가한 후, 300 rpm 내지 4,000 rpm의 회전 속도로 수행될 수 있으며, 500 rpm 내지 3,000 rpm의 회전속도로 수행될 수 있고, 750 rpm 내지 2,000 rpm의 회전속도로 수행될 수 있다. 또한, 상기 교반은 10 분 내지 24 시간 동안 수행될 수 있으며, 30 분 내지 12 시간 동안 수행될 수 있고, 60 분 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the extraction in step 1-1 may be performed at a rotation speed of 300 rpm to 4,000 rpm after adding microalgae to the organic solvent, and may be performed at a rotation speed of 500 rpm to 3,000 rpm, To 2,000 rpm. Further, the stirring may be performed for 10 minutes to 24 hours, and may be performed for 30 minutes to 12 hours, and may be performed for 60 minutes to 6 hours.

나아가, 상기 단계 1을 수행하고 난 후, 지질이 제거된 미세조류를 여과 및 건조하는 단계(단계 1-2);를 더 포함할 수 있다. 상기 단계 1을 수행하여 지질이 제거된 미세조류는 유기 용매와 같이 존재할 수 있다. 때문에, 상기 단계 1을 수행하고 난 후, 지질이 제거된 미세조류만을 얻기 위해 여과 및 건조 공정을 거칠 수 있으며, 상기 여과 및 건조 공정은 원심분리기, 필터 등을 이용하여 여과시킨 후, 동결건조하여 수행될 수 있다.Further, the method may further include a step (step 1-2) of filtering and drying the lipid-removed microalgae after performing step 1 above. The lipid-removed microalgae may be present as an organic solvent by performing the step 1 above. Therefore, after performing the step 1, filtration and drying may be performed to obtain only microalgae from which lipid has been removed. The filtration and drying process is performed by filtration using a centrifugal separator, a filter, etc., followed by lyophilization .

또한, 상기 단계 1에서 제거된 지질은 바이오디젤 합성에 사용될 수 있다. 미세조류의 지질은 산 또는 염기 촉매 하에서 짧은 길이의 알코올(메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등)과 반응하여 생성되는 지방산 알킬 에스테르(fatty acid methyl ester, FAME)를 형성할 수 있다. In addition, the lipid removed in step 1 above may be used for biodiesel synthesis. The lipid of the microalgae can form a fatty acid methyl ester (FAME), which is produced by reacting with short-chain alcohol (methanol, ethanol, propanol, butanol, etc.) under acid or base catalyst.

다음으로, 본 발명에 따른 리튬 이온 전지 음극 소재의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 음극활물질을 혼합한 후, 합성하여 음극활물질-미세조류 복합체를 제조하는 단계이다.Next, in the method for manufacturing a lithium ion battery negative electrode material according to the present invention, Step 2 is a step of mixing the microalgae from which lipid has been removed and the negative electrode active material in Step 1, and then synthesizing the negative active material- microalgae composite .

상기 단계 2에서는 지질이 제거된 미세조류와 혼합하여 음극활물질-미세조류 복합체를 제조하기 위해 음극활물질을 혼합 및 합성하는 단계이다.In step 2, the negative active material is mixed and synthesized to prepare a negative active material-microalgae complex by mixing with lipid-removed microalgae.

구체적으로, 상기 단계 2의 음극활물질은 금속을 포함하는 금속화합물인 것이 바람직하고, 더욱 구체적으로는, Sn, Si, Mg, Ca, Al, Ge, Pb, As, Sb, Bi, Pt, Ag, Au, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ti, Ni, V, W, Zn 등의 원소를 포함하는 염일 수 있다.The negative active material of step 2 is preferably a metal compound containing a metal and more specifically Sn, Si, Mg, Ca, Al, Ge, Pb, As, Sb, Bi, Pt, Ag, Or a salt containing elements such as Au, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ti, Ni, V, W and Zn.

또한, 상기 단계 2의 혼합은 용매를 사용하여 수행할 수 있으며, 바람직하게는 증류수를 사용하여 혼합할 수 있다.In addition, the mixing in step 2 may be performed using a solvent, and preferably, mixed using distilled water.

