KR20200051580A - 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들에 관한 폴리아닐린 및 그래핀에 기초한 나노복합체 재료들과 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

높은 방전 용량을 가진 재충전 가능한 배터리들에서 캐소드로서 유용한 하이브리드 나노복합체가 제공된다. 이러한 나노복합체는 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀의 2D 입자들 사이에 위치하는 에머랄딘 염기 상태의 폴리아닐린 나노분자들을 포함한다. 이러한 나노복합체는 높은 충전/방전 특성을 갖는다. 하이브리드 나노복합체들의 제조를 위한 용매가 없는 기계화학적 방법이 또한 제공된다.

Description

재충전 가능한 배터리들의 캐소드들에 관한 폴리아닐린 및 그래핀에 기초한 나노복합체 재료들과 그 제조 방법
본 발명은 재충전 가능한 배터리 캐소드의 액티브 구성요소(active component)로서 전도성 중합체에 기초한 나노복합체들과 그러한 나노복합체들을 제조하는 방법에 관한 것이다.
재충전 가능한 배터리들, 리튬, 나트륨, 칼륨 또는 마그네슘 배터리들 또는 특히 대응하는 금속-이온 배터리들은 에너지 저장장치(energy storate)이고 충전 및 방전될 수 있는 생산 장치(production device)들이다. 그러한 배터리들은 다양한 휴대용 전자 디바이스들(예를 들면, 휴대 전화기, 카메라, 오디오 플레이어, 랩톱 컴퓨터 등)뿐만 아니라, 전기 및 하이브리드 차량, 에너지 그리드 시스템, 및 다른 응용예들에 대한 자율적인 전원들로서 널리 사용될 수 있다. 경량이고 더 높은 충전/방전 용량을 가지는 배터리들의 개발은 자율적인 에너지론의 중요한 이슈이다.
전형적인 재충전 가능한 배터리, 특히 리튬 배터리는 캐소드, 전해질 및 애노드를 포함한다. 캐소드 물질의 충전/방전 특성은 에너지 저장에 대한 용량을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. 코발트, 망간, 니켈 및 바나듐에 기초한 결정성 산화물들은 리튬 배터리에서 캐소드 물질을 위한 가장 연구된 물질이다. 상용화된 LiCoO2는 장기간의 안정성과 함께 높은 산화환원(redox) 전위를 갖는다. 그러나, 이러한 재료는 비용이 많이 들고 독성인 경향이 있으며, 또한 낮은 충전/방전 용량을 갖는다. LiMn204는 충분히 높은 산화환원 전위 및 관련된 낮은 비용으로 인해 기존의 LiCoO2에 대한 대안으로서 고려되었다. 그러나, 이러한 물질은 또한 사이클링(cycling)에서 낮은 충전/방전 용량 및 장기간 안정성을 겪는다. 비록 LiNi02가 LiCoO2 보다 이론적으로 더 양호한 방전 용량 때문에 다른 잠재적인 캐소드 물질임에도 불구하고, 이 물질은 그 제조에 있어서 상당한 어려움을 나타낸다. V205의 경우, 충전/방전 사이클링에서 물질의 안정성에 대한 단점이 있다. 따라서, 공지된 결정질 전이 금속 산화물의 단점을 극복하기 위한 새로운 전극 재료의 생성에 있어서 긴급한 요구가 존재한다.
전도성 공액 중합체는 전이 금속 산화물에 대한 대안일 수 있다. 특히, 공지된 중합체 물질은 폴리아닐린(PANI)이며, 이는 공액 결합의 시스템으로 인해 산화환원 활성이고, 도핑 효과가 전기적으로 전도성이고 가역적인 전기화학적 전이를 할 수 있기 때문이며, 이는 리튬 배터리 캐소드의 활성 성분으로서 PANI를 사용하는 것을 가능하게 한다.
보통, PANI는 화학적으로 또는 전기화학적으로 제조된다.
HCl로 도핑된 화학적으로 합성된 PANI는 ~20mAh/g의 특정 방전 용량을 특징으로 하며, 이는 중합체 거대분자[K. S. Ryu, K. M. Kim, S.-G. Kang, J. Joo, S. H. Chang]의 50% 도핑도에서 이론적으로 가능한 용량의 14%이다. HCl 및 리튬 이온 염들의 상이한 도판트들을 갖는 리튬/폴리아닐린 2차 배터리들의 비교. Journal of Power Sources, 2000, vol. 88, p. 197-201], 및 NH40H로 처리에 의한 그것의 디도핑(dedoping) 후 리튬 염들로 재도핑된 화학적으로 합성된 PANi는 언급된 이론적으로 가능한 용량의 70% 이하인 ~100mAh g-1의 특정 방전 용량을 가질 수 있다[K. S. Ryu, Y.-S. Hong, Y. J. Park, X. Wu, K. M. Kim, Y.-G. Lee, S. H. Chang, S. J. Lee. 모든 고체-상태 전원 시스템을 위한 중합체 전극으로서 디메틸 술페이트로 도핑된 폴리아닐린. Solid state Ionics, 2004, vol. 175, p.759-763].
