KR20220133692A - Method of manufacturing composite for anode material prepared carbon nanotube, composite for anode material prepared therefrom, and secondary battery comprising same - Google Patents

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박종환
김정훈
조준영
이도근
조아정
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a composite for a negative electrode material including a pre-treated carbon nanotube, a composite for a negative electrode material prepared thereby, and a secondary battery including the same. The method of the present invention comprises the steps of: preparing a mixed solution including graphene oxide, a silicon-based particle, a carbon nanotube, and a solvent; spraying and drying the mixed solution to coat the graphene oxide on the silicon-based particle while the solvent evaporates, and preparing a composite particle where a carbon nanotube is bound to the graphene oxide; and thermally treating the composite particle to perform the reduction of the graphene oxide and the carbon nanotube.

Description

전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법, 이로부터 제조되는 음극 소재용 복합체 및 이를 포함하는 이차전지{METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE FOR ANODE MATERIAL PREPARED CARBON NANOTUBE, COMPOSITE FOR ANODE MATERIAL PREPARED THEREFROM, AND SECONDARY BATTERY COMPRISING SAME}A method for manufacturing a composite for an anode material comprising a pretreated carbon nanotube, a composite for an anode material prepared therefrom, and a secondary battery comprising the same SECONDARY BATTERY COMPRISING SAME}

본 발명은 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법, 이로부터 제조되는 음극 소재용 복합체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a composite for an anode material including a pretreated carbon nanotube, a composite for an anode material prepared therefrom, and a secondary battery including the same.

최근 소형화, 경량화된 각종 전자기기와 더불어 초대형 전력저장시스템에 대한 수요가 급증함에 따라 새로운 에너지원에 대해 전세계적인 관심이 높아지고 있다. 그중에서도 친환경적이며 높은 에너지 밀도를 지니고 급속 충방전이 가능한 이차전지 분야에 대한 연구개발이 집중되고 있다.Recently, as the demand for ultra-large power storage systems along with miniaturized and light-weighted various electronic devices has rapidly increased, global interest in new energy sources is increasing. Among them, R&D is focused on the secondary battery field, which is environmentally friendly, has high energy density, and can be charged and discharged rapidly.

예컨대, 리튬이차전지는 휴대용 전자기기 전원으로의 적용 뿐만 아니라 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기자동차, 그리고 산업용 공구, 로봇 등과 같은 비IT용 전원으로도 중요성을 더해가고 있다. 또한 태양광과 풍력 발전과 같은 신재생 에너지의 폭넓은 보급을 위해서 이들 발전의 간헐성에 기인하는 전력 품질을 개선하기 위하여 대용량 에너지 저장장치로써 그 용도가 확대될 것으로 기대되고 있다.For example, lithium secondary batteries are gaining importance not only as power sources for portable electronic devices, but also as non-IT power sources such as hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles and electric vehicles, and industrial tools and robots. In addition, it is expected that its use will be expanded as a large-capacity energy storage device in order to improve the power quality caused by the intermittent power generation for the wide distribution of new and renewable energy such as solar and wind power generation.

리튬이차전지의 성능은 리튬이차전지가 응용되는데 매우 중요하며, 기존 리튬이차전지 성능에 비하여 저장용량(활물질 단위 무게 혹은 단위 부피당 충전용량), 출력(활물질 단위 무게 혹은 단위 부피당 방전속도), 안정성 및 수명(저장용량을 유지하면서 반복 가능한 충방전 횟수) 특성이 향상된 리튬이차전지의 개발의 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 특성은 일차적으로 음극 소재로 사용되는 음극 활물질의 특성에 의하여 결정된다.The performance of a lithium secondary battery is very important to the application of a lithium secondary battery, and compared to the performance of the existing lithium secondary battery, the storage capacity (active material unit weight or charging capacity per unit volume), output (active material unit weight or discharging rate per unit volume), stability and The demand for the development of lithium secondary batteries with improved lifespan (the number of repeatable charge/discharge while maintaining storage capacity) characteristics is continuously increasing. These characteristics are primarily determined by the characteristics of the negative active material used as the negative electrode material.

기존 리튬이차전지 음극 소재로는 흑연(Graphite)이 사용되고 있으나 최대 저장 가능한 이론용량이 약 372mAh/g이며, 최근 그 이론용량이 상용 리튬이차전지에서 거의 발휘되고 있음에 따라, 리튬이차전지에서 에너지 저장용량을 증가시키기 위해 저장용량이 흑연보다 높은 음극 소재를 개발하여야 한다.Graphite is used as an anode material for existing lithium secondary batteries, but the maximum theoretical capacity that can be stored is about 372 mAh/g. In order to increase the capacity, it is necessary to develop an anode material with a storage capacity higher than that of graphite.