나아가, 상기 단계 2의 혼합을 증류수를 사용하여 수행하는 경우에는, 상기 지질이 제거된 미세조류의 농도는 10 g/L 내지 1,000 g/L일 수 있으며, 50 g/L 내지 500 g/L일 수 있고, 80 g/L 내지 200 g/L일 수 있다.Further, when the mixing of step 2 is carried out using distilled water, the concentration of the lipid-removed microalgae may be 10 g / L to 1,000 g / L, and may be 50 g / L to 500 g / L And can be from 80 g / L to 200 g / L.

또한, 상기 단계 2에서 혼합되는 음극활물질의 농도는 0.01 M 내지 0.5 M인 것이 바람직하고, 0.02 M 내지 0.2 M인 것이 더욱 바람직하며, 0.03 M 내지 0.1 M인 것이 가장 바람직하다. 상기 단계 2에서 첨가되는 음극활물질의 농도가 0.01 M 미만일 경우에는 첨가되는 음극활물질이 미미하여 추후 음극활물질-탄소 복합체로서 성능을 발휘하기 어려운 문제가 있으며, 0.5 M를 초과하는 경우에는 과도한 무기화합물의 양으로 인해 음극활물질만으로 뭉쳐서 형성되는 불순물이 발생하는 문제가 있다.In addition, the concentration of the negative electrode active material mixed in step 2 is preferably 0.01 M to 0.5 M, more preferably 0.02 M to 0.2 M, most preferably 0.03 M to 0.1 M. When the concentration of the negative electrode active material added in the step 2 is less than 0.01 M, the negative active material to be added is insufficient, so that it is difficult to exert its performance as a negative electrode active material-carbon composite material in the future. When the concentration exceeds 0.5 M, There is a problem that an impurity which is formed by the aggregation of only the negative electrode active material occurs.

나아가, 상기 단계 2의 합성은 수열합성이고, 100 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 6 시간 내지 60 시간 동안 수행할 수 있으며, 150 ℃ 내지 250 ℃의 온도에서 12 시간 내지 48 시간 동안 수행할 수 있고, 175 ℃ 내지 225 ℃의 온도에서 18 시간 내지 36 시간 동안 수행할 수 있다.Further, the synthesis of step 2 is hydrothermal synthesis and may be carried out at a temperature of 100 ° C to 300 ° C for 6 hours to 60 hours, at a temperature of 150 ° C to 250 ° C for 12 hours to 48 hours, And at a temperature of 175 [deg.] C to 225 [deg.] C for 18 to 36 hours.

또한, 상기 단계 2의 합성 이후, 생성된 음극활물질-미세조류 복합체를 회수하고자 여과 및 건조 단계(단계 2-1);를 더 수행할 수 있다. 상기 단계 2에서 합성 방법으로 수열합성을 수행하여 합성된 음극활물질 및 미세조류를 포함하는 복합체는 증류수와 같이 존재할 수 있다. 때문에, 상기 단계 2를 수행하고 난 후, 음극활물질-미세조류 복합체만을 얻기 위해 여과 및 건조 공정을 거칠 수 있으며, 상기 여과 및 건조 공정은 원심분리기, 필터 등을 이용하여 여과시킨 후, 80 ℃ 내지 150 ℃의 온도, 바람직하게는 100 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 건조하여 수행될 수 있다.Further, after the synthesis of Step 2, a filtration and drying step (Step 2-1) may be further performed in order to recover the resulting negative electrode active material-microalgae complex. The composite comprising the synthesized negative electrode active material and the microalgae obtained by performing the hydrothermal synthesis according to the synthesis method in the step 2 may exist together with distilled water. Therefore, after performing the above step 2, the filtration and drying process may be performed to obtain only the negative electrode active material-microalgae complex. The filtration and drying process may be performed by filtration using a centrifugal separator, a filter, Lt; 0 > C to 150 < 0 > C, preferably 100 < 0 > C to 120 < 0 > C.