또한, 전기화학적으로 합성된 PANI는 ~100mA hg-1의 특정 방전 용량을 특징으로 하는 것으로 알려져 있다[H. Daifuku, T. Fuse, M. Ogawa, Y. Masuda, S. Toyosawa, R. Fujio. 폴리아닐린을 양극 활물질로 사용하는 전기 전지들. 미국 특허 제4,717,634호,1988]. 동시에, [O. Yu. Posudievsky, O. A. Kozarenko, V. S. Dyadyun, V. G. Koshechko, V. D. Pokhodenko. 기계화학적으로 수득된 폴리아닐린에 기초한 리튬 배터리들의 캐소드에 대한 재료를 얻는 방법. 우크라이나 특허, 111352, 2016]에서는 리튬 염들로 도핑된 기계화학적으로 제조된 PANI가 중합체 거대분자의 50% 도핑도에서 언급된 이론적으로 가능한 용량의 100% 이하인 ~146 mA hg-1 의 특정 방전 용량을 가질 수 있다는 것이 도시되었다.
하지만, PANI의 특정 방전 용량의 그러한 값들은 리튬 배터리들에 대한 소정능 캐소드들의 제조에 있어서는 불충분하다.
따라서, 재충전 가능한 배터리들, 특히 리튬 배터리들 응용에 대한 개선된 기능적 성능을 갖는 새로운 캐소드 재료들의 생성에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 높은 방전 용량의 재충전 가능한 배터리들, 특히 리튬 배터리들에서의 캐소드로서 유용한 하이브리드 나노복합체를 일 실시예에서 제공함으로써 종래 기술의 하나 이상의 문제점들을 해결한다. 이러한 실시예의 나노복합체는 전도성 중합체 PANI와 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀(few-layered graphene)(Gr)을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 전도성 공액화된(conjugated) 중합체 PANI와 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀(PANI/Gr)을 포함하는 하이브리드 2-구성요소(two-component) 나노복합체를 형성하는 방법이 제공된다. 이 실시예의 방법은 흑연 마이크로박편 및 화학적으로 불활성인 기판의 혼합물의 기계화학적 처리에 의해 제조된 에머랄딘 염기(emeraldine base) 및 소수층 그래핀의 상태에서 화학적으로 또는 기계화학적으로 합성된 PANI를 흑연의 경도보다 우수한 경도를 갖는 화학적 또는 기계화학적으로 합성된 PANI를 조합하는 단계, 용매(solvent)에 의해 이 기판을 후속적으로 제거하는 단계, 및 이어서 기계적으로 교반되어 하이브리드(hybrid) 나노복합체를 형성하는 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 후자 단계는 기계화학적 처리 단계이다. 유리하게, 이러한 기계화학적 처리 단계는 용매가 없다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 하이브리드 2-성분 나노복합체 PANI/Gr을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 이 실시예의 제1 스테이지는 흑연 마이크로-플레이크들과 흑연보다 우수한 경도를 갖는 화학적으로 불활성인 기판을 기계화학적으로 처리되는 1차 혼합물의 형성과 조합하여 Gr의 층으로 덮인 외부 표면을 갖는 화학적으로 불활성인 기판의 나노미터 및 마이크로미터 크기의 입자들로 구성된 중간 나노복합체를 생성하는 것을 포함한다. 제2 스테이지 동안에는 이러한 중간 나노복합체에 에머랄딘 염기의 상태로 화학적으로 합성된 PANI를 추가함으로서 새로운 혼합물이 마련되고, 그런 다음 용매를 사용하는 씻기(washing)와 건조에 의해 화학적으로 불활성인 기판의 제거의 결과로 하이브리드 나노복합체의 형성을 갖는 기계화학적 처리를 겪게 된다. 유리하게, 이러한 기계화학적 처리 단계는 용매가 ?다.
