KR20180010693A - 3 dimensional composite including metal oxide material and porous grapheme - Google Patents

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김광범
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Abstract

The present invention relates to a composite with a three-dimensional structure including metal oxide and porous graphene and a negative electrode active material including the composite with a three-dimensional structure. The composite with a three-dimensional structure according to the present invention can be manufactured through a single process, thereby reducing manufacturing costs and simplifying a process. When the composite with a three-dimensional structure is used as a negative electrode active material, a sodium secondary battery excellent in chemical characteristics by improving reversibility and charging/discharging capacity can be provided.

Description

금속 산화물 및 다공성 그래핀을 포함하는 3차원 구조의 복합체{3 DIMENSIONAL COMPOSITE INCLUDING METAL OXIDE MATERIAL AND POROUS GRAPHEME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a three-dimensional composite structure containing metal oxides and porous graphenes,

본 발명은 금속 산화물 및 다공성 그래핀을 포함하는 3차원 구조의 복합체 및 상기 3차원 구조의 복합체를 포함하는 음극활물질에 대한 것이다.The present invention relates to a composite of a three-dimensional structure including a metal oxide and a porous graphene, and a negative active material including the composite of the three-dimensional structure.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차 전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 충방전 용량을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the application fields of cell phones, camcorders, notebook PCs and even electric vehicles are expanding, efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more and more specified. Electrochemical devices have attracted the greatest attention in this respect. Among them, the development of rechargeable secondary batteries has become a focus of attention. In recent years, in order to improve charge / discharge capacity, And research and development on the design of the battery is under way.

그 중 하나인 리튬 이온 전지(Li-ion battery)는 연구개발과 상용화에 있어서 이차 전지 기술 중에 주류를 점하고 있지만, 리튬 자원의 한정 및 지역 편재에 의해 축전지 시장이 급격하게 확대될 경우 급격한 가격상승이 예상되고 있다. 또한 리튬 이온 전지는 전해질로 가연성의 유기 전해액을 사용하고 있기 때문에 안정성과 액 누출 등의 위험이 있고, 에너지 밀도의 한계에 의해 방전속도 상승에 따른 온도상승과 함께 발화의 위험도 있다. 따라서 전기자동차와 에너지 저장 시스템으로 사용하기 위해 고안정성, 고용량, 장 수명, 저가격의 특성을 지니는 새로운 이차 전지 기술의 필요성이 대두되고 있다.Li-ion batteries are one of the main technologies in R & D and commercialization. However, when the battery market is rapidly expanded due to limited lithium resources and regional localization, Is expected. In addition, lithium-ion batteries use a combustible organic electrolyte as an electrolyte. Therefore, there is a risk of stability and leakage of liquid, and there is a risk of ignition as the temperature rises due to the increase of the discharge speed due to the limit of energy density. Therefore, there is a need for a new secondary battery technology having high stability, high capacity, long service life and low price for use in electric vehicles and energy storage systems.

나트륨 이온 전지(Na-ion battery)는 리튬 이온전지를 대체할 수 있는 이차 전지 중의 하나로 연구가 진행되고 있고, 일본에서는 "post Li-ion battery"로 연구가 활발히 진행되고 있다. 나트륨은 리튬에 비해 가격이 약 33배 낮고, 표준전극전위가 약 0.3V, 이온 체적이 약 2.4배, 원자량이 약 3.3배 높으며, 이론용량은 약 3.2배 낮다. 따라서, 나트륨 이차 전지는 지구상에 풍부한 나트륨을 이용함에 따라 재료 수급성 및 제조원가 측면에서 뛰어난 경쟁력을 갖추고 있으며, 대용량의 전지를 리튬이온전지 대비 단순한 구조로 만들 수 있는 장점을 갖고 있다.Na-ion batteries are being studied as one of the secondary batteries that can replace lithium-ion batteries, and in Japan, research is being actively conducted as "post-Li-ion batteries". Sodium is about 33 times lower in price than lithium, the standard electrode potential is about 0.3 V, the ion volume is about 2.4 times, the atomic weight is about 3.3 times higher, and the theoretical capacity is about 3.2 times lower. Therefore, the sodium secondary battery has excellent competitiveness in terms of material water ac- curacy and manufacturing cost by using sodium abundant on the earth, and has a merit that a large capacity battery can be made simple structure compared to a lithium ion battery.

그러나, 나트륨 이온 사이즈와 중량이 리튬보다 크기 때문에 이온의 전극 간 이동이 어려워, 전기저장 장치로서의 약점이 있다. 따라서 나트륨 이온전지의 개발은 원자레벨에서 나트륨과 잘 반응하는 축전지의 화학반응의 선택이 중요하다. 기존 나트륨 전극의 음극활물질로 사용하고 있는 NaTi2(PO4)3는 낮은 전기전도도를 가져 전자 공급이 원활하지 못하므로 전극의 효율을 저해시키는 요인으로 작용한다. 따라서, 음극활물질의 전기전도도를 높이기 위한 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.However, since the sodium ion size and weight are larger than lithium, it is difficult to move the ions between the electrodes, which is a weak point as an electric storage device. Therefore, the development of sodium ion batteries is important to choose the chemical reaction of the battery that reacts well with sodium at the atomic level. NaTi 2 (PO 4 ) 3, which is used as a negative electrode active material of conventional sodium electrode, has a low electric conductivity, which causes an inefficient supply of electrons and thus acts as a factor to deteriorate the efficiency of the electrode. Therefore, it is urgently required to develop a technique for increasing the electric conductivity of the negative electrode active material.

한편, 그래핀은 높은 전기전도도 및 높은 비표면적 등 기존 탄소 소재 대비 월등히 우수한 고유의 물성으로 인해 미래 산업의 근간이 될 소재로 주목을 받고 있다. 또한, 그래핀 나노복합소재는 그래핀의 우수한 물성으로 인해 기존 소재 대비 월등히 우수하여 촉매, 전자 소재, 에너지 소재, 생체 의학 소재 등 다양한 분야에서 기존 소재를 대체할 미래소재로 부각되고 있다. 따라서, 전 세계의 많은 연구 그룹이 우수한 성능을 나타내는 그래핀 기반 나노복합소재 합성 기술 확보에 열을 올리고 있다.On the other hand, graphene is attracting attention as a material that will become the basis of future industry due to its inherent physical properties that are superior to existing carbon materials such as high electric conductivity and high specific surface area. In addition, graphene nanocomposite is far superior to existing materials due to its excellent physical properties, and has become a future material to replace existing materials in various fields such as catalysts, electronic materials, energy materials, and biomedical materials. Thus, many research groups around the world are keen on securing graphene-based nanocomposite synthesis technology that demonstrates superior performance.

따라서, NaTi2(PO4)3과 그래핀을 복합화한, 가역성 및 충방전 용량이 뛰어난 음극활물질 및 이를 포함하는 이차 전지의 개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, it is urgently required to develop a negative electrode active material having a reversible capacity and charge / discharge capacity, which is a combination of NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene, and a secondary battery including the same.

한국공개특허 제10-2015-0143372호.Korean Patent Publication No. 10-2015-0143372.

본 발명은 가역성, 충방전 용량이 뛰어난 음극활물질 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a negative active material having excellent reversibility, charge / discharge capacity, and a secondary battery including the negative active material.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임); 및 그래핀을 포함하는 복합체를 형성하되, 상기 복합체는 BET 비표면적이 10 내지 500 ㎡/g의 범위인 3차원 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체를 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a process for producing a phosphorous compound of M1-M2-P-O based phosphorus (M1 is an alkali metal and M2 is a transition metal); And graphene, wherein the composite forms a three-dimensional structure having a BET specific surface area in the range of 10 to 500 m < 2 > / g.