흑연을 대체할 수 있는 리튬이차전지용 음극 소재 후보군 중에서 전기화학적으로 리튬과 반응하여 얼로이를 형성하는 금속 군(Si, Sn, As, Ge, Bi, Al, In, Pb 및 Ga)이 고용량 소재로 관심을 끌고 있다.Among the anode material candidates for lithium secondary batteries that can replace graphite, metal groups (Si, Sn, As, Ge, Bi, Al, In, Pb, and Ga) that electrochemically react with lithium to form an alloy are of interest as high-capacity materials. is dragging

그중 실리콘은 높은 이론용량(~4,200mAh/g)과 낮은 충전전위(~0.2V vs Li/Li+)를 가지면서 풍부자원이기 때문에 차세대 리튬이차전지용 고용량 음극 소재로 개발하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다.Among them, silicon has a high theoretical capacity (~4,200mAh/g) and a low charge potential (~0.2V vs Li/Li + ) and is a rich resource. have.

하지만 리튬이온이 충방전될 때 발생하는 큰 부피변화(>300%) 때문에 음극의 분극과 균열이 발생하며, 이때 생성된 실리콘 표면과 전해액이 반응하여 새로운 고체-전해질-경계층(solid electrolyte interface, SEI)을 지속적으로 생성시켜 내부 저항이 증가되어 낮은 효율과 사이클 반복 시 용량이 감소하여 수명이 단축되는 문제점이 있다. 또한 실리콘은 전기전도성이 매우 낮아 전도성 소재와 복합체 형태로 제조하는 방안이 필요하다.However, due to the large volume change (>300%) that occurs when lithium ions are charged and discharged, polarization and cracking of the anode occur. ) is continuously generated to increase internal resistance, resulting in low efficiency and reduced capacity during cycle repetition, resulting in shortened lifespan. In addition, since silicon has very low electrical conductivity, a method of manufacturing it in the form of a composite with a conductive material is required.

이를 위해 '구겨진 형상의 실리콘-탄소나노튜브-그래핀 복합체 제조방법, 이에 따라 제조된 복합체 및 복합체를 포함하는 이차전지(등록번호: 10-1813893)'에서는 실리콘, 탄소나노튜브, 그래핀 옥사이드 및 용매를 포함하는 혼합물을 제조하고, 이를 분무 건조한 후 열처리하여 구겨진 형상의 실리콘-탄소나노튜브-그래핀 복합체를 제조할 수 있는 방법을 제시한 바 있다.To this end, in 'a method for manufacturing a crumpled-shaped silicon-carbon nanotube-graphene composite, and a secondary battery (registration number: 10-1813893) including the composite and composite prepared accordingly', silicon, carbon nanotubes, graphene oxide and A method for preparing a silicon-carbon nanotube-graphene composite having a crumpled shape by preparing a mixture containing a solvent, spray-drying it, and then heat-treating it has been proposed.

그러나 아르곤, 헬륨 및 질소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 가스 분위기에서 500 내지 1,000℃ 온도로 열처리를 하여야만 탄소나노튜브와 그래핀 옥사이드의 환원이 이루어지기 때문에, 최소 500℃ 이상의 높은 온도가 필요하며, 별도의 비활성 기체 분위기를 제공해주어야만 하는 문제점이 있다.However, since reduction of carbon nanotubes and graphene oxide is achieved only by heat treatment at a temperature of 500 to 1,000 ° C in at least one gas atmosphere selected from the group consisting of argon, helium and nitrogen, a high temperature of at least 500 ° C is required, There is a problem in that a separate inert gas atmosphere must be provided.

따라서 고온의 비활성 기체 분위기 하에서 열처리하지 않아도 환원될 수 있는 산화그래핀과 전기전도성이 우수한 탄소나노튜브를 이용하여 실리콘 기반의 이차전지용 음극 소재에 대한 기술개발 연구가 절실히 요구되고 있는 시점이다.Therefore, technology development research on silicon-based anode materials for secondary batteries using graphene oxide that can be reduced without heat treatment in a high-temperature inert gas atmosphere and carbon nanotubes with excellent electrical conductivity is urgently required.