PANI/Gr 나노복합체들은 효과적이고 환경 친화적인 기계화학적 방법들에 의해 유리하게 마련된다. 또, 이들 나노복합체들은 알려진 종래 기술 유사물과 비교하여 개선된 충전/방전 성능을 갖는다. 따라서, 이들 나노복합체들은 높은 방전 용량-요구된 재충전 가능한 배터리들, 특히 리튬 배터리들의 생성을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 상세한 설명과 첨부 도면들로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 하이브리드 나노복합체를 사용하는 재충전 가능한 배터리, 특히 리튬 배터리의 개략적인 단면도.
도 2는 예 4에서 설명된 바와 같이 제조된 기계화학적으로 처리된 PAN I(mt-PANI)의 사이클 수를 갖는 특정 방전 용량의 변화를 도시하는 도면으로서, 그 용량은 캐소드 질량 충전 및 방전 전류에서 PANI 함량에 기초하여 계산되었고, 그래프에서 충전 전류와 방전 전류는 같고 그래프에 도시되어 있다.
도 3은 예 5에서 설명된 PANI/Gr 나노복합체에서의 PANI에 대한 충방전 사이클들의 수를 갖는 특정 방전 용량의 변화를 도시하는 도면으로서, 그 용량은 캐소드 질량에서의 PANI 함량에 기초하여 계산되었고, 충전 전류는 C/6과 같고 방전 전류의 값은 그래프에 도시되어 있다.
도 4는 예 6에서 설명된 PANI@Gr 나노복합체에 대한 충반전 사이클들의 수를 갖는 특정 방전 용량의 변화를 도시하는 도면으로서, 그 용량은 캐소드 질량에서의 PANI 함량에 기초하여 계산되었고, 충전 전류는 C/6과 같고 방전 전류의 값은 그래프에 도시되어 있다.
이제 본 발명의 현재 선호되는 구성요소들, 실시예들 및 방법들에 대한 참조가 상세하게 이루어지고, 이는 본 발명의 발명자에게 현재 알려진 본 발명을 실시하는 최상의 모드들을 구성한다. 도면들은 반드시 실제 크기대로 되어 있지는 않다. 하지만 개시된 실시예들은 단지 다양한 그리고 대안적인 형태들로 구현될 수 있는 본 발명의 전형적인 것임이 이해되어야 한다. 그러므로 본 명세서에서 개시된 특정 세부 내용은 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되고 본 발명의 임의의 양태에 대한 대표적인 기초로서 및/또는 본 발명을 다양하게 쓰기 위해 당업자에게 가르치기 위한 대표적인 기초로서 해석되어야 한다.
예들에서, 또는 달리 명시적으로 지시된 경우를 제외하고, 재료의 양들이나 반응의 조건들을 가리키는 본 설명에서의 모든 수치적 양들은 본 발명의 가장 넓은 범위를 설명시 단어 "약(about)"에 의해 변형된 것으로 이해되어야 한다.
또한, 특정 구성요소들 및/또는 조건이 물론 변할 수 있으므로, 본 발명은 아래에 설명된 특정 실시예들과 방법들로 제한되지 않는다는 것이 또한 이해되어야 한다. 또 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로만 사용되며 어떤 식으로든 제한하려는 것은 아니다.
명세서 및 첨부된 청구 범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 예를 들면, 단수의 구성요소에 대한 언급은 복수의 구성요소들을 포함하도록 의도된다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 나노복합체를 사용하는 재충전 가능한 배터리의 개략 단면도가 제공된다. 재충전 가능한 배터리(10)는 애노드 층(12), 전해질 층(14), 및 캐소드 층(16)을 포함한다. 유리하게, 애노드 층(12)은 리튬, 나트륨 또는 칼륨을 포함한다. 유리하게, 캐소드 층(16)은 아래에서 더 상세하게 언급되는 하이브리드 나노복합체들을 포함한다. 예를 들면, 폴리아닐린의 복합체는 나노구조 흑연 또는 소수층 그래 핀(PANI/Gr)을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 배터리 캐소드 재료로서 유용한 하이브리드 나노복합체가 제공된다. 이러한 실시예의 나노복합체는 PANI 또는 Gr을 포함한다. 일 변형예에서, 나노복합체는 2-성분 하이브리드 유기-무기 나노복합체이다. 또 다른 변형예에서는, 나노복합체가 3-성분 하이브리드 유기-무기 나노복합체이다. 본 실시예들의 복합체들은 Gr의 존재하에 기계화학적으로 처리된 PANI 거대 분자로 구성되며, 이러한 Gr은 100nm 내지 1000nm, 유리하게는 200nm 내지 500nm의 측면 크기 및 1개 내지 20개인 그래핀 층들의 두께, 유리하게는 1개 내지 5개의 그래핀 층들의 두께를 갖는 흑연 입자들로 나타내어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 위에서 언급된 나노복합체 PANI/Gr를 형성하는 방법이 제공된다. 이러한 실시예의 방법은 PANI와 Gr을 포함하는 혼합물을 형성하는 단게를 포함하고, 이러한 단계는 계속해서 그러한 혼합물이 기계적으로 교반되는 기계화학적 처리를 거친다. 개선예(refinement)에서, 미리 결정된 양의 분쇄 매질(milling media)이 기계화학적 처리 전에 반응 혼합물에 첨가된다. 그러한 매질은 분쇄를 위해 사용된 장비에 의존적이고, 그러한 장비는 당업자에 의해 쉽게 결정될 수 있거나 장비 제작자의 문서에서 쉽게 발견될 수 있다.