또한, 본 발명은 상기 3차원 구조의 복합체를 포함하는 음극활물질을 제공한다.The present invention also provides an anode active material comprising the composite of the three-dimensional structure.

본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 단일공정을 통해 제조되어 제조비용의 절감 및 공정의 간소화를 구현할 수 있으며, 상기 3차원 구조의 복합체를 음극활물질로 활용할 경우 가역성 및 충방전 용량이 향상되어 전기화학특성이 우수한 소듐 이차 전지를 제공할 수 있다 The composite of the three-dimensional structure according to the present invention can be manufactured through a single process, thereby reducing the manufacturing cost and simplifying the process. When the composite having the three-dimensional structure is used as the negative electrode active material, the reversibility and the charge- It is possible to provide a sodium secondary battery having excellent chemical properties

도 1은 실시예 1에 따른 3차원 구조의 복합체의 전계방출형 투과전자현미경(FE-SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 3차원 구조의 복합체의 FIB-HRTEM 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따른 3차원 구조의 복합체의 라만 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 상기 3차원 구조의 복합체에 각각의 원소가 존재하는 것을 보여주는 EDX 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따른 3차원 구조의 복합체의 X선 광전자분광(XPS)분석 결과 그래프이다.
도 6은 상기 실시에 1(A) 및 비교예 1(B)에 따른 복합체의 BET 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 7은 참조하면, 실시예 1(A) 및 비교예 1(B)에 따른 복합체의 기공부피분율(dV/dD)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 3에 따른 반전지의 순환 전압 전류 곡선이다.
도 9는 실시예 3에 따른 반전지의 충전 및 방전 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 실시예 3에 따른 반전지의 수명특성 결과이다.
도 11은 실시예 3에 따른 반전지의 충방전 속도에 따른 비용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a field-emission transmission electron microscope (FE-SEM) photograph of a composite of a three-dimensional structure according to Example 1. Fig.
2 is a FIB-HRTEM photograph of a composite of a three-dimensional structure according to Example 1. Fig.
Fig. 3 shows Raman spectrum results of a three-dimensional structure complex according to Example 1. Fig.
FIG. 4 is an EDX photograph showing that each element exists in the composite of the three-dimensional structure.
5 is a graph of an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of a composite of a three-dimensional structure according to Example 1. Fig.
6 is a graph showing the BET specific surface area of the composite according to Embodiment 1 (A) and Comparative Example 1 (B).
7 is a graph showing the pore volume fraction (dV / dD) of the composite according to Example 1 (A) and Comparative Example 1 (B), with reference to FIG.
8 is a cyclic voltage-current curve of the half-cell according to the third embodiment.
9 is a graph showing the results of charging and discharging tests of the half-cell according to the third embodiment.
10 is a result of life characteristics of the half-cell according to the third embodiment.
11 is a graph showing a change in the specific capacity according to the charge / discharge speed of the half-cell according to the third embodiment.

이하, 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 3차원 구조의 복합체 및 이를 포함하는 음극활물질에 관한 것이다. The present invention relates to a composite of a three-dimensional structure and a negative electrode active material containing the same.

본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는, M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임); 및 그래핀을 포함하는 복합체를 형성하되, 상기 복합체는 BET 비표면적이 10 내지 500 ㎡/g의 범위인 3차원 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. The complex of the three-dimensional structure according to the present invention is an M1-M2-P-O phosphorus oxide (M1 is an alkali metal and M2 is a transition metal); And graphenes, wherein said composite forms a three-dimensional structure having a BET specific surface area in the range of 10 to 500 m < 2 > / g.

구체적으로 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 그래핀 표면에 M1-M2-P-O계 인산화물 입자가 분산된 구조일 수 있다. 3차원 구조란, M1-M2-P-O계 인산화물 입자가 분산된 그래핀이 입자화 되어서 3차원 형태를 형성한 구조를 의미한다. Specifically, the composite of the three-dimensional structure according to the present invention may have a structure in which M1-M2-P-O phosphorus oxide particles are dispersed on the graphene surface. The three-dimensional structure means a structure in which grains having M1-M2-P-O phosphorus oxide particles dispersed therein are granulated to form a three-dimensional shape.

또한, 상기 3차원 구조의 복합체의 BET 비표면적은 구체적으로 20 내지 400 ㎡/g, 30 내지 300 ㎡/g, 40 내지 200 ㎡/g 혹은 50 내지 100 ㎡/g 범위일 수 있다. 본 발명에 다른 3차원 구조의 복합체는 M1-M2-P-O계 인산화물; 및 그래핀이 복합화된 구조를 가짐으로서, 상기 범위의 비표면적을 만족할 수 있으며, 이로 인해 전해질의 접촉면적이 증가되어 음극활물질로 활용할 경우 우수한 전기전도도 및 이온전도도를 구현할 수 있다. The BET specific surface area of the composite of the three-dimensional structure may be in the range of 20 to 400 m 2 / g, 30 to 300 m 2 / g, 40 to 200 m 2 / g, or 50 to 100 m 2 / g. The composite of the three-dimensional structure according to the present invention is M1-M2-P-O phosphorus oxide; And graphenes. Therefore, it is possible to satisfy the specific surface area in the above range, thereby increasing the contact area of the electrolyte, thereby realizing excellent electrical conductivity and ionic conductivity when used as a negative electrode active material.

나아가, 상기 3차원 구조의 복합체의 기공부피분율(dV/dD)은 0.04 cm3g-1nm- 1이상, 0.045 내지 0.2 cm3g-1nm-1, 0.048 내지 0.15 cm3g-1nm-1, 0.05 내지 0.1 cm3g-1nm-1 혹은 0.52 내지 0.6 cm3g-1nm- 1범위일 수 있다. 또한, 상기 3차원 구조의 복합체의 기공 평균 직경은 0.5 내지 10 nm, 1 내지 9 nm, 1.2 내지 8.5 nm, 1.5 내지 7.5 nm, 혹은 1.8 내지 5 nm범위일 수 있다. 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 M1-M2-P-O계 인산화물; 및 그래핀이 복합화된 구조를 가짐으로써 상기 범위의 기공부피분율 및 기공 평균 직경을 만족할 수 있으며, 이로 인해 전해질의 이동이 원활해짐으로써 이차 전지의 우수한 충방전 용량 및 가역성을 용이하게 달성할 수 있다. Further, the pore volume fraction of the composite of the three-dimensional structure (dV / dD) is 0.04 cm 3 g -1 nm - 1 or more, 0.045 to 0.2 cm 3 g -1 nm -1, 0.048 to 0.15 cm 3 g -1 nm may be a range of 1 - 1, from 0.05 to 0.1 cm 3 g -1 nm -1 or 0.52 to 0.6 cm 3 g -1 nm. The pore average diameter of the complex of the three-dimensional structure may be in the range of 0.5 to 10 nm, 1 to 9 nm, 1.2 to 8.5 nm, 1.5 to 7.5 nm, or 1.8 to 5 nm. The complex of the three-dimensional structure according to the present invention is a M1-M2-PO phosphorus oxide; And graphenes, it is possible to satisfy the above-described range of pore volume fraction and average pore diameter, thereby facilitating the movement of the electrolyte, thereby easily achieving excellent charge-discharge capacity and reversibility of the secondary battery .