다음으로, 본 발명에 따른 리튬 이온 전지 음극 소재의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 음극활물질-미세조류 복합체를 열처리하여 음극활물질-탄소 복합체를 제조하는 단계이다.Next, in the method of manufacturing a lithium ion battery negative electrode material according to the present invention, step 3 is a step of preparing the negative electrode active material-carbon composite by heat treating the negative electrode active material-microalgae composite prepared in step 2 above.

상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 제조된 복합체를 열처리하여 탄화시킴으로써 음극활물질 및 탄소를 포함하는 음극활물질-탄소 복합체를 제조한다.In step 3, the composite prepared in step 2 is carbonized by heat treatment to produce a negative electrode active material-carbon composite including the negative active material and carbon.

구체적으로, 상기 단계 3의 열처리는 450 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 수행할 수 있다. Specifically, the heat treatment in step 3 may be performed at a temperature of 450 ° C to 1,000 ° C.

구체적인 일례로써, 상기 단계 3의 열처리는 450 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 1 차 열처리 후, 650 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 2 차 열처리하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 1 차 열처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행하고, 상기 2 차 열처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행할 수 있다.As a specific example, it is preferable that the heat treatment in the step 3 is performed by a first heat treatment at a temperature of 450 ° C to 600 ° C, and then a second heat treatment at a temperature of 650 ° C to 1,000 ° C. The first heat treatment may be performed for 30 minutes to 2 hours, and the second heat treatment may be performed for 30 minutes to 2 hours.

전술한 바와 같은, 본 발명에 따른 리튬 이온 전지 음극 소재의 제조방법은 미세조류의 지질 제거 또는 추출로 인해 하이드록시기(-OH) 및 아마이드기(-N)이 증가하여 더욱 효율적이고 균질하게 음극활물질이 코팅되는 효과가 있다. As described above, the production method of a lithium ion battery negative electrode material according to the present invention increases the hydroxyl group (-OH) and the amide group (-N) due to lipid removal or extraction of microalgae, There is an effect that the active material is coated.

또한, 균일한 크기의 구형을 가지는 탄소 복합체를 제조할 수 있으며, 상기 미세조류는 우수한 탄소 전구체 물질로서 질소 및 인을 포함하고 있어 전기화학적 성능이 우수한 탄소 소재로서 사용될 수 있다. In addition, a carbon composite having a spherical shape of a uniform size can be produced. The microalgae contain nitrogen and phosphorus as excellent carbon precursor materials and can be used as a carbon material having excellent electrochemical performance.

나아가, 본 발명은Further,

상기의 제조방법으로 제조된 음극 소재를 포함하는 음극;An anode including a cathode material manufactured by the above manufacturing method;

양극 활물질을 포함하는 양극; 및A cathode comprising a cathode active material; And

전해액;을 포함하는 리튬 이온 전지를 제공한다.A lithium ion battery comprising: an electrolyte;

본 발명에 따른 리튬 이온 전지는 지질이 제거된 미세조류를 이용하여 제조된 탄소 복합체를 음극으로 포함함으로써 더욱 균질하게 음극활물질이 코팅되어 있는 탄소 복합체이기 때문에 전기화학적 성능이 우수한 효과가 있다.The lithium ion battery according to the present invention is excellent in electrochemical performance because it contains a carbon composite material prepared using lipid-free microalgae as a negative electrode, and thus is more uniformly coated with a negative electrode active material.

이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, examples and experimental examples of the present invention will be described in more detail.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

<실시예 1> 탄소 소재의 제조&Lt; Example 1 > Production of carbon material

단계 1: 미세조류(microalgae)의 종류는 Chlorella sp.KR-1로 KNO3 3.00 mM; KH2PO4 5.44 mM; Na2HPO4 1.83 mM; MgSO4ㆍ7H2O 0.20 mM; CaCl2 0.12 mM; FeNaEDTA 0.03 mM; ZnSO4ㆍ7H2O 0.01 mM; MnCl2ㆍ4H2O 0.07 mM; Al2(SO4)3ㆍ18H2O, 0.01 mM; 및 CuSO4 0.07 mM의 조성으로 구성된 배지를 이용하여 pH 6.5 조건에서 이산화탄소(CO2)를 공급하며 광독립영양배양법으로 배양하였다.Step 1: Type of microalgae (microalgae) is 3.00 mM KNO 3 as Chlorella sp.KR-1; KH 2 PO 4 5.44 mM; Na 2 HPO 4 1.83 mM; 0.20 mM MgSO 4揃 7H 2 O; CaCl 2 0.12 mM; 0.03 mM FeNaEDTA; 0.01 mM ZnSO 4 .7H 2 O; 0.07 mM MnCl 2 .4H 2 O; Al 2 (SO 4 ) 3揃 18H 2 O, 0.01 mM; And 0.07 mM CuSO 4 in a medium containing carbon dioxide (CO 2 ) at pH 6.5.