그 후 그런 혼합물은 하이브리드 나노복합체를 형성하기 위해 기계화학적 처리 단계에서 교반된다. 개선예에서, 기계화학적 처리 단계는 용매가 없다. 일 변형예에서, PANI는 반응 혼합물 총 중량의 약 75중량% 내지 약 99중량%의 양으로 존재한다. 또 다른 변형예에서는, Gr이 반응 혼합물의 총 중량의 약 1중량% 내지 약 25중량%의 양으로 존재한다.
과학 및 특허 문헌에는 PANI 또는 Gr을 기반으로 하는 다양한 재료에 대한 정보가 포함되어 있지만, 새로운 기능적 특성을 갖는 나노 복합체를 제공할 수 있는 임의의 독성 무기 및/또는 유기 용매를 사용하지 않고 기계화학적 방법으로 이러한 하이브리드 나노복합체를 제조하는 것과 그러한 재료들을 준비하는 데 따른 환경 문제 해결이 논의된 적이 없다.
이러한 실시예의 방법은 에메랄딘 염기 및 Gr의 상태에서의 PANI와 그것의 이어지는 기계화학적 처리의 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 기계화학적 처리 전에 반응 혼합물에 소정량의 분쇄 매질이 추가된다. Gr은 나노미터 두께와 층으로 된 구조를 가지는 나노입자들로 이루어진다. 그것은 경도가 흑연보다 우수한 화학적 불활성 물질(특히 무기 염)의 존재하에 벌크 흑연(특히 흑연 마이크로-플레이크들)의 기계화학적 처리 및 및 용매(특히 물)로 세척함으로써이 이러한 물질의 후속 제거에 의해 마련될 수 있다. NaCl, KCI, KBr, Na2S04, K2S04, MgS04 등은 그러한 염들의 샘플들일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 에머랄딘 염기 및 Gr의 상태에서 PANI에 기초한 나노복합체들을 마련하기 위해 필수적인 동작들의 시퀀스의 변경이 가능하다. 처음에, 이전 실시예와 유사하게, 화학적으로 불활성인 물질의 본재 하의 벌크 흑연의 혼합물이 기계화학적으로 처리된다. 그런 다음 에머랄딘 염기 상태의 PANI가 이러한 혼합물이 추가되고 후속 기계화학적 처리가 수행되며, 그 후 화학적으로 불활성인 물질이 물로 세척함으로써 마련된 산물로부터 제거된다.
분쇄 매질을 갖는 혼합물은 중합체 매트릭스에서 Gr의 추가 박리를 활성화시키기 위해 기계화학적 처리를 거친다. 기계화학적 처리는 바람직하게는 실온, 일반적으로 15℃ 내지 40℃의 온도에서 수행되며, 이는 기계화학적 처리에 사용되는 장비의 사용을 위한 기술적 조건을 만족시킨다. 그러한 기계화학적 처리 동안 하이브리드 나노복합체가 형성된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "기계화학적 처리"는 "기계화학적 합성", "기계화학적 활성화", "기계화학적 분쇄(milling)", 및 관련 공정들을 의미한다. "기계 화학적 처리"라는 용어는 기계적 에너지가 물질 또는 물질의 혼합물에서 화학 반응들, 결정 구조 변환들 또는 상 변화를 활성화, 개시 또는 촉진하기 위해 사용되는 그러한 공정들을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "기계화학적 처리"라는 용어는 기계적 에너지를 혼합물에 전달하기 위해 분쇄 매질의 존재시의 교반을 의미한다. 혼합물은 닫힌 용기 또는 챔버에 담길 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "교반하는" 또는 "교반"이라는 용어는 병진(translation)(예컨대, 좌우 진동(side-to-side shaking)), 회전(예컨대, 스피닝(spinning) 또는 회전(rotating)) 및 혼합물로의 반전(예컨대, 엔드-오버-엔드 텀블링(end-over-end-tumbling))을 포함하는 기본 운동학적 동작(kinematic motion)들 중 적어도 하나 또는 2개 이상의 임의의 조합을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 유용한 일 변형예에서, 모든 3개의 동작들이 혼합물에 적용된다. 그러한 교반은 반응 혼합물 및 분쇄 매질의 외부 교반과 함께 또는 그러한 외부 교반 없이 그러한 교반이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
기계화학적 처리 단계의 일 변형예에서, 반응물 분말들의 혼합물은 미리 정해진 교반 강도로 미리 정해진 시간 동안 기계적으로 교반되는(즉, 휘젓거나 휘젓지 않고) 용기 또는 챔버에서 분쇄 매질과 적절한 비율로 조합된다. 기계화학적 처리 단계의 또 다른 변형예에서는, 반응 혼합물을 첨가된 액체들 또는 유기 용매들 없이 명목상으로 주변 조건 하에서 미리 정해진 교반 강도로 미리 정해진 시간 동안 기계적으로 교반된다(즉, 휘젓거나 휘젓지 않고).