본 발명의 M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임)에서 M1은 Na, Li, K, Rb, Cs 및 Fr로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리금속을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 M1은 Na을 포함할 수 있다. 또한, 상기 M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임)에서 M2는 Ti, V, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 M2는 Ti을 포함할 수 있다. In the M1-M2-PO phosphorus oxide (M1 is an alkali metal and M2 is a transition metal) of the present invention, M1 is at least one alkali metal selected from the group consisting of Na, Li, K, Rb, . Specifically, M1 may include Na. M2 is selected from the group consisting of Ti, V, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu in the M1-M2-PO phosphorus oxide (M1 is an alkali metal and M2 is a transition metal) And may include one or more transition metals. Specifically, M2 may include Ti.

하나의 예로서, 본 발명에서 M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임)은 NaTi2(PO4)3, Li3V2(PO4)3, 및 LiFePO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 나시콘(nasicon)구조의 NaTi2(PO4)3일 수 있다. As one example, M1-M2-PO-based phosphate in the present invention (M1 is an alkali metal, M2 is a transition metal Im) is NaTi 2 (PO 4) 3, Li 3 V 2 (PO 4) 3, and LiFePO 4 , and more specifically may be NaTi 2 (PO 4 ) 3 having a nasicon structure.

본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 평균 입경이 1 내지 10 ㎛ 범위인 구형의 입자형태일 수 있다. 구체적으로 상기 3차원 구조의 복합체의 평균 입경은, 1.5 내지 9 ㎛, 1.8 내지 8 ㎛, 2 내지 7.5 ㎛ 혹은 2.5 내지 5 ㎛ 범위일 수 있다. 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 상기 범위의 평균 입경을 가짐으로써 반응계 면적을 증가시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 그래핀을 포함하고 있어서, C-C 결합의 증가로 인해 전기화학적 성질이 향상된 음극활물질을 제공함으로써 소듐 이차 전지의 충방전 용량 및 방전 유지율을 향상시킬 수 있다. 그 예로, 소듐 이차 전지의 충방전 속도가 0.1C일 때 충방전 용량이 약 133 mAh/g을 가질 수 있다. 또한, 충방전 속도가 50C로 가혹한 조건일 때도 85 mAh/g 이상의 충방전 용량을 가질 수 있다.The complex of the three-dimensional structure according to the present invention may be in the form of a spherical particle having an average particle diameter in the range of 1 to 10 mu m. Specifically, the average particle size of the composite of the three-dimensional structure may be in the range of 1.5 to 9 占 퐉, 1.8 to 8 占 퐉, 2 to 7.5 占 퐉, or 2.5 to 5 占 퐉. The complex of the three-dimensional structure according to the present invention can increase the area of the reaction system by having an average particle size within the above range. Also, the composite of the three-dimensional structure according to the present invention may include graphene, thereby improving the charge / discharge capacity and discharge sustaining rate of the sodium secondary battery by providing an anode active material having improved electrochemical properties due to an increase in C-C bond. For example, when the charge / discharge speed of the sodium secondary battery is 0.1C, the charge / discharge capacity may be about 133 mAh / g. In addition, even when the charge / discharge speed is 50 C, the charge / discharge capacity of 85 mAh / g or more can be obtained.

또한, 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 구형의 입자 형태일 수 있다. 상기 구형의 입자 형태는, 높은 비표면적을 가지는데 용이하며, 이에 따라 전해질과의 접촉 면적이 넓어져 전기화학적 특성이 월등히 향상된 음극활물질을 제공할 수 있다. The complex of the three-dimensional structure according to the present invention may also be in the form of spherical particles. The spherical particle shape is easy to have a high specific surface area, and thus the area of contact with the electrolyte is widened, thereby providing a negative electrode active material having significantly improved electrochemical characteristics.

본 발명에서 M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임) 및 그래핀 중 어느 하나 이상은 질소, 인, 황 및 붕소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상에 의해 도핑된 것일 수 있다. 구체적으로 본 발명에 다른 그래핀이 질소 도핑된 형태일 수 있으며, 상기 도핑은 경우 제조공정 중 그래핀 옥사이드를 열적 환원하는 중에 도핑될 수 있다. In the present invention, at least one of the M1-M2-PO phosphorus oxide (M1 is an alkali metal and M2 is a transition metal) and graphene is at least one selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, sulfur and boron It may be doped. Specifically, the graphenes according to the present invention may be in a nitrogen doped form, and the doping may be doped during thermal reduction of graphene oxide during the manufacturing process.

본 발명에 따른 그래핀은 다수의 홀이 형성된 다공성 구조일 수 있다. 여기서 상기 홀의 평균 직경은 0.5 내지 10 nm 범위일 수 있으며 구체적으로 홀의 평균 직경은 1 내지 9 nm, 1.2 내지 8.5 nm, 1.5 내지 7.5 nm, 혹은 1.8 내지 5 nm범위일 수 있다. 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 상기 범위의 홀이 다수 형성된 그래핀을 포함함으로써, 3차원 구조의 복합체의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 전해질의 접촉면적 증가로 인해 전기전도도 및 이온전도도가 향상되어, 소듐 이차 전지의 충방전 용량 및 가역성을 향상시킬 수 있다.The graphene according to the present invention may be a porous structure having a plurality of holes. Here, the average diameter of the holes may be in the range of 0.5 to 10 nm, and specifically, the average diameter of the holes may be in the range of 1 to 9 nm, 1.2 to 8.5 nm, 1.5 to 7.5 nm, or 1.8 to 5 nm. The composite of the three-dimensional structure according to the present invention includes graphene formed with a plurality of holes in the above range, so that the surface area of the composite of the three-dimensional structure can be easily increased. Accordingly, the electrical conductivity and the ionic conductivity are improved by the increase of the contact area of the electrolyte, and the charge / discharge capacity and reversibility of the sodium secondary battery can be improved.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 그래핀은 제1 그래핀층 및 제n 그래핀층을 포함하는 구조일 수 있으며, 이때 n은 2 이상일 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 그래핀은 다수의 홀이 형성된 그래핀이 2 내지 50층, 3 내지 40층, 5 내지 30층 혹은 7 내지 20층 범위로 적층된 것일 수 있다.As an example, the graphene according to the present invention may have a structure comprising a first graphene layer and an nth graphene layer, where n may be two or more. Specifically, the graphene according to the present invention may be formed by stacking graphene having a plurality of holes in a range of 2 to 50 layers, 3 to 40 layers, 5 to 30 layers or 7 to 20 layers.

또한, 제1 그래핀층 및 제n 그래핀층 사이의 계면 중 어느 하나 이상에는 나노크기의 탄소질 성분이 분산될 수 있다. 구체적으로 상기 탄소질 성분은, 그래파이트, 탄소섬유, 흑연, 카본블랙 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 본 발명에서 탄소질 성분은 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 그래핀의 구조는 각각의 그래핀 층 사이에 탄소질 성분이 분산된 구조일 수 있으며, 상기 탄소질 성분으로 인해 그래핀이 재적층 되는 것을 방지하여 그래핀의 홀을 통해 전해질의 이동을 원활하게 할 수 있다. Further, nano-sized carbonaceous components may be dispersed in at least one of interfaces between the first graphene layer and the nth graphene layer. Specifically, the carbonaceous component may include at least one member selected from the group consisting of graphite, carbon fiber, graphite, carbon black, and carbon nanotube. In the present invention, the carbonaceous component may be carbon nanotubes. The structure of the graphene may be a structure in which a carbonaceous component is dispersed between each graphene layer, and prevents the graphene from being re-deposited due to the carbonaceous component, so that the movement of the electrolyte through the graphene hole is smooth .