국내 등록특허공보 제10-1420049호, 2014.07.09.자 등록.Registered in Korea Patent Publication No. 10-1420049, 2014.07.09.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 고온의 비활성 기체 분위기 하에서 열처리하지 않아도 환원될 수 있는 산화그래핀과 전기전도성이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 실리콘 기반의 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법, 이로부터 제조되는 음극 소재용 복합체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.The present invention was invented to solve the above problems, and includes a silicon-based pretreated carbon nanotube using graphene oxide, which can be reduced without heat treatment under a high-temperature inert gas atmosphere, and carbon nanotubes with excellent electrical conductivity. It is a technical solution to provide a method for manufacturing a composite for an anode material, a composite for an anode material prepared therefrom, and a secondary battery including the same.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 산화그래핀, 실리콘계 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액을 분무 건조하여 상기 용매가 증발되면서 상기 산화그래핀이 상기 실리콘계 입자를 감싸도록 코팅되고, 상기 탄소나노튜브가 상기 산화그래핀에 결합된 복합입자를 제조하는 단계; 및 상기 복합입자를 열처리하여 상기 산화그래핀과 상기 탄소나노튜브를 환원시키는 단계;를 포함하고, 상기 탄소나노튜브는, 탄소나노튜브와 금속염화합물을 혼합한 복합분말과, 산 용액에 전단응력을 가하면서 혼합하여, 상기 금속염화합물이 상기 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간에 코인터칼레이션된 탄소나노튜브 액정상을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 액정상을 가열하여 상기 금속염화합물과 산 용액에 의해 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및 상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 세척 및 여과하는 단계;를 포함하여 전처리된 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above technical problem, the present invention comprises the steps of: preparing a mixed solution containing graphene oxide, silicon-based particles, carbon nanotubes, and a solvent; preparing composite particles in which the graphene oxide is coated to surround the silicon-based particles as the solvent evaporates by spray-drying the mixed solution, and the carbon nanotubes are bonded to the graphene oxide; and reducing the graphene oxide and the carbon nanotube by heat-treating the composite particle, wherein the carbon nanotube is a composite powder in which the carbon nanotube and the metal salt compound are mixed, and a shear stress in an acid solution. preparing a carbon nanotube liquid crystal phase in which the metal salt compound is co-intercalated between adjacent layers of the carbon nanotube by adding and mixing; heating the carbon nanotube liquid crystal phase to prepare a carbon nanotube into which an oxygen-containing functional group is introduced by the metal salt compound and an acid solution; and washing and filtering the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced; .

본 발명에 있어서, 상기 산화그래핀은, 에폭시기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기를 표면에 포함하되, 락톨기 또는 카르복실기인 산소 함유 관능기가 표면에 존재하지 않아 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀이며, 상기 열처리는, 상기 고내열성 산화그래핀의 내열안정성을 나타내는 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the graphene oxide includes an oxygen-containing functional group that is an epoxy group or a hydroxyl group on the surface, but an oxygen-containing functional group that is a lactol group or a carboxyl group does not exist on the surface, so it is high heat-resistant graphene oxide showing thermal stability, The heat treatment is characterized in that it is made in a temperature range showing the thermal stability of the high heat-resistant graphene oxide.

본 발명에 있어서, 상기 산화그래핀은, 170 내지 450℃에서 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀으로, 상기 복합입자를 열처리하는 단계는, 상기 고내열성 산화그래핀을 170 내지 450℃에서 열처리하여 환원시키는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the graphene oxide is high heat-resistant graphene oxide exhibiting thermal stability at 170 to 450° C., and the heat treatment of the composite particles includes heat-treating the high heat-resistant graphene oxide at 170 to 450° C. It is characterized by reduction.

본 발명에 있어서, 상기 산화그래핀은, 흑연과 클로레이트계 산화제를 분말상태로 혼합하고, 농질산을 첨가하여 산화시킴으로써 산화흑연을 제조하고, 금속이온을 함유하지 않는 염기성 용액으로 pH 10 이상의 알칼리 조건에서 상기 산화흑연을 박리함으로써 제조되는 고내열성 산화그래핀 분산용액인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the graphene oxide is prepared by mixing graphite and a chlorate-based oxidizing agent in a powder state, adding concentrated nitric acid to oxidize the graphite oxide, and using a basic solution that does not contain metal ions under alkaline conditions of pH 10 or higher It is characterized in that it is a high heat-resistant graphene oxide dispersion solution prepared by exfoliating the graphite oxide.

본 발명에 있어서, 상기 실리콘계 입자는, 실리콘, 실리콘 합금 및 실리콘 산화물 중 어느 하나 이상이되, 상기 실리콘 합금에 포함되는 금속원소는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, 및 Po로 이루어진 군으로 부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the silicon-based particles, but any one or more of silicon, a silicon alloy and silicon oxide, the metal element contained in the silicon alloy is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, It is characterized in that at least one selected from the group consisting of Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, and Po.