나노복합체를 형성하는 방법의 또 다른 변형예에서, 미리 결정된 양의 분쇄 매질, 바람직하게는 화학적으로 불활성인 경질(rigid) 분쇄 매질이 기계 화학적 처리 전에 유기 구성요소로서 에메랄딘 염기의 상태에서 PANI와 Gr을 포함하는 건조한 반응 혼합물에 첨가된다. 전형적으로, 분쇄 매질에 대한 반응 혼합물의 중량비는 약 1:7 내지 1:40의 범위에 있을 수 있다. 반응 혼합물은 예를 들어 분쇄 장치에서 기계화학적으로 처리되어 주변 온도(즉, 외부 가열이 필요 없는)에서 분쇄 매질의 존재하에 반응 혼합물이 교반된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "화학적으로 불활성인" 분쇄 매질이라는 용어는 그러한 분쇄 매질이 반응 혼합물의 구성요소들 중 어느 것과도 화학적으로 반응하지 않는다는 것을 의미한다. 경질 분쇄 매질은 유리하게는 천연 광물들, 세라믹들, 유리, 금속 또는 고강도 중합체 구성요소와 같은 다양한 재료들을 미립자 형태로 포함한다. 예를 들면, 바람직한 세라믹 재료들은 분쇄 동안 부서지거나 파쇄되는 것을 피하고 또한 충분히 높은 밀도를 갖는 것을 가능하게 하기에 충분한 경도(hardness) 및 파단성(friability)을 바람직하게 가지는 세라믹들의 넓은 어레이로부터 선택될 수 있다. 분쇄 매질에 대한 적합한 밀도들은 약 3g/cm3 내지 15g/cm3의 범위에 있다. 세라믹 재료들의 예들은 마노, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 지르코니아-실리카,이트리아-안정화된 산화 지르코늄, 마그네시아-안정화된 산화 지르코늄, 질화규소, 탄화규소, 코발트-안정화된 텅스텐 카바이드 등과 이들의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 일 개선예에서는 유리 분쇄 매질이 구형(예를 들어, 비드(bead)들)이고, 좁은 크기 분포를 가지며 내구성이 있다. 적합한 금속 분쇄 매질은 전형적으로 구형이며 일반적으로 양호한 경도(즉, 로크웰 경도 RHC 60-70), 극도의 진원도(extreme roundness), 높은 내마모성 및 좁은 크기 분포를 갖는다. 금속 분쇄 매질은, 예를 들면 타입 52100 크롬 강, 타입 316 또는 440C 스테인리스 강 또는 타입 1065 고 탄소강으로부터 제조된 볼(ball)들을 포함한다.
본 실시예의 일 변형예에서는 기계화학적 처리가 장시간에 걸쳐 반응 혼합물의 입자들에 압축력 및 전단 응력을 가하는 분쇄 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 기계화학적 처리를 달성하기 위한 적합한 장치는 유성 볼 밀(planetary ball mill), 예를 들어 프리츠(Fritsch)로부터 상업적으로 입수 가능한 풀버리제트(Pulverizette) 6이다.
비록 본 발명의 실시예들이 동작의 임의의 특별한 이론에 국한되지 않지만, 반응 혼합물의 기계화학적 처리 동안, 분쇄 매질이 PANI 및 Gr의 입자들에 미치는 영향은 유기 분자들 형태의 변화를 초래할 수 있는 것으로 여겨진다. 또한 Gr 입자들의 층상 구조로 인해, 기계화학적 처리에 의해 유발된 전단 응력으로 인해 그것들의 두께가 감소될 수 있다고 이론화된다. 형태 변화 및 두께 감소가 동시에 일어날 수 있다는 것이 또한 이해된다.