상기 배양된 미세조류를 클로로포롬(chloroform, CHCl3, 99 %, Sigma Aldrich) 및 메탄올(methanol)이 혼합된 유기 용매에 1 : 1의 부피비로 혼합한 용매로 1,000 rpm의 회전속도로 격렬하게 2 시간 동안 교반하여 지질을 추출하였다.The cultured microalgae were mixed with an organic solvent mixed with chloroform (CHCl 3 , 99%, Sigma Aldrich) and methanol at a volume ratio of 1: 1, and stirred vigorously at a rotation speed of 1,000 rpm for 2 The lipids were extracted by stirring for a period of time.

이후, 상기 용액을 여과하고 6 시간 동안 증발시켜 지질이 제거된 미세조류를 얻으며, 여과된 용액 내 지질은 회수하여 바이오디젤 제조공정에 사용되었다. 이때, 지질이 추출된 미세조류는 동결건조시킨 후 보관하였다가 이후에 다시 사용할 수 있다.Thereafter, the solution was filtered and evaporated for 6 hours to obtain lipid-free microalgae, and the lipids in the filtered solution were recovered and used in the biodiesel manufacturing process. At this time, the microalgae from which lipids are extracted can be stored after lyophilization, and then used again.

단계 2: 상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류를 증류수에 100 g/L의 농도로 첨가한 후, 염화주석(tin(Ⅱ) chloride anhydrous, SnCl2, MW=189.62, Junse, Japan) 0.05 M 첨가하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 제조된 혼합 용액을 195 ℃의 온도에서 밤새 수열합성하였다. 이후, 나일론 필터(0.2 ㎛, Whatman)를 사용하여 여과시킨 후, 120 ℃의 온도에서 12 시간 동안 건조하여 무기-미세조류 복합체를 제조하였다.Step 2: Tin chloride (tin (II) chloride anhydrous, SnCl 2 , MW = 189.62, Junse, Japan) was added to distilled water at a concentration of 100 g / To prepare a mixed solution. The prepared mixed solution was hydrothermally synthesized overnight at a temperature of 195 ° C. Thereafter, the mixture was filtered using a nylon filter (0.2 μm, Whatman), and then dried at a temperature of 120 ° C. for 12 hours to prepare an inorganic micro-algae complex.

단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 무기-미세조류 복합체를 탄화시켜 주석-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 탄화는 500 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열처리를 수행한 후, 아르곤 가스 분위기에서 800 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리를 수행하였다. 이때, 800 ℃의 온도까지 10 ℃/min의 속도로 온도를 상승시켰다.Step 3: The tin-carbon composite was prepared by carbonizing the inorganic micro-algae complex prepared in step 2 above. The carbonization was performed at a temperature of 500 ° C. for 1 hour and then at 800 ° C. for 1 hour in an argon gas atmosphere. At this time, the temperature was raised to 800 占 폚 at a rate of 10 占 폚 / min.