본 발명에서 탄소질 성분은, 0.5 내지 20 nm 범위의 직경을 갖는 나노크기의 탄소질 성분을 의미하는 것일 수 있다. 상기 나노크기의 탄소질 성분은 그래핀과 그래핀 사이에 분산되어 단일층의 그래핀이 재적층 되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 탄소질 성분이 탄소나노튜브일 경우, 직경은 탄소나노튜브의 길이방향으로 수직인 단면의 직경을 의미하는 것일 수 있다.The carbonaceous component in the present invention may be a nano-sized carbonaceous component having a diameter in the range of 0.5 to 20 nm. The nano-sized carbonaceous component may be dispersed between graphene and graphene to prevent re-deposition of a single layer of graphene. In this case, when the carbonaceous component is a carbon nanotube, the diameter may be a diameter of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the carbon nanotube.

이때, 그래핀의 표면 전하는 음전하를 띨 수 있으며, 탄소질 성분의 표면 전하는 음전하를 띨 수 있는데, 상기와 같이 본 발명에 따른 그래핀과 탄소나노튜브가 서로 다른 전하를 띰으로써 탄소나노튜브가 각 그래핀층 사이에 용이하게 분산되어, 탄소나노튜브의 뭉침을 방지할 수 있으며, 그래핀과 탄소나노튜브의 결합을 더욱 용이하게 할 수 있다. In this case, the surface charge of graphene may have a negative charge, and the surface charge of the carbonaceous component may have a negative charge. As described above, since the graphene and carbon nanotubes according to the present invention have different charges, It can be easily dispersed among the graphene layers to prevent the carbon nanotubes from aggregating and to further facilitate bonding of the graphene and the carbon nanotubes.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 탄소질 성분은 질소, 인, 황 및 붕소 중 어느 하나 이상에 의해 도핑된 것일 수 있으며, 구체적으로 질소에 의해 도핑된 것일 수 있다. As one example, the carbonaceous component according to the present invention may be doped with any one or more of nitrogen, phosphorus, sulfur and boron, and may be doped with nitrogen in particular.

본 발명은, 상기 3차원 구조의 복합체 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method for producing a composite of the above three-dimensional structure.

본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체 제조방법에서, 제1단계는 그래핀 소재와 Na-Ti-P-O 나노입자가 균일하게 혼합된 전구 분산용액을 제조하는 단계이다. 여기서, 그래핀 나노소재 및 Na-Ti-P-O 나노입자를 포함하는 전구 분산용액은 (a) 상용 그래핀 또는 그라파이트로부터 합성된 그래핀 옥사이드, (b) Na-Ti-P-O 나노 입자; 및 이들을 균일하게 분산시키는 제1용매를 포함할 수 있다. In the method for producing a three-dimensional composite according to the present invention, the first step is to prepare a precursor dispersion solution in which graphene and Na-Ti-P-O nanoparticles are uniformly mixed. Herein, the precursor dispersion solution containing graphene nanomaterial and Na-Ti-P-O nanoparticles comprises (a) graphene oxide synthesized from commercial graphene or graphite, (b) Na-Ti-P-O nanoparticles; And a first solvent that uniformly disperses them.

본 발명에서, 그래핀(graphene)은 상용화된 그래핀을 제한 없이 사용하거나 또는 그래핀 옥사이드의 환원제를 이용한 화학적인 환원을 통해 제조하거나, 열적 팽창 및 환원(thermal exfoliation and reduction)을 이용하여 제조될 수도 있다.In the present invention, graphene can be produced by using commercially available graphene without limitation or by chemical reduction using a reducing agent of graphene oxide, or by using thermal exfoliation and reduction It is possible.

상기 그래핀 옥사이드를 제조하는 하나의 예로서, 상용화된 그라파이트를 상온에서 고농도의 H2SO4 용액에 담지시킨 후 충분히 교반시키고, 이어서 그라파이트가 담지된 용액을 0 ℃ 이하의 저온으로 온도를 하강시킨 다음, KMnO4를 천천히 투입하고, 이후 KMnO4가 포함된 혼합 용액의 온도를 35 ℃로 유지시킨 후 H2O2를 소정량 첨가시킨다. 이와 같은 산화과정을 진행하면, 그라파이트가 담지되어 있던 용액은 초기의 검은색에서 밝은 갈색의 용액으로 그 색이 변하게 된다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수회 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시킴으로써 그라파이트 산화물이 합성될 수 있다. As one example of preparing the graphene oxide, a commercially available graphite is supported on a high concentration H 2 SO 4 solution at room temperature and sufficiently stirred, and then the graphite-supported solution is cooled to a low temperature of 0 ° C. or lower Next, KMnO 4 is slowly added, and then the temperature of the mixed solution containing KMnO 4 is maintained at 35 ° C, and a predetermined amount of H 2 O 2 is added. When such an oxidation process is carried out, the solution carrying the graphite changes its color from the initial black to the light brown solution. Then, the graphite oxide can be synthesized by sufficiently washing the powder obtained after washing with distilled water and ethanol several times using a centrifuge, in an oven.

본 발명에서, 그래핀이 산화된 형태의 그래핀 옥사이드는 단일 원자층의 박편 형태로서, 이들은 산화처리에 의해 다양한 종류의 산소 작용기, 예컨대 산화시 생성되는 에폭시기, 카르복실기, 카르보닐기, 하이드록실기 등의 관능기로 인해 친수성을 갖는다. 따라서 계면활성제의 도입 없이도 친수성을 띠는 용매에 우수한 분산성을 나타낼 수 있다. In the present invention, graphene oxide in an oxidized form of graphene is in the form of flakes of a single atomic layer, and they are formed by various kinds of oxygen functional groups such as an epoxy group, a carboxyl group, a carbonyl group and a hydroxyl group It is hydrophilic due to functional groups. Therefore, it is possible to exhibit excellent dispersibility in a hydrophilic solvent even without introduction of a surfactant.

본 발명에서 사용 가능한 NaTi2(PO4)3 나노입자는 NaTi2(PO4)3 성분으로 구성되는 나노입자라면 특별히 제한되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 것을 사용할 수 있다. 상기 NaTi2(PO4)3 나노입자의 평균 직경은 10 내지 500 nm일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 150 nm 범위일 수 있다. The NaTi 2 (PO 4 ) 3 nanoparticles usable in the present invention are not particularly limited as long as they are nanoparticles composed of NaTi 2 (PO 4 ) 3 components, and those conventionally known in the art can be used. The average diameter of the NaTi 2 (PO 4 ) 3 nanoparticles may be 10 to 500 nm, preferably 50 to 150 nm.

본 발명에서 사용 가능한 제1용매는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 Na-Ti-P-O 나노입자를 분산시킬 수 있으면서 분무공정에 적용될 수 있는 용매라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 당 업계에 알려진 통상적인 친수성 용매를 사용할 수 있다. 사용 가능한 제1용매의 비제한적인 예를 들면, 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤 용액 또는 이들을 1종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. The first solvent that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it is capable of dispersing graphene or graphene oxide and Na-Ti-PO nanoparticles and can be applied to a spraying process. Preferably, A hydrophilic solvent can be used. Non-limiting examples of the first solvent that can be used include water, methanol, ethanol, acetone solution, or a mixture of at least one thereof.

본 발명에서는 전술한 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 Na-Ti-P-O 나노입자를 제 1용매에 균일하게 분산시키기 위해 초음파 등 일반적인 분산방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 처리는 약 150 내지 900 W의 파워로 약 5 내지 60 분간 실시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, in order to uniformly disperse the graphene or graphene oxide and Na-Ti-P-O nanoparticles in the first solvent, a general dispersion method such as ultrasonic waves may be used. For example, the ultrasonic treatment may be performed at a power of about 150 to 900 W for about 5 to 60 minutes, but is not limited thereto.