본 발명에 있어서, 상기 탄소나노튜브는, 상기 전처리된 탄소나노튜브를 용매에 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계;를 더 포함하여 제조되고, 상기 전처리된 탄소나노튜브 분산액이 액정상 형태로 자기조립이 가능한 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbon nanotube is prepared by further comprising; dispersing the pretreated carbon nanotube in a solvent to prepare a carbon nanotube dispersion, and the pretreated carbon nanotube dispersion is in a liquid crystal form It is characterized in that self-assembly is possible.

본 발명에 있어서, 상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbon nanotube, single-walled carbon nanotube (SWCNT), double-walled carbon nanotube (double-walled carbon nanotube, DWCNT) and multi-walled carbon nanotube (multi-walled carbon) nanotube, MWCNT), characterized in that at least one of them.

본 발명에 있어서, 상기 금속염화합물은, 질산염, 황산염 및 인산염 중 어느 하나 이상이되, 상기 질산염은 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3) 및 질산칼슘(Ca(NO3)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 황산염은 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 황산수소나트륨(NaHSO4) 및 황산수소칼륨(KHSO4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 인산염은 디포타슘포스페이트(K2HPO4) 및 인산칼륨(KH2PO4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the metal salt compound is any one or more of nitrate, sulfate and phosphate, wherein the nitrate is sodium nitrate (NaNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ) and calcium nitrate (Ca(NO 3 ) 2 ). at least one selected from the group, wherein the sulfate is sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), potassium sulfate (K 2 SO 4 ), sodium hydrogen sulfate (NaHSO 4 ) and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) Selected from the group consisting of It is at least one, and the phosphate salt is characterized in that at least one selected from the group consisting of dipotassium phosphate (K 2 HPO 4 ) and potassium phosphate (KH 2 PO 4 ).

본 발명에 있어서, 상기 액정상을 제조하는 단계는, 100 내지 2,000rpm의 회전속도로 30분 내지 3시간 동안 교반하여 상기 전단응력을 가하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step of preparing the liquid crystal phase is characterized in that the shear stress is applied by stirring for 30 minutes to 3 hours at a rotation speed of 100 to 2,000 rpm.

본 발명에 있어서, 상기 액정상을 제조하는 단계는, 임펠러, 페이스트 믹서 및 쿠에트-테일러 반응기 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 전단응력을 가하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step of preparing the liquid crystal phase is characterized in that the shear stress is applied using any one or more of an impeller, a paste mixer, and a Kuett-Taylor reactor.

본 발명에 있어서, 상기 액정상을 제조하는 단계는, 임펠러, 페이스트 믹서 및 쿠에트-테일러 반응기 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 전단응력을 가하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step of preparing the liquid crystal phase is characterized in that the shear stress is applied using any one or more of an impeller, a paste mixer, and a Kuett-Taylor reactor.

본 발명에 있어서, 상기 액정상을 제조하는 단계는, 상기 탄소나노튜브와 금속염화합물을 1 : 0.1 내지 10의 중량비로 혼합하여 복합분말을 형성하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the step of preparing the liquid crystal phase, the carbon nanotubes and the metal salt compound are mixed in a weight ratio of 1:0.1 to 10 to form a composite powder.

본 발명에 있어서, 상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계는, 25 내지 150℃에서 상기 액정상을 가열하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step of preparing the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced is characterized in that the liquid crystal phase is heated at 25 to 150°C.

본 발명에 있어서, 상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계는, 상기 액정상에 산화제를 더 첨가하여 교반한 후, 상기 액정상을 가열하여 상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the step of preparing the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced, an oxidizing agent is further added to the liquid crystal phase and stirred, and then the liquid crystal phase is heated to introduce the oxygen-containing functional group. characterized in that it is manufactured.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 방법으로 제조되는 복합체를 제공한다.In order to solve the above other technical problems, the present invention provides a composite prepared by the above method.

상기의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 양극; 상기 복합체를 포함하는 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 구비되는 분리막; 및 전해질;을 포함하는 이차전지를 제공한다.In order to solve the another technical problem, the present invention, a positive electrode; a negative electrode including the composite; a separator provided between the anode and the cathode; and an electrolyte; provides a secondary battery comprising.

상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법에 따르면, 에폭시기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기를 표면에 포함하되, 락톨기 또는 카르복실기인 산소 함유 관능기가 표면에 존재하지 않아 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀을 이용하여, 고내열성 산화그래핀의 내열안정성을 나타내는 온도범위의 공기 분위기에서 열처리를 통해 환원시킬 수 있는 효과가 있다.According to the method for producing a composite for an anode material comprising a pretreated carbon nanotube of the present invention by means of solving the above problems, an oxygen-containing functional group that is an epoxy group or a hydroxy group is included on the surface, and an oxygen-containing functional group that is a lactol group or a carboxyl group There is an effect that can be reduced through heat treatment in an air atmosphere in a temperature range showing the thermal stability of high heat-resistant graphene oxide by using high-heat-resistant graphene oxide that does not exist on the surface and shows thermal stability.