또한, PANI 및 Gr 층으로 덮여진 화학적으로 불활성인 탈층(delamination) 물질 입자들로 이루어지는 혼합물의 기계화학적 처리는 유사한 변화를 야기할 수 있고, 이어서 화학적으로 불활성인 탈층 물질의 입자들을 용매를 사용하여 씻음으로써 제거하는 것이 다공성이 증가된 PANI/Gr 나노 복합체를 얻는 것을 허용한다고 이론화된다.
부적절한 시간 기간(예컨대, 약 60분 미만) 동안 PANI 및 Gr의 혼합물을 기계화학적으로 처리하는 것은 제조된 나노 복합체의 비균질성을 초래할 수 있으며, 이는 수득된 재료의 불충분하게 높은 방출 특징들을 초래할 수 있다. 연장된 기계화학적 처리(예컨대, >24시간)는 또한 바람직하지 않는데, 이는 하이브리드 나노복합체가 매우 비정질이 되고 빈약한 방출 성능을 보여주기 때문이다.
후속하는 예들은 본 발명의 다양한 실시예들을 예시한다. 당업자라면 본 발명의 취지 및 청구항들의 범주 내에 있는 많은 변형예들을 인식할 것이다.
PANI/Gr 하이브리드 나노복합체의 제조를 위한 출발 재료들로서, 에메랄딘 염기 및 나노구조 흑연 또는 또는 소수층 그래핀(Gr) 또는 나노구조 흑연 또는 소수층 그래핀의 층으로 코팅된 NaCl 결정들(NaCI@Gr)의 상태에서 화학적으로 합성 된 PANI가 사용되었다.
예들
예 1
나노구조 흑연 또는 소수층 그래핀(Gr)의 제조
Gr은 80 mL 분쇄 용기(grinding bowl)에서 직경 10mm의 30개의 마노 볼들과 함께 50mg의 흑연 마이크로-플레이크들 및 2g의 NaCl을 조합하여 제조된다. 분쇄 매질에 대한 반응물의 중량비는 약 1:22이다. 혼합물은 1시간 동안 500rpm의 교반 속력으로 유성 볼 밀 풀버리제트 6를 사용하여 기계화학적으로 처리된다. NaCl@Gr 분말의 형태로 된 생성물이 건식 체질(dry sieving)에 의해 분쇄 매질로부터 분리된다. Gr은 완전 용해까지 2회(twice) 증류수를 사용하여 NaCl을 제거하는 것, NaCl을 추출하는 것 및 120℃에서 수득한 물질을 마지막으로 건조하는 것에 의해 제조된다.
예 2
나노구조 흑연 또는 소수층 그래핀(NaCl@Gr)으로 코팅된 NaCl 결정들의 제조
NaCl@Gr은 80 mL 그라인딩 보울에서 직경이 10 mm인 30개의 마노 볼들과 함께 50mg의 흑연 마이크로-플레이크들 및 2g의 NaCl을 조합하여 제조된다. 분쇄 매질에 대한 반응물들의 중량비는 약 1:22이다. 혼합물은 1시간 동안 500rpm의 교반 속력으로 유성 볼 밀 풀버리제트 6를 사용하여 기계화학적으로 처리된다. NaCl@Gr 분말 형태의 생성물은 건식 체질에 의해 분쇄 매질로부터 분리된다.
예 3
에머랄딘 염기 상태의 PANI의 제조
도핑된 PANI는 산화제(oxidizer)로서 과산화황산암모늄의 작용하에 1M의 수용성 염산 용액에서 아닐린의 화학적 중합에 의해 합성된다. 모노머:옥시던트(monomer:oxidant) 분자비는 0.8이다. 중합 시간은 3시간이다. 중합이 완료되면, 생성물을 필터에서 분리하고 에탄올 및 물로 철저히 세척한다. 그런 다음 에메랄딘 염기 상태에서 PANI의 디도핑(dedoping) 및 이동(transfer)을 위해 3% 수용성 암모니아로 처리되고, 속슬렛(Soxhlet) 장치에서 아세토니트릴로 20배 추출하여 정제되고 진공에서 건조된다.