제1단계에서 제조된 전구 분산용액에서, 그래핀계 탄소 소재 (그래핀 또는 그래핀 옥사이드)와 Na-Ti-P-O 나노입자의 배합비(중량기준)는 Na-Ti-P-O /그래핀 마이크로 입자의 형성에 있어서 중요한 영향을 미친다. 상기 전구 분산용액 중 Na-Ti-P-O의 중량비가 너무 높을 경우 마이크로 구조를 형성하는 데 필요한 그래핀의 양이 상대적으로 작아지므로 균일한 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로 입자의 형성이 어려워진다. 따라서 균일한 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로 입자를 제조하기 위해서는, 상기 전구 분산용액 중 Na-Ti-P-O 나노입자 및 그래핀계 탄소소재의 배합비는 90:10 정도가 좋다. In the precursor dispersion solution prepared in the first step, the compounding ratio (by weight) of the graphene carbon material (graphene or graphene oxide) and Na-Ti-PO nanoparticles was Which has an important influence on the environment. If the weight ratio of Na-Ti-P-O in the precursor dispersion solution is too high, the amount of graphene required to form microstructure becomes relatively small, which makes it difficult to form uniform Na-Ti-P-O / graphene microparticles. Therefore, in order to produce uniform Na-Ti-P-O / graphene microparticles, the blending ratio of the Na-Ti-P-O nanoparticles and the graphene carbon material in the precursor dispersion solution is about 90:10.

또한 본 발명에서는 전술한 분산용액의 배합비 조절을 통해 최종 제조된 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로 입자에서 포함되는 Na-Ti-P-O 및 그래핀의 각각의 중량비를 조절할 수 있다. 이와 같이 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로 입자에 포함되는 각 소재의 중량 비를 조절함으로써, 전극에서 발현되는 전기화학 성능의 제어가 가능하다.In the present invention, the weight ratio of each of Na-Ti-P-O and graphene contained in the finally prepared Na-Ti-P-O / graphene microparticles can be controlled by controlling the compounding ratio of the dispersion solution. By controlling the weight ratio of each material contained in the Na-Ti-P-O / graphene microparticles, it is possible to control the electrochemical performance expressed by the electrode.

제2단계는, 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 함유 전구체 용액의 분무하는 단계로, 제2단계에서는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 Na-Ti-P-O 나노입자가 균일하게 분산된 전구체 분산용액(분무용액)을 분무장치에 투입하여 액적(droplet)으로 분무하는 과정을 수행할 수 있다. 상기 전구체 분산용액을 액적으로 분무시키기 위해서 분무장치를 사용할 수 있는데, 분무장치의 예로는, 초음파 분무장치,일류체 및 이 류체 공기노즐 분무장치,초음파노즐 분무장치, 디스크 타입 액적발생장치 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The second step is a step of spraying a precursor solution containing graphene or graphene oxide. In the second step, a precursor dispersion solution (spray solution) in which graphene or graphene oxide and Na-Ti-PO nanoparticles are uniformly dispersed, Into the spraying apparatus and spraying the sprayed droplets. Examples of the atomizing apparatus include an ultrasonic atomizing apparatus, a first-flow atomizing apparatus, a twin-screw air nozzle atomizing apparatus, an ultrasonic nozzle atomizing apparatus, a disk type droplet generating apparatus, and the like , But is not limited thereto.

특히 디스플레이 및 커패시터 등의 용도로 사용하기 위한 수 내지 수십 마이크 론 크기(㎛)의 초미세 분말 합성을 위해서는 초음파 분무장치가 바람직하다. 초음파 분무장치는 초음파 진동을 통해 전구 분산 용액으로부터 균일한 크기 분포도(size distribution)를 가지는 마이크로미터 단위의 액적(droplet)을 자유롭게 형성할 수 있다. 전술한 분무장치를 통해 전구 분산용액을 분무하면, 분무 용액은 마이크로 사이즈의 구형 액적(droplet)을 형성하게 되며, 이러한 구형 액적(droplet) 내부에 는 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로입자를 형성하기 위한 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 Na-Ti-P-O 입자들이 제1용매 내에 균일하게 분산되어 있게 된다. 본 발명에서는 우수한 성능의 이차전지 음극 소재로 사용될 수 있는 크기의 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로입자를 제조할 수 있는데, 상기 단계에서 형성되는 액적의 크기는 최종 얻어지는 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로입자보다 큰 크기를 갖도록 조절하는 것이 바람직하다. 이는 그래핀 입자의 조립 및 건조 단계에서 액적에 포함된 용액이 증발되면서 액적에 포함된 그래핀 및 Na-Ti-P-O 나노입자들만 남아 조립이 개시되 기 때문에, 원래 액적의 크기보다 작은 구형 마이크로 구조체가 형성되기 때문이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 액적의 평균 직경은 1 내지 500 ㎛ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛ 범위일 수 있다.In particular, an ultrasonic atomizing apparatus is preferable for ultrafine powder synthesis of several to several tens micron size (탆) for use in displays and capacitors. The ultrasonic atomizing apparatus can freely form micrometer-unit droplets having a uniform size distribution from the precursor dispersion solution through ultrasonic vibration. When the precursor dispersion solution is sprayed through the spray device described above, the spray solution forms micro-sized spherical droplets, and Na-Ti-PO / graphene microparticles are formed inside the spherical droplets Graphene oxide or graphene oxide and Na-Ti-PO particles are uniformly dispersed in the first solvent. In the present invention, it is possible to produce Na-Ti-PO / graphene microparticles of a size that can be used as an anode material for a secondary battery of excellent performance. The size of the droplets formed in the above- It is preferable to adjust the size to be larger than the fin microparticles. This is because the solution contained in the droplet is evaporated in the step of assembling and drying the graphene grains, so that only the graphene and Na-Ti-PO nanoparticles contained in the droplet are started to be assembled, Is formed. Accordingly, the average diameter of the droplets according to the present invention may range from 1 to 500 mu m, preferably from 10 to 100 mu m.

마지막으로, 상기 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로입자 전구체를 비활성(Ar) 분위기에서 800 ℃에서 10 시간 동안 열처리 함으로써 최종적으로 NaTi2(PO4)3/그래핀 형태의 3차원 구조의 복합체를 제조할 수 있다. Finally, the Na-Ti-PO / graphene microparticle precursor was heat-treated at 800 ° C for 10 hours in an inert atmosphere (Ar) to finally form a complex of NaTi 2 (PO 4 ) 3 / Can be manufactured.

본 발명에서 합성된 3차원 구조의 복합체는, 그래핀이 3차원 구형의 마이크로입자 형태로 효율적으로 조립되고, 상기 조립된 마이크로입자 내 NaTi2(PO4)3 나노입자가 고담지되는 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조적 특징으로 인해, 음극활물질의 우수한 용량, 고율 및 수명 특성을 획기적으로 증가시킬 수 있으며, 소듐 이차 전지 분야와 디스플레이, 센서 기술 등의 다양한 소자에 응용될 수 있어 재료, 화학 등 다양한 관련 산업의 발전에 기여할 수 있다. 그 외, 슈퍼캐패시터 등의 에너지 저장소재 분야, 촉매 용도, 전자재료, 광학재료, 바이오재료, 열저장 소재, 자동차 부품, 태양열소재, 토너, 잉크 등에 다양하게 적용될 수 있다.The composite of the three-dimensional structure synthesized in the present invention has a structure in which graphene is efficiently assembled into a three-dimensional spherical microparticle form and the NaTi 2 (PO 4 ) 3 nanoparticles in the assembled microparticles are supported . Due to such structural characteristics, it is possible to dramatically increase the capacity, high rate and lifetime characteristics of the negative electrode active material, and it can be applied to a variety of devices such as a sodium secondary battery, a display, and a sensor technology. It can contribute to development. In addition, it can be applied to various fields such as energy storage materials such as super capacitors, catalyst applications, electronic materials, optical materials, biomaterials, heat storage materials, automobile parts, solar thermal materials, toners and inks.