<비교예 1> &Lt; Comparative Example 1 &

단계 1: 미세조류(microalgae)의 종류는 Chlorella sp.KR-1로 KNO3 3.00 mM; KH2PO4 5.44 mM; Na2HPO4 1.83 mM; MgSO4ㆍ7H2O 0.20 mM; CaCl2 0.12 mM; FeNaEDTA 0.03 mM; ZnSO4ㆍ7H2O 0.01 mM; MnCl2ㆍ4H2O 0.07 mM; Al2(SO4)3ㆍ18H2O, 0.01 mM; 및 CuSO4 0.07 mM의 조성으로 구성된 배지를 이용하여 pH 6.5 조건에서 이산화탄소(CO2)를 공급하며 배양하였다.Step 1: Type of microalgae (microalgae) is 3.00 mM KNO 3 as Chlorella sp.KR-1; KH 2 PO 4 5.44 mM; Na 2 HPO 4 1.83 mM; 0.20 mM MgSO 4揃 7H 2 O; CaCl 2 0.12 mM; 0.03 mM FeNaEDTA; 0.01 mM ZnSO 4 .7H 2 O; 0.07 mM MnCl 2 .4H 2 O; Al 2 (SO 4 ) 3揃 18H 2 O, 0.01 mM; And 0.07 mM CuSO 4 in the presence of carbon dioxide (CO 2 ) at a pH of 6.5.

상기 배양된 미세조류를 증류수에 100 g/L의 농도로 첨가한 후, 염화주석(tin(Ⅱ) chloride anhydrous, SnCl2, MW=189.62, Junse, Japan) 0.05 M 첨가하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 제조된 혼합 용액을 195 ℃의 온도에서 밤새 수열합성하였다. 이후, 나일론 필터(0.2 ㎛, Whatman)를 사용하여 여과시킨 후, 120 ℃의 온도에서 12 시간 동안 건조하여 무기-미세조류 복합체를 제조하였다.The mixed microalgae were added to distilled water at a concentration of 100 g / L and then 0.05 M of tin (II) chloride anhydrous, SnCl 2 , MW = 189.62, Junse, Japan was added to prepare a mixed solution. The prepared mixed solution was hydrothermally synthesized overnight at a temperature of 195 ° C. Thereafter, the mixture was filtered using a nylon filter (0.2 μm, Whatman), and then dried at a temperature of 120 ° C. for 12 hours to prepare an inorganic micro-algae complex.

단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 무기-미세조류 복합체를 탄화시켜 주석-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 탄화는 500 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열처리를 수행한 후, 아르곤 가스 분위기에서 800 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리를 수행하였다. 이때, 800 ℃의 온도까지 10 ℃/min의 속도로 온도를 상승시켰다.Step 2: The tin-carbon composite was prepared by carbonizing the inorganic-microalgae composite produced in the step 1 above. The carbonization was performed at a temperature of 500 ° C. for 1 hour and then at 800 ° C. for 1 hour in an argon gas atmosphere. At this time, the temperature was raised to 800 占 폚 at a rate of 10 占 폚 / min.

<실험예 1> 모폴로지 분석<Experimental Example 1> Morphology analysis

본 발명에 따른 탄소 소재의 제조방법으로 제조된 탄소 소재의 모폴로지를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 사용된 미세조류, 단계 1을 수행하고난 후 지질이 제거된 미세조류, 상기 실시예 1에서 제조된 주석-탄소 복합체인 탄소 소재 및 비교예 1에서 제조된 주석-탄소 복합체인 탄소 소재를 주사 전자 현미경(SEM, HITACHI, S-4800), 투과 전자 현미경(TEM, Tecnai, TF30 ST), 에너지 분산 X-선 분광법(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS) 및 적외선 분광 분석법(FT-IR)을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 1 내지 4에 나타내었다.In order to confirm the morphology of the carbon material produced by the method of manufacturing carbon materials according to the present invention, the microalgae used in Example 1, microalgae from which lipid was removed after carrying out Step 1, The carbon material as the tin-carbon composite produced and the carbon material as the tin-carbon composite prepared in Comparative Example 1 were observed under a scanning electron microscope (SEM, HITACHI, S-4800), a transmission electron microscope (TEM, Tecnai, TF30 ST) Dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and infrared spectroscopy (FT-IR). The results are shown in FIGS. 1 to 4.

도 1에 나타낸 바와 같이, 미세 조류는 구형을 가지며, 2 ㎛ 내지 3 ㎛의 크기(또는 직경)를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 지질을 제거하기 전의 미세조류를 살펴보면, 녹말 과립(starch granule)과 엽록체(chloroplast)를 확인할 수 있었다. 지질을 제거하고 난 후의 미세조류를 살펴보면, 지질의 대부분이 제거되어 있음을 확인할 수 있다.As shown in Fig. 1, it can be confirmed that the microalgae have a spherical shape and show a size (or diameter) of 2 mu m to 3 mu m. Looking at the microalgae before removing lipids, starch granules and chloroplasts could be identified. If we look at the microalgae after removing the lipids, we can confirm that most of the lipids are removed.