또한, 산화그래핀이 표면에 다수의 sp2 결합이 존재하고, 카르복실기와 락톨기보다 상대적으로 산화도가 낮은 하이드록시기와 에폭시기가 표면에 존재하므로, 170 내지 250℃에서 하이드록시기와 에폭시기가 대부분 제거된 후에는 열화가 매우 느리게 진행되어 열화가 최소화되는 내열안정성을 가짐에 따라, 종래 500~1,000℃의 고온에서 비활성 기체 분위기 하에서 수행하던 열처리를, 낮은 온도 및 공기 중에서 수행할 수 있게 되어, 공정단가를 낮춤은 물론 공정의 편의성 및 효율을 현저하게 개선할 수 있는 효과가 있다.In addition, since a large number of sp 2 bonds exist on the surface of graphene oxide, and hydroxyl and epoxy groups having a relatively lower oxidation degree than carboxyl and lactol groups exist on the surface, most of the hydroxyl and epoxy groups are removed at 170 to 250 ° C. After heat treatment, deterioration proceeds very slowly, and as it has thermal stability to minimize deterioration, heat treatment, which was conventionally performed at a high temperature of 500 to 1,000 ° C under an inert gas atmosphere, can be performed at a low temperature and in air, resulting in a process unit cost It has the effect of lowering the cost and significantly improving the convenience and efficiency of the process.

또한, 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에서 코인터칼레이션되어 탄소나노튜브의 자기조립 구조를 형성할 수 있으므로, 탄소나노튜브의 분산성을 향상시켜 결국 탄소나노튜브의 응집현상을 해소할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the metal salt compound can be co-intercalated between adjacent interlayers of the carbon nanotubes to form a self-assembled structure of the carbon nanotubes, the dispersibility of the carbon nanotubes is improved and eventually the aggregation of the carbon nanotubes is reduced. It has a resolving effect.

또한, 결함이 최소화되어 고온의 비활성 기체 분위기 하에서 열처리하지 않아도 환원될 수 있는 산화그래핀과 탄소나노튜브를 사용하므로, 실리콘 기반의 이차전지용 음극 소재의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the use of graphene oxide and carbon nanotubes, which can be reduced without heat treatment under a high temperature inert gas atmosphere due to minimized defects, is used, there is an effect of improving the electrical conductivity of a silicon-based anode material for a secondary battery.