나아가, 본 발명은 상기 3차원 구조의 복합체를 포함하는 음극활물질을 제공한다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 음극활물질을 포함하는 소듐 이차 전지를 제공한다. 상기 소듐 이차 전지는, 음극, 양극, 전해질 및 집전체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 구리 집전체 상에 음극활물질을 2 내지 3mg 도포한 전극; 나트륨 금속을 이용한 기준전극 및 상대전극; 및 유기용매 및 소듐염을 포함하는 전해질로 구성될 수 있다.Furthermore, the present invention provides an anode active material comprising the composite of the three-dimensional structure. The present invention also provides a sodium secondary battery comprising the negative electrode active material according to the present invention. The sodium secondary battery may include a cathode, an anode, an electrolyte, and a current collector. For example, an electrode having 2 to 3 mg of a negative electrode active material coated on a copper current collector; A reference electrode and a counter electrode using sodium metal; And an electrolyte comprising an organic solvent and a sodium salt.

이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following Examples.

제조예Manufacturing example 1:  One: 그라파이트Graphite 옥사이드Oxide 제조 Produce

Modified Hummer 방법을 통해 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계로서 그라파이트를 황산(H2SO4)과 과망간산칼륨(KMnO4)에 혼합하여 상온에서 2시간 이상 교반시켜 용액의 색이 노랗게 변하면 과산화수소(H2O2)를 넣어 반응을 완료하였다. 완료 후 원심분리를 실시하고, 건조 과정을 거쳐 고운 분말 형태의 그라파이트 옥사이드를 얻었다.(H 2 SO 4 ) and potassium permanganate (KMnO 4 ) and stirred at room temperature for 2 hours or more. When the color of the solution turns yellow, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) Was added to complete the reaction. After completion, centrifugation was carried out, followed by drying to obtain a fine powdery graphite oxide.

실시예Example 1 One

[단계 1] 그래핀 함유 전구체 분산용액(분무용액) 제조 [Step 1] Preparation of graphene-containing precursor dispersion solution (spray solution)

상업적으로 입수된 그라파이트(제품명: Graphite 제조사; Sigma Aldrich)를 상온에서 고농도의 H2SO4 용액에 담지시킨 후 충분히 교반시키고, 이어서 그라파이트가 담지된 용액을 0℃ 이하의 저온으로 온도를 하강시킨 다음, 상기 용액에 KMnO4를 천천히 투입하고, KMnO4가 포함된 혼합 용액의 온도를 35℃로 유지시킨 후 H2O2를 소정량 첨가시켰다. 이와 같은 산화과정을 진행하면, 그라파이트가 담지되어 있던 용액은 초기의 검은색에서 밝은 갈색의 용액으로 그 색이 변하게 된다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 5회 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시켜 그래핀을 합성하였다. 상기 제조된 그래핀과 Na-Ti-P-O 나노입자의 배합비를 90:10으로 하여, 제1용매(1:1 비율의 물과 에탄올)100 mL 에 분산시키고 약 500 W의 파워로 약 30 분간 실시하여, Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로입자가 균일하게 분산된 전구체 분산용액(분무용액)을 제조하였다.The commercially available graphite (product name: Graphite, manufactured by Sigma Aldrich) was supported on a high concentration of H 2 SO 4 solution at room temperature and sufficiently stirred, then the graphite-impregnated solution was cooled to a low temperature of 0 ° C. or lower , KMnO 4 was slowly added to the solution, and the temperature of the mixed solution containing KMnO 4 was maintained at 35 ° C, and a predetermined amount of H 2 O 2 was added. When such an oxidation process is carried out, the solution carrying the graphite changes its color from the initial black to the light brown solution. Subsequently, the resultant was washed five times with distilled water and ethanol using a centrifuge, and the obtained powder was sufficiently dried in an oven to synthesize graphene. The thus-prepared graphene and Na-Ti-PO nanoparticles were dispersed in 100 mL of a first solvent (1: 1 ratio of water and ethanol) at a mixing ratio of 90:10, and the mixture was subjected to a power of about 500 W for about 30 minutes To prepare a precursor dispersion solution (spray solution) in which Na-Ti-PO / graphene microparticles were uniformly dispersed.

[단계 2] 그래핀 함유 전구체 분산용액의 분무[Step 2] Spraying of the graphene-containing precursor dispersion solution

단계 1에서 제조된 그래핀 함유 전구체 분산용액을 액적(droplet)으로 분무하기 위해 초음파 분무장치를 이용하여 전구체 분산용액을 분무하였다. 분부된 분무 용액은 마이크로 사이즈의 구형 액적(droplet)을 형성하게 되며, 이러한 구형 액적(droplet) 내부에 는 Na-Ti-P-O/그래핀 마이크로입자를 형성하기 위한 그래핀과 Na-Ti-P-O 입자들이 용매 내에 균일하게 분산되어 있게 된다. 이때, 액적의 평균 직경은 약 50 ㎛ 이었다. The precursor dispersion solution was sprayed using an ultrasonic atomizer to spray droplets of the graphene-containing precursor dispersion solution prepared in Step 1. The atomized spray solution forms micro-sized spherical droplets. Inside the spherical droplets, graphene and Na-Ti-PO particles to form Na-Ti-PO / Are uniformly dispersed in the solvent. At this time, the average diameter of droplets was about 50 탆.

마지막으로, Na-Ti-P-O/그래핀 전구체(액적)를 비활성(Ar) 분위기에서 800 ℃에서 10 시간 동안 열처리 함으로써 최종적으로 NaTi2(PO4)3/그래핀 형태의 3차원 구조의 복합체를 제조하였다. 이때, 제조된 3차원 구조의 복합체의 평균입경은 약 3 ㎛였다.Finally, heat treatment of the Na-Ti-PO / graphene precursor (droplet) in an inert (Ar) atmosphere at 800 ° C for 10 hours finally yielded a complex of three-dimensional structure of NaTi 2 (PO 4 ) 3 / . At this time, the average particle size of the composite of the prepared three-dimensional structure was about 3 탆.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 3차원 구조의 복합체의 전계방출형 투과전자현미경(FE-SEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 평균 입경 약 3 ㎛ 정도를 갖는 구형 입자를 확인할 수 있으며, 다수의 기공이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.1 is a field-emission transmission electron microscope (FE-SEM) photograph of a composite of a three-dimensional structure produced according to Example 1. Referring to FIG. 1, spherical particles having an average particle diameter of about 3 μm can be identified, and it can be seen that many pores are formed.

또한, 도 2는 실시예 1에 따른 3차원 구조의 복합체의 FIB-HRTEM 사진으로 이를 통해 NaTi2(PO4)3의 면간거리는 0.366 nm 로 결정이 잘 형성되었음을 확인할 수 있다. FIG. 2 is a FIB-HRTEM image of the composite of the three-dimensional structure according to Example 1. As a result, it can be confirmed that the interplanar spacing of NaTi 2 (PO 4 ) 3 is well formed by 0.366 nm.

도 3은 실시예 1에 따른 3차원 구조의 복합체의 라만 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다. 여기서 A는 실시예 1의 결과로 NaTi2(PO4)3 및 그래핀의 피크를 확인할 수 있어, 이에 따라 NaTi2(PO4)3 및 그래핀이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 반면 B는 NaTi2(PO4)3의 라만 스펙트럼 결과로 그래핀의 피크를 확인할 수 없었다. C는 그래핀의 피크를 나타낸 것이다. Fig. 3 shows Raman spectrum results of a three-dimensional structure complex according to Example 1. Fig. Here, A can confirm the peak of NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene as a result of Example 1, confirming that NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene are present. On the other hand, B could not confirm the peak of graphene as a result of Raman spectrum of NaTi 2 (PO 4 ) 3 . C is the peak of graphene.