예 4
기계화학적으로 처리된 PANI(mt-PANI)의 제조
mt-PANI는 샘플 3에서와 같이 제조된 에메랄딘 염기의 상태의 PANI의 건조한 분말과 80mL 분쇄 용기에서 분쇄 매질로서 직경 10mm의 30개의 마노 볼들을 조합하여 제조된다. 분쇄 매질에 대한 에머랄딘 염기의 상태에서의 PANI의 중량비는 약 1:22이다. 혼합물은 1시간 동안 300rpm의 교반 속력으로 유성 볼 밀 풀버리제트 6를 사용하여 기계화학적으로 처리된다. mt-PANI 분말 형태의 생성물은 건식 체질에 의해 분쇄 매질로부터 분리된다.
예 5
PANI/Gr 하이브리드 나노복합체의 제조
PANI/Gr 나노복합체는 샘플 3에서와 같이 제조된 에메랄딘 염기의 상태의 PANI의 1.8㎎과 샘플 1에서와 같이 제조된 Gr의 0.2g 및 80mL 분쇄 용기에서 분쇄 매질로서 직경 10mm의 30개의 마노 볼들을 조합하여 제조된다. 혼합물은 1시간 동안 300rpm의 교반 속력으로 유성 볼 밀 풀버리제트 6를 사용하여 기계화학적으로 처리된다. PANI/Gr 나노복합체 생성물은 건식 체질에 의해 분쇄 매질로부터 분리된다.
예 6
PANI@Gr 하이브리드 나노복합체의 제조
PANI@Gr 나노복합체는 샘플 3에서와 같이 제조된 에메랄딘 염기 상태에서의 0.45g의 PANI와 샘플 2에서와 같이 제조된 NaCI@ r 2.05g 및 80 mL 분쇄 용기에서의 분쇄 매질로서 직경이 10mm인 30개의 마노 볼들을 조합하여 제조된다. 생성물은 건식 체질에 의해 분쇄 매질로부터 분리되고 물로 세척하여 NaCl을 용해 및 제거하고 60℃에서 진공 건조시켰다. PANI@Gr 나노복합체의 수율(yield)은 95%이다.
준비된 시료로서의 방전 특징들
전기 화학적 측정을 위해 CR2032-타입 셀들을 건식 글로브 박스에서 조립하였다. mt-PANI의 경우, 중합체, 카본 블랙 및 폴리[(비닐리덴 플루오라이드)-코-헥사플루오로프로필렌](75:15:10 중량%)의 혼합물이 캐소드로서 사용되었고, 특히 부극으로서 금속 포일, Li 포일을 사용하였으며, 전해질로서 대응하는 염, 특히 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트(50:50 부피%)에서의 LiCl04의 1M 용액이 사용되었다. PANI/Gr 및 PANI@Gr의 경우, 나노복합체와 폴리[(비닐리덴 플루오라이드)-코-헥사플루오로프로필렌](90:10 중량%)의 혼합물을 캐소드로서 사용하였다. 충-방전 사이클링은 2.0-4.2 B 대(vs.) Li/Li+ 전위 범위에서 수행된다.
제조된 물질들에 대한 충-방전 사이클들의 개수에 대한 방전 용량의 변화는 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다. 제조된 나노복합체들 PANI/nGr(247 Ah/kg)의 방전 용량은 프로토타입으로서 mt-PANI(144 Ah/kg)의 방전 용량을 본질적으로 초과한다. PANI/Gr 나노복합재의 경우, 충-방전 사이클들의 개수의 증가에 따른 그것의 값의 증가로 이루어지는 사이클링 동안 용량 변화의 특정 경향이 관찰된다.
mt-PANI 및 PANI/Gr과 달리, PANI@Gr 나노복합체의 사이클링은 특정 방전 용량의 최대값이 첫 번째 사이클에서 달성되었기 때문에 그러한 경향을 특징으로 하지 않았다. 동시에, PANI@Gr의 특정 용량(256 Ah/kg)의 값은 PANI/Gr 나노복합체 (247 Ah/kg)의 용량보다 다소 높았으며, 이는 충-방전의 15 사이클 후에 도달하였다.
설명된 바와 같이, 전극 물질들로서 PANI와 Gr에 기초한 새로운 하이브리드 나노복합체들이 새로운 효율적이고 환경 친화적인 방식으로 제조된다. 나노복합체들의 조성에서의 Gr의 존재는 PANI의 산화환원 변환 능력을 변화시키고 나노복합체 내의 중합체의 특정(specific) 전기화학 용량을 근본적으로 증가시킨다. 나노복합체는 개별 중합체와 비교하여 개선된 충-방전 특징들을 가지고 따라서 그것들은 재충전 가능한 배터리들, 리튬, 나트륨, 칼륨 또는 마그네슘 배터리들 또는 특히 더 높은 방전 용량을 갖는 대응하는 금속 이온 배터리들을 생성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 예시되고 설명되었지만, 이들 실시예는 본 발명의 모든 가능한 형태들을 예시하고 설명하도록 의도된 것은 아니다. 오히려, 본 명세서에서 사용된 단어들은 제한하기보다는 설명을 위한 단어들이고 본 발명의 취지 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경예가 만들어질 수 있음이 이해된다.