또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 미세조류의 지질이 제거되면서 하이드록시기(hydroxyl functional group, -OH) 및 아마이드기(amide functional group, -N)가 증가된 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, it was confirmed that hydroxyl groups (-OH) and amide functional groups (-N) were increased while lipid of microalgae was removed.

나아가, 도 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 주석-탄소 복합체는 마이크로 크기의 탄소계 입자에 나노 크기의 금속 입자가 균일하게 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다.Further, as shown in FIG. 3, it can be confirmed that the tin-carbon composite produced in Example 1 has nanosized metal particles uniformly coated on the micro-sized carbon-based particles.

반면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 비교예 1에서 제조된 주석-탄소 복합체는 균질하게 분포되지 않고 뭉친 부분이 나타나있음을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 4, the tin-carbon composites produced in Comparative Example 1 are not uniformly distributed, but a clustered portion appears.

이에 따라, 상기 복합체들의 비표면적을 BET 분석을 통해 살펴보아도, 실시예 1의 비표면적(surface area)은 232.1 m2/g이며, 기공부피(pore volume)는 0.24 cm3/g으로 매우 높은 것을 확인할 수 있으며, 비교예 2의 비표면적은 2.7 m2/g이고, 기공부피는 0.007 cm3/g으로 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다.Thus, when the specific surface area of the composites was examined by BET analysis, the specific surface area of Example 1 was 232.1 m 2 / g, and the pore volume was very high (0.24 cm 3 / g) The specific surface area of Comparative Example 2 is 2.7 m 2 / g, and the pore volume is 0.007 cm 3 / g, which is remarkably low.

또한, X-선 광전자 분광법(XPS) 분석을 통해 N(질소), P(인), S(황)이 주석-탄소 복합체에 포함되어 있음을 알 수 있다. 이러한 외부원소가 포함된 것은 탄소재료의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있어 바람직하다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis shows that N (nitrogen), P (phosphorus) and S (sulfur) are included in the tin-carbon composite. Such an external element is preferable because it can improve the electrochemical characteristics of the carbon material.

Claims (17)