도 4는 상기 3차원 구조의 복합체에 각각의 원소가 존재하는 것을 보여주는 EDX 사진이다. FIG. 4 is an EDX photograph showing that each element exists in the composite of the three-dimensional structure.

도 5는 실시예 1에 따른 3차원 구조의 복합체의 X선 광전자분광(XPS)분석 결과 그래프를 나타내었다. 도 5를 살펴보면, 284.6 eV에서 C-C 오비탈을, 286.1 eV, 287.0 eV 및 288.4 eV에서 표면에 있는 C-O, C=O 및 O-C=O 작용기를 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1에서 제조된 3차원 구조의 복합체의 경우, C-C 피크가 증가한 것을 확인할 수 있는데, 이는 전기화학적 특성이 향상되었음을 의미한다.FIG. 5 is a graph showing an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of a composite having a three-dimensional structure according to Example 1. FIG. Referring to FIG. 5, C-C orbitals at 284.6 eV, C-O, C = O and O-C = O functional groups on the surface can be identified at 286.1 eV, 287.0 eV and 288.4 eV. In addition, in the case of the composite of the three-dimensional structure prepared in Example 1, it can be confirmed that the C-C peak is increased, which means that the electrochemical characteristics are improved.

실시예Example 2 2

상기 제조예 1에서 그라파이트 옥사이드 분말 0.1 g에 상업적으로 입수한 탄소나노튜브(제조사: 한국제이씨씨㈜, 제품명: CNT M95) 0.1 g을 더 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 3차원 구조의 복합체를 제조하였다. 이때, 제조된 3차원 구조의 복합체의 평균입경은 약 2.5 ㎛였다.In the same manner as in Example 1 except that 0.1 g of commercially available carbon nanotubes (manufactured by JC Co., Ltd., product name: CNT M95) was further added to 0.1 g of the graphite oxide powder in Production Example 1 A complex of three dimensional structure was prepared. At this time, the average particle diameter of the composite of the prepared three-dimensional structure was about 2.5 占 퐉.

실시예Example 3 3

음극활물질로 실시예 1에서 제조된 3차원 구조의 복합체 90 중량부와 바인더로 플루오르화폴리비닐리덴 (Polyvinylidene fluoride, PVDF) 10 중량부를 혼합하고, N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)에 첨가하여 전극 슬러리를 제조한 후, 이를 구리 집전체 상에 2~3 mg 도포 및 건조하여 전극을 제조하였다. 기준 전극 및 상대 전극으로 소듐 금속을 사용하였고, 전해질은 에틸렌카보네이트(EC) 및 디메틸카보네이트(DMC)를 1:1 비율로 혼합된 용액에 녹인 1 M 과염소산나트륨(NaClO4)으로 하여, 반전지(halfcell)를 제조하였다. 90 parts by weight of the composite of the three-dimensional structure prepared in Example 1 and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed with a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone -2-pyrrolidone, NMP) to prepare an electrode slurry. The electrode slurry was coated with 2 ~ 3 mg of copper on the collector and dried to prepare an electrode. Sodium perchlorate (NaClO 4 ) dissolved in a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) at a ratio of 1: 1 was used as a reference electrode and a counter electrode. halfcell) was prepared.

비교예Comparative Example 1 One

그라파이트 옥사이드 분말을 첨가하지 않고 NaTi2(PO4)3만을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다. 이때, 제조된 음극활물질의 평균입경은 약 110 nm 이었다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that NaTi 2 (PO 4 ) 3 alone was used without adding graphite oxide powder. The average particle size of the prepared negative electrode active material was about 110 nm.

실험예Experimental Example 1: 복합체의  1: 비표면적Specific surface area 측정 Measure

상기 실시에 1 및 비교예 1에 따른 복합체의 BET 비표면적을 알아보기 위해 N2 흡착 등온곡선(sorption isotherms)을 측정하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, 실시예 1(A)의 비표면적은 약 61.4 m2/g 이고, 비교예 1(B)의 비표면적은 약 21.8 m2/g 으로 그래핀과 복합화한 3차원 구조의 복합체인 실시예 1의 경우 비표면적이 비교예 1에 비해 현저히 향상됨을 알 수 있었다. To determine the BET specific surface area of the composite according to Example 1 and Comparative Example 1, N 2 adsorption isotherms were measured. The results are shown in Fig. 6, the specific surface area of Example 1 (A) is about 61.4 m 2 / g, and the specific surface area of Comparative Example 1 (B) is about 21.8 m 2 / g. It was found that the specific surface area of the composite of Example 1 was significantly improved as compared with Comparative Example 1.

실험예Experimental Example 2: 복합체의  2: 기공부피분율Pore volume fraction 및 평균 기공  And average porosity 직경diameter 측정 Measure

상기 실시에 1 및 비교예 1에 따른 복합체의 기공부피분율 및 평균 기공 직경을 측정하였다. 그 결과인 도 7을 참조하면, 실시예 1(A)에 따른 3차원 구조의 복합체의 기공부피분율(dV/dD)은 약 0.055 cm3g-1nm-1이며, 평균 기공 직경은 약 4.5 nm 정도인 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 비교예 1(B)의 기공부피분율은 약 0.38 cm3g-1nm-1 정도에 불과한 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, NaTi2(PO4)3와 그래핀을 복합화한 3차원 구조의 복합체의 경우, 그래핀을 포함하지 않는 비교예 1에 비해 기공부피분율이 향상되는 것을 알 수 있었다.The pore volume fraction and average pore diameter of the composite according to Example 1 and Comparative Example 1 were measured. 7, the pore volume fraction (dV / dD) of the composite of the three-dimensional structure according to Example 1 (A) is about 0.055 cm 3 g -1 nm -1 and the average pore diameter is about 4.5 nm. < / RTI > On the contrary, the pore volume fraction of Comparative Example 1 (B) is about 0.38 cm 3 g -1 nm -1 . As a result, it was found that the pore volume fraction of the composite of the three-dimensional structure obtained by complexing NaTi 2 (PO 4 ) 3 with graphene was improved as compared with Comparative Example 1 containing no graphene.

실험예Experimental Example 3: 가역성 평가 3: Reversibility evaluation

상기 실시예 3에 따른 반전지의 가역성을 평가하기 위해 순환 전압 전류 측정법(cyclic voltammetry method)을 사용하여 Bio-logic VSP-300으로 가역성을 평가하였다. 그 결과는 도 8에 나타내었으며, 도 8에 나타낸 순환 전압 전류 곡선을 살펴보면, 산화 환원 피크가 잘 관찰된 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체를 음극활물질로 활용할 경우에 산화 환원 반응에 있어 좋은 가역성을 보이고 있으므로, 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체는 소듐 이차 전지의 양극 및 음극으로 유용하게 사용할 수 있음을 알 수 있었다. The reversibility was evaluated with Bio-logic VSP-300 using the cyclic voltammetry method to evaluate the reversibility of the reversed paper according to Example 3 above. The results are shown in FIG. 8, and the cyclic voltammetric curve shown in FIG. 8 shows that the redox peak was well observed. Therefore, when the complex of the three-dimensional structure according to the present invention is used as the negative electrode active material, it shows good reversibility in the oxidation-reduction reaction. Therefore, the three-dimensional structure complex according to the present invention is useful for the anode and the cathode of the sodium secondary battery. .