도 1은 본 발명에 따라 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 종래 락톨기나 카르복실기가 표면에 존재하는 산화그래핀을 나타낸 화학구조.
도 3은 본 발명에 따른 에폭시기나 하이드록시기를 표면에 갖는 고내열성 산화그래핀을 나타낸 화학구조.
도 4(a)는 본 발명에 따른 고내열성 산화그래핀의 13C 고체 NMR 분석결과를, 도 4(b)는 종래 산화그래핀의 13C 고체 NMR 분석결과를 나타낸 그래프.
도 5는 도 4(a)를 면적 비율(area%)로 계산한 13C 고체 NMR을 분석하여 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 고내열성 산화그래핀과 종래 산화그래핀의 열중량분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 고내열성 산화그래핀과 종래 산화그래핀의 자외선-가시광선 분광분석 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따라 전처리된 탄소나노튜브를 이용하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 방법을 나타낸 순서도.
도 9는 본 발명에 따른 자전과 공전을 나타낸 모식도.
도 10은 본 발명에 따라 전처리된 탄소나노튜브 분산액을 나타낸 SEM 사진.
도 11은 전처리되지 않은 탄소나노튜브 분산액을 나타낸 SEM 사진.
도 12는 본 발명에 따른 음극 소재용 복합체를 나타낸 모식도.
도 13은 실시예 2에 따른 산화탄소나노튜브의 열적 거동을 나타낸 그래프.
도 14는 실시예 3을 나타낸 SEM 사진.
도 15는 실시예 3의 열중량분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프.
도 16은 실시예 3의 라만분광분석 결과를 나타낸 그래프.
도 17은 전극의 충방전 사이클에 따른 용량 유지율을 나타낸 그래프.
도 18은 전극의 충방전 사이클에 따른 쿨롱효율을 나타낸 그래프.
도 19는 전극의 충방전 사이클에 따른 율특성을 나타낸 그래프.
1 is a flowchart showing a method of manufacturing a composite for an anode material including a carbon nanotube pretreated according to the present invention.
2 is a chemical structure showing a conventional graphene oxide in which a lactol group or a carboxyl group is present on the surface.
3 is a chemical structure showing high heat resistance graphene oxide having an epoxy group or a hydroxyl group on the surface according to the present invention.
Figure 4 (a) is a graph showing the 13 C solid-state NMR analysis result of high heat-resistant graphene oxide according to the present invention, Figure 4 (b) is a graph showing the 13 C solid-state NMR analysis result of the conventional graphene oxide.
5 is a graph showing the analysis of 13 C solid-state NMR calculated as the area ratio (area%) of FIG. 4(a).
6 is a graph showing thermogravimetric analysis (TGA) results of high heat-resistant graphene oxide according to the present invention and conventional graphene oxide.
7 is a graph showing the results of ultraviolet-visible light spectroscopy of high heat-resistant graphene oxide according to the present invention and conventional graphene oxide.
8 is a flowchart showing a method for preparing a carbon nanotube dispersion using the pretreated carbon nanotubes according to the present invention.
9 is a schematic diagram showing the rotation and revolution according to the present invention.
10 is a SEM photograph showing a carbon nanotube dispersion pretreated according to the present invention.
11 is a SEM photograph showing a carbon nanotube dispersion that has not been pretreated.
12 is a schematic view showing a composite for an anode material according to the present invention.
13 is a graph showing the thermal behavior of the carbon oxide nanotube according to Example 2.
14 is an SEM photograph showing Example 3.
15 is a graph showing the thermogravimetric analysis (TGA) results of Example 3.
16 is a graph showing the results of Raman spectroscopy of Example 3.
17 is a graph showing a capacity retention rate according to a charge/discharge cycle of an electrode.
18 is a graph showing the coulombic efficiency according to the charge/discharge cycle of the electrode.
19 is a graph showing the rate characteristics according to the charge/discharge cycle of the electrode.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따라 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법을 순서도로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체는 산화그래핀, 실리콘계 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계(S10)와, 혼합용액을 분무 건조하여 용매가 증발되면서 산화그래핀이 실리콘계 입자를 감싸도록 코팅되고, 탄소나노튜브가 산화그래핀에 결합된 복합입자를 제조하는 단계(S20)와, 복합입자를 열처리하여 산화그래핀과 탄소나노튜브를 환원시키는 단계(S30)를 통하여 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체로 제조될 수 있다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a composite for an anode material including a carbon nanotube pretreated according to the present invention. Referring to FIG. 1 , the composite for anode material including carbon nanotubes pretreated according to the present invention is prepared by preparing a mixed solution including graphene oxide, silicon-based particles, carbon nanotubes and a solvent (S10) and mixing; A step (S20) of preparing composite particles in which graphene oxide is coated to surround silicon-based particles, and carbon nanotubes are bonded to graphene oxide as the solvent is evaporated by spray-drying the solution, and graphene oxide by heat-treating the composite particles Through the step of reducing the and carbon nanotubes (S30), it can be prepared into a high heat-resistance graphene-silicon-carbon nanotube composite.

상술한 제조방법에 따르면 먼저, 산화그래핀, 실리콘계 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 혼합용액을 제조한다(S10).According to the above-described manufacturing method, first, a mixed solution containing graphene oxide, silicon-based particles, carbon nanotubes, and a solvent is prepared (S10).

산화그래핀은 에폭시기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기를 표면에 포함하되, 락톨기 또는 카르복실기와 같이 산화도가 높은 산소 함유 관능기가 표면에 존재하지 않아 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀으로, 고내열성 산화그래핀의 내열안정성을 나타내는 온도범위의 공기(air) 중에서 열처리가 이루어지게 된다. 이에 따라 종래 500 내지 1,000℃의 고온에서 비활성 기체 분위기 하에서 수행하던 열처리를, 낮은 온도 및 공기 중에서 수행할 수 있게 되어 공정을 현저하게 개선하게 된다.Graphene oxide contains an oxygen-containing functional group that is an epoxy group or a hydroxyl group on the surface, but an oxygen-containing functional group with a high degree of oxidation such as a lactol group or a carboxyl group does not exist on the surface. The heat treatment is performed in air in a temperature range showing the thermal stability of graphene oxide. Accordingly, heat treatment, which was conventionally performed at a high temperature of 500 to 1,000° C. under an inert gas atmosphere, can be performed at a low temperature and in air, thereby remarkably improving the process.

관련하여, 도 2는 종래 락톨기나 카르복실기가 표면에 존재하는 산화그래핀을 화학구조로 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 에폭시기나 하이드록시기를 표면에 갖는 고내열성 산화그래핀을 화학구조로 나타낸 것이다.In relation to this, FIG. 2 shows a chemical structure of graphene oxide having a conventional lactol group or a carboxyl group on the surface, and FIG. 3 is a chemical structure of graphene oxide having high heat resistance having an epoxy group or a hydroxyl group on the surface according to the present invention. will be.