Claims (8)

  1. 재충전 가능한 배터리들의 캐소드(cathode)들용 하이브리드 나노복합체에 있어서:
    에메랄딘 염기(emeraldine base) 상태의 폴리아닐린(polyaniline); 및
    약 100㎚ 내지 1000㎚의 래터럴 사이즈(lateral size)와 약 1개 내지 20개 층들의 두께를 갖는 입자들로 이루어지는 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀(few-layered graphene)을 포함하고,
    상기 나노복합체는 2-성분 하이브리드(two-component hybrid)이고 정해지는 구성요소(stated component)들은 상기 하이브리드 나노복합체의 총 중량의 약 75:25%로부터 99:1%까지의 상대적인 양으로 존재하는, 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 나노복합체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 나노복합체는 약 200㎚ 내지 5000㎚의 래터럴 사이즈와 약 1개 내지 5개 층들의 두께를 갖는 입자들로 이루어지는 상기 하이브리드 나노복합체와 그래핀 구성요소의 상기 총 중량의 약 85:15%로부터 95:5%까지의 상대적인 양으로 상기 정해지는 구성요소들을 포함하는 2-성분 하이브리드인, 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 나노복합체.
  3. 폴리아닐린과 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀을 포함하는 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 2-성분 나노복합체의 제조 방법에 있어서:
    흑연과 수용성의 화학적으로 불활성인 고체 물질, 특히 무기 염(inorganic salt)의 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 기계화학적으로 처리하고 건식 체질(dry sieving)에 의해 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀을 포함하는 상기 나노복합체와 수용성의 화학적으로 불활성인 고체 물질을 분리하는 단계;
    물로 세척함으로써 상기 제조되는 나노복합체로부터 상기 정해지는 화학적으로 불활성인 고체 물질을 제거하고 그 다음 그 결과로 생기는 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀을 60℃의 진공 상태로 건조시키는 단계;
    폴리아닐린과 나노구조의 흑연 또는 소수층 그래핀을 조합하는 반응 혼합물(reaction mixture)을 형성하는 단계; 및
    상기 혼합물의 용매가 없는 기계 화학적 처리(solvent-free mechanochemical treatment)를 행하는 단계를 포함하는, 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 2-성분 나노복합체의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    나노구조 흑연 또는 소수층 그래핀과 단계 b)의 결과에서 제조되는 수용성의 화학적으로 불활성인 고체 물질로 이루어지는 상기 나노복합체 및 에머랄딘 염기 상태의 폴리아닐린을 조합하는 반응 혼합물은 기계화학적으로 처리되고 폴리아닐린과 나노구조 흑연 또는 소수층 그래핀을 포함하는 결과로서 생기는 하이브리드 2-성분 나노복합체는 폴리아닐린, 나노구조 흑연 또는 소수층 그래핀으로 이루어지는 상기 제조되는 3-성분 나노복합체과 수용성의 화학적으로 불활성인 고체 물질을 건식 체질에 의해 추가로 분리하고, 물로 세척함으로써 그것으로부터 상기 정해지는 화학적으로 불활성인 고체 물질을 제거하고 그 다음 60℃에서 진공 하에서 건조시킴으로써 제조되는, 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 2-성분 나노복합체의 제조 방법.
  5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 수용성의 화학적으로 불활성인 고체 물질은 NaCl, KCl, KBr, Na2SO4, K2SO4, Mg2SO4로 이루어지는 상기 그룹으로부터 선택되는 구성요소를 포함하는, 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 2-성분 나노복합체의 제조 방법.
  6. 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기계 화학적 처리를 포함하는 각 단계는 실질적으로 용매가 없는, 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 2-성분 나노복합체의 제조 방법.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 또는 금속 이온이 리튬, 나트륨, 칼륨 또는 마그네슘인 금속 또는 금속-이온 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들에서 사용될 수 있는, 재충전 가능한 배터리들의 캐소드들용 하이브리드 나노복합체.
  8. 재충전 가능한 배터리들에 있어서,
    제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 나노복합체에 기초하는 캐소드를 갖는 재충전 가능한 배터리들, 특히 리튬, 나트륨, 칼륨 또는 마그네슘 배터리들 또는 대응하는 금속 이온 배터리들.
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