미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 무기화합물을 혼합한 후, 합성하여 무기-미세조류 복합체를 제조하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 무기-미세조류 복합체를 열처리하여 무기-탄소 복합체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 탄소 소재의 제조방법.
Removing at least part of the lipids of the microalgae (step 1);
Mixing the microalgae from which the lipid has been removed and the inorganic compound in the step 1 and synthesizing them to prepare an inorganic microalgae complex (step 2); And
And heat-treating the inorganic micro-algae composite produced in step 2 to produce an inorganic-carbon composite (step 3).
제1항에 있어서,
상기 단계 1의 미세조류는 해조류, 남조류, 크립토조류, 황금색조류, 유글레나조류, 규조류, 갈조류, 홍조류, 녹조류 및 차축조류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the microalgae of step 1 is at least one selected from the group consisting of seaweeds, cyanobacteria, cryptobales, gold algae, euglena algae, diatoms, brown algae, red algae, green algae and axle algae.
제1항에 있어서,
상기 단계 1은 미세조류의 지질을 유기 용매로 추출하는 단계(단계 1-1);를 포함하는 탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step 1 comprises extracting the lipids of the microalgae with an organic solvent (step 1-1).
제3항에 있어서,
상기 유기 용매는 유기 용매는 클로로포롬(chloroform), 메탄올(methanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 및 아세톤(acetone)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the organic solvent is at least one organic solvent selected from the group consisting of chloroform, methanol, dimethylformamide (DMF), and acetone.
제3항에 있어서,
상기 추출은 미세조류를 유기 용매에 첨가한 후, 300 rpm 내지 4,000 rpm의 회전 속도로 10 분 내지 24 시간 동안 교반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the extraction is carried out by adding the microalgae to the organic solvent and then stirring at a rotation speed of 300 rpm to 4,000 rpm for 10 minutes to 24 hours.
제1항에 있어서,
상기 단계 1을 수행하고 난 후,
지질이 제거된 미세조류를 여과 및 건조하는 단계(단계 1-2);를 더 포함하는 탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
After performing step 1 above,
And filtering and drying the lipid-removed microalgae (step 1-2).
제1항에 있어서,
상기 단계 2에서 혼합되는 무기화합물의 농도는 0.01 M 내지 0.5 M인 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the inorganic compound to be mixed in step 2 is 0.01 M to 0.5 M.
제1항에 있어서,
상기 단계 2의 무기화합물은 Sn, Si, Mg, Ca, Al, Ge, Pb, As, Sb, Bi, Pt, Ag, Au, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ti, Ni, V, W 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 원소를 포함하는 염인 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
The inorganic compound of step 2 may be at least one selected from the group consisting of Sn, Si, Mg, Ca, Al, Ge, Pb, As, Sb, Bi, Pt, Ag, Au, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, , W, and Zn. The method for producing a carbon material according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 단계 2의 합성은 수열합성이고, 100 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 6 시간 내지 60 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the synthesis of step 2 is hydrothermal synthesis and is carried out at a temperature of 100 ° C to 300 ° C for 6 hours to 60 hours.
제1항에 있어서,
상기 단계 3의 열처리는 아르곤, 질소, 5 % 이내의 수소를 포함하는 아르곤 및 5 % 이내의 수소를 포함하는 질소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 가스 분위기에서 450 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
The heat treatment in step 3 is carried out at a temperature of 450 ° C to 1,000 ° C in one kind of gas atmosphere selected from the group consisting of argon, nitrogen, argon containing not more than 5% of hydrogen and nitrogen containing not more than 5% Wherein the carbon material is a carbon material.
제1항에 있어서,
상기 단계 3의 열처리는 450 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 1 차 열처리 후, 650 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 2 차 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step 3 is a first heat treatment at a temperature of 450 ° C to 600 ° C, and a second heat treatment at a temperature of 650 ° C to 1,000 ° C.
제11항에 있어서,
상기 1 차 열처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행하고, 상기 2 차 열처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소 소재의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the first heat treatment is performed for 30 minutes to 2 hours, and the second heat treatment is performed for 30 minutes to 2 hours.
제1항의 제조방법으로 제조되는 탄소 소재.
A carbon material produced by the manufacturing method of claim 1.
제13항에 있어서,
상기 탄소 소재의 크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄소 소재.
14. The method of claim 13,
Wherein the carbon material has a size of 0.1 to 10 [mu] m.
제1항의 제조방법으로 제조되는 탄소 소재를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 소재.
A cathode material for a lithium ion battery comprising a carbon material produced by the manufacturing method of claim 1.
미세조류의 지질의 최소한 일부를 제거하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 지질이 제거된 미세조류와 음극활물질을 혼합한 후, 합성하여 음극활물질-미세조류 복합체를 제조하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 음극활물질-미세조류 복합체를 열처리하여 음극활물질-탄소 복합체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 소재의 제조방법.
Removing at least part of the lipids of the microalgae (step 1);
Preparing a negative electrode active material-microalgae composite by mixing the microalgae from which lipid has been removed and the negative electrode active material in step 1; And
And a negative electrode active material-carbon composite by heat-treating the negative electrode active material-microalgae composite prepared in the step 2 (step 3).
제16항의 제조방법으로 제조된 음극 소재를 포함하는 음극;
양극 활물질을 포함하는 양극; 및
전해액;을 포함하는 리튬 이온 전지.
An anode including a cathode material manufactured by the manufacturing method of claim 16;
A cathode comprising a cathode active material; And
A lithium ion battery comprising an electrolytic solution.
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CN111943162A (en) * 2019-05-14 2020-11-17 北京化工大学 Microalgae bio-based nitrogen-doped carbon material and preparation method and application thereof
KR20220159547A (en) * 2021-05-25 2022-12-05 국립해양생물자원관 Antimicrobial carbon nanodots complex based on Sargassum horneri and method of making the same

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