도 2에 나타낸 바와 같이, 종래 산화그래핀은 흑연을 강산과 산화제를 이용해 산화시켜 산화흑연을 제조한 후 박리하여 표면과 가장자리에 에폭시기, 카르보닐기, 카르복실기, 하이드록시기 및 락톨기와 같이 화학적 반응성이 좋은 산소 함유 관능기가 모두 도입된 구조로 이루어진다. 즉 흑연의 산화를 통해 산소 함유 관능기가 도입되면서 에폭시기, 하이드록시기보다 산화도가 상대적으로 높은 카르복실기와 락톨기가 산화그래핀 표면에 존재함으로 인하여 400℃ 이상과 같이 높은 고온에서 열화가 쉽게 되어 열안정성이 결여됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, conventional graphene oxide oxidizes graphite using a strong acid and an oxidizing agent to produce graphite oxide, and then peels off the surface and edges to have good chemical reactivity, such as epoxy groups, carbonyl groups, carboxyl groups, hydroxyl groups, and lactol groups. It has a structure in which all oxygen-containing functional groups are introduced. In other words, as oxygen-containing functional groups are introduced through oxidation of graphite, carboxyl groups and lactol groups, which have a relatively higher oxidation degree than epoxy groups and hydroxyl groups, exist on the surface of graphene oxide, so they are easily deteriorated at high temperatures such as 400° C. or higher, resulting in thermal stability. It can be seen that this is lacking.

반면, 도 3에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 고내열성 산화그래핀은 에폭시기와 하이드록시기를 표면에 가지면서, 산화도가 상대적으로 높은 카르복실기와 락톨기는 표면에 존재하지 않아 고온에서 쉽게 열화되지 않는 내열안정성을 나타내게 된다.On the other hand, the high heat-resistant graphene oxide according to the present invention as shown in FIG. 3 has an epoxy group and a hydroxyl group on the surface, and the carboxyl group and lactol group having a relatively high degree of oxidation do not exist on the surface, so heat resistance that is not easily deteriorated at high temperature shows stability.

도 4는 본 발명에 따른 고내열성 산화그래핀 및 종래 산화그래핀의 13C 고체 NMR 분석결과를 나타낸 그래프로, 도 4(a)는 본 발명에서 이용되는 고내열성 산화그래핀의 13C 고체 NMR 분석결과를, 도 4(b)는 종래 산화그래핀의 13C 고체 NMR 분석결과를 그래프로 나타낸 것이다.4 is a graph showing the 13 C solid-state NMR analysis results of high heat-resistant graphene oxide according to the present invention and conventional graphene oxide, FIG. 4 (a) is a 13 C solid-state NMR of high heat-resistant graphene oxide used in the present invention The analysis result, Figure 4 (b) is a graph showing the 13 C solid-state NMR analysis result of the conventional graphene oxide.

이를 참고하면, 도 4(a)에 나타낸 고내열성 산화그래핀을 흑연 구조에서 나오는 탄소-탄소 이중결합, 하이드록시기 및 에폭시기를 갖고 있으면서 카르복실기와 락톨기가 표면에 존재하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 도 4(b)에 나타낸 종래 산화그래핀은 하이드록시기와 에폭시보다 산화도가 상대적으로 높은 카르보닐기, 카르복실기 및 락톨기를 모두 갖고 있는 것으로 확인된다.Referring to this, it can be confirmed that the high heat-resistant graphene oxide shown in FIG. 4(a) has a carbon-carbon double bond, a hydroxyl group, and an epoxy group emerging from the graphite structure, and a carboxyl group and a lactol group do not exist on the surface, and FIG. It is confirmed that the conventional graphene oxide shown in 4(b) has a hydroxyl group and a carbonyl group, a carboxyl group, and a lactol group, which have a relatively higher oxidation degree than that of epoxy.

도 5는 도 4(a)를 면적 비율(area%)로 계산한 13C 고체 NMR을 분석한 그래프를 나타낸 것으로, 이를 참고하면 하이드록시기는 47.3%, 에폭시기는 32.6%로 총 79.9%로 산화도가 높은 것으로 확인되며, 탄소-탄소 이중결합의 비율이 20.1%인 것으로 나타난다.Figure 5 shows a graph analyzing 13 C solid NMR calculated as the area ratio (area%) of Figure 4(a). Referring to this, the hydroxyl group is 47.3%, the epoxy group is 32.6%, and the oxidation degree is 79.9% in total. is confirmed to be high, and the ratio of carbon-carbon double bonds is 20.1%.