실험예Experimental Example 4:  4: 충방전Charging and discharging 용량 평가  Capacity assessment

상기 실시예 3 에서 제조된 반전지의 충방전 용량을 평가하기 위해 전위가변기/정전전류법 (potentiostat/galvanostat, VMP2, Princeton Applied Research)을 사용하여 충전-방전 실험을 수행하였다. 이때, 전압 범위는 1.5~3.0 V로 하였고, 충방전 속도를 0.1C 부터 50C까지 변화시켜 측정하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9을 살펴보면, 전극의 단위 무게당 실시예 1에서 제조된 3차원 구조의 복합체를 음극활물질로써 포함하는 전극의 용량을 나타내는 그래프로, 충방전 속도가 0.1 C일 때, 충방전 용량은 약 133 mAh/g로 나타나 매우 우수한 충방전 용량임을 보여준다. 더 나아가, 충방전 속도가 50 C인 가혹 조건에서도 충방전 용량 값이 약 85 mAh/g을 나타내므로 충방전 용량이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.Charge-discharge experiments were conducted using potentiostat / galvanostat (VMP2, Princeton Applied Research) to evaluate the charge / discharge capacities of the semiconductors prepared in Example 3 above. At this time, the voltage range was set to 1.5 to 3.0 V, and the charging / discharging rate was varied from 0.1 C to 50 C, and the results are shown in FIG. 9 is a graph showing the capacity of an electrode including a composite of a three-dimensional structure manufactured in Example 1 per unit weight of an electrode as a negative electrode active material. When the charge / discharge speed is 0.1 C, the charge / discharge capacity is about 133 mAh / g, which is a very good charge / discharge capacity. Furthermore, it was confirmed that the charge / discharge capacity was excellent because the charge / discharge capacity value was about 85 mAh / g even under the severe condition that the charge / discharge speed was 50 C.

또한, 상기 제조된 전극에 10 C 속도로 충전과 방전을 200 번 반복하는 실험을 하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10은 전극의 방전 유지율을 나타내는 그래프로, 이를 살펴보면 200 사이클 후에도 10 C 속도에서 초기 방전 용량 대비 95 %의 우수한 방전 유지율을 확인할 수 있으며, 이에 따라 수명특성이 향상됨을 알 수 있다. In addition, an experiment was performed in which the electrode was repeatedly charged and discharged 200 times at a rate of 10 C, and the results are shown in FIG. FIG. 10 is a graph showing the discharge sustaining rate of an electrode. As shown in FIG. 10, it can be seen that an excellent discharge sustaining rate of 95% of the initial discharge capacity can be confirmed at a rate of 10 C even after 200 cycles.

또한, 도 11은 충방전 속도에 따른 비용량의 변화를 나타낸 그래프로, 도 10을 살펴보면 충방전 속도가 0.1 내지 20 C 범위일 때 충방전 용량은 120 mAh/g 이상으로 높게 나타나고 있으며, 충방전 속도를 50 C까지 변화시킨 후 0.1 C로 하였을 경우, 충방전 용량 회복 성능이 우수함을 확인할 수 있다. FIG. 11 is a graph showing the change of the specific capacity according to the charging / discharging speed. Referring to FIG. 10, when the charging / discharging rate is in the range of 0.1 to 20 C, the charging / discharging capacity is higher than 120 mAh / g, It can be confirmed that the charge / discharge capacity recovery performance is excellent when the speed is changed to 50 C and then 0.1 C is applied.

따라서, 본 발명에 따른 3차원 구조의 복합체를 포함하는 음극활물질은 소듐 이차 전지의 충방전 용량을 월등히 향상시켜 전기화학적 성능이 우수한 소듐 이차 전지를 제공할 수 있음을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that the negative electrode active material including the composite of the three-dimensional structure according to the present invention can provide a sodium secondary battery having excellent electrochemical performance by significantly improving the charge / discharge capacity of the sodium secondary battery.

Claims (13)

M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임); 및
그래핀을 포함하는 복합체를 형성하되,
상기 복합체는 BET 비표면적이 10 내지 500 ㎡/g의 범위인 3차원 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
M1-M2-PO phosphorous acid (M1 is an alkali metal and M2 is a transition metal); And
Forming a composite comprising graphene,
Wherein said composite forms a three-dimensional structure having a BET specific surface area in the range of 10 to 500 m < 2 > / g.
제 1 항에 있어서,
M1은 Na, Li, K, Rb, Cs 및 Fr로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein M1 comprises at least one alkali metal selected from the group consisting of Na, Li, K, Rb, Cs and Fr.
제 1 항에 있어서,
M2는 Ti, V, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
M2 is at least one transition metal selected from the group consisting of Ti, V, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu.
제 1 항에 있어서,
M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임)은 NaTi2(PO4)3, Li3V2(PO4)3, 및 LiFePO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
(Wherein M1 is an alkali metal, M2 is a transition metal Im) M1-M2-PO-based phosphate is NaTi 2 (PO 4) 3, Li 3 V 2 (PO 4) 3, and 1 is selected from the group consisting of LiFePO 4 Or more of the three-dimensional structure.
제 1 항에 있어서,
3차원 구조의 복합체는 평균 입경이 1 내지 10 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the complex of the three-dimensional structure has an average particle diameter in the range of 1 to 10 mu m.
제 1 항에 있어서,
3차원 구조의 복합체는 구형의 입자 형태인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the complex of the three-dimensional structure is in the form of spherical particles.
제 1 항에 있어서,
M1-M2-P-O계 인산화물(M1은 알칼리금속이고, M2는 전이금속임) 및 그래핀 중 어느 하나 이상은 질소, 인, 황 및 붕소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상에 의해 도핑된 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
At least one of M1-M2-PO phosphorus (M1 is an alkali metal and M2 is a transition metal) and graphene is doped with at least one selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, sulfur and boron A composite of three-dimensional structures characterized.
제 1 항에 있어서,
그래핀은 다수의 홀이 형성된 다공성 구조인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the graphene is a porous structure having a plurality of holes formed therein.
제 8 항에 있어서,
홀의 평균 직경은 0.5 내지 10 nm 범위인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
9. The method of claim 8,
Wherein the average diameter of the holes is in the range of 0.5 to 10 nm.
제 1 항에 있어서,
그래핀은 제1 그래핀층 및 제n 그래핀층을 포함하되,
n은 2 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
The method according to claim 1,
The graphene includes a first graphene layer and a nth graphene layer,
and n is 2 or more.
제 10 항에 있어서,
제1 그래핀층 및 제n 그래핀층 사이의 계면 중 어느 하나 이상에는 나노크기의 탄소질 성분이 분산된 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
11. The method of claim 10,
Wherein the nano-sized carbonaceous component is dispersed in at least one of interfaces between the first graphene layer and the nth graphene layer.
제 11 항에 있어서,
탄소질 성분은, 그래파이트, 탄소섬유, 흑연, 카본블랙 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 복합체.
12. The method of claim 11,
Wherein the carbonaceous component comprises at least one member selected from the group consisting of graphite, carbon fiber, graphite, carbon black and carbon nanotube.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 3차원 구조의 복합체를 포함하는 음극활물질.12. An anode active material comprising a composite of a three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 12.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108565432A (en) * 2018-04-25 2018-09-21 中南大学 LiFePO4/nitrogen, sulphur codope graphene composite material and preparation method thereof
CN112133902A (en) * 2020-10-10 2020-12-25 山东省科学院能源研究所 Sodium metal negative electrode deposition matrix and preparation method and application thereof
WO2021075619A1 (en) * 2019-10-14 2021-04-22 경상국립대학교산학협력단 Anode, secondary battery comprising same, and manufacturing method therefor

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