도 6은 본 발명에 따른 고내열성 산화그래핀과 종래 산화그래핀의 열중량분석(TGA) 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 도 6의 line 1은 종래 산화그래핀을, line 2는 본 발명의 산화그래핀을 나타낸 것이다. 단, 도 6에서와 같은 산화그래핀의 고형분 측정은 열중량분석법으로 공기 중에서 0.5 내지 5℃/min으로 수행될 수 있다.6 is a graph showing thermogravimetric analysis (TGA) results of high heat-resistant graphene oxide according to the present invention and conventional graphene oxide, line 1 of FIG. 6 is conventional graphene oxide, and line 2 is oxidation of the present invention graphene is shown. However, the measurement of the solid content of graphene oxide as in FIG. 6 may be performed at 0.5 to 5° C./min in air by thermogravimetric analysis.

이는 상온에서 시작하여 100℃에서부터 450℃까지 승온되면서 공기 중에서 산화그래핀을 태워 고형분이 얼마만큼의 양으로 남는지를 나타낸 것으로, 본 발명에서 이용되는 고내열성 산화그래핀(line 2)은 공기 중 산화가 많이 일어나지 않아 200℃에서 고형분이 95중량% 이상을 유지하고, 400℃에서 고형분이 65 내지 80중량% 이하의 양으로 많이 남는 것으로 나타났다. 반면, 종래 산화그래핀(line 1)은 200℃에서 고형분이 80중량% 이하가 되고, 400℃에서 공기 중 산화가 많이 일어나 고형분이 60중량% 이하로 급격하게 떨어짐이 확인된다.This indicates how much solid content is left by burning graphene oxide in air while the temperature is raised from 100°C to 450°C starting at room temperature. It was found that the solid content was maintained at 95% by weight or more at 200°C, and the solid content remained in an amount of 65 to 80% by weight or less at 400°C. On the other hand, it is confirmed that the conventional graphene oxide (line 1) has a solid content of 80% by weight or less at 200°C, and a lot of oxidation occurs in air at 400°C, and the solid content drops rapidly to 60% by weight or less.

즉, 산소 함유 관능기를 가지는 종래 산화그래핀은 그 특성상 공기 중에서 쉽게 열화되어 타는 현상이 발생하는데, 본 발명에 사용되는 고내열성 산화그래핀은 이러한 열에 견디는 내열안정성이 약 450℃까지 유지된다. 구체적으로 살펴보면, 고내열성 산화그래핀(line 2)은 상대적으로 저온범위인 100 내지 170℃에서는 고형분이 줄어들지 않아 100중량% 근접한 상태로 유지되고, 170 내지 250℃에서는 산소 함유 관능기가 제거되어 중량이 급격히 감소되는 양상을 보이며, 250 내지 450℃에서는 고형분이 65 내지 80중량% 이하의 양으로 유지되어 다시 안정화되는 것을 확인할 수 있다.That is, conventional graphene oxide having an oxygen-containing functional group is easily deteriorated in air and burns due to its characteristics, and the high heat-resistant graphene oxide used in the present invention has thermal stability to withstand such heat up to about 450°C. Specifically, high heat-resistant graphene oxide (line 2) is maintained in a state close to 100% by weight because the solid content does not decrease at a relatively low temperature range of 100 to 170°C, and at 170 to 250°C, the oxygen-containing functional group is removed and the weight is It can be seen that the pattern is rapidly decreased, and the solid content is maintained in an amount of 65 to 80% by weight or less at 250 to 450° C. and stabilized again.

도 6에서와 같이 본 발명에서 200℃에서도 95중량% 이상의 높은 고형분을 보이는 이유는, 에폭시기와 하이드록시기보다 상대적으로 산화도가 높은 카르복실기와 락톨기가 표면에 존재하지 않음으로써 170 내지 250℃의 상대적으로 낮은 온도에서 산화도가 낮은 에폭시기와 하이드록시기만 제거되고, sp2 결합구조를 가지는 육각형 구조의 그래핀으로 환원됨으로써 산화그래핀이 공기에 의한 산화가 덜 일어나므로 400℃에서 잔류 고형분이 65중량% 이상을 유지하게 되는 것이다.The reason for showing a high solid content of 95% by weight or more even at 200°C in the present invention as shown in FIG. 6 is that the carboxyl group and lactol group, which have a relatively high degree of oxidation than the epoxy group and the hydroxyl group, do not exist on the surface, resulting in a relative temperature of 170 to 250°C. At a low temperature, only the epoxy group and the hydroxyl with a low oxidation degree are removed and reduced to graphene having a hexagonal structure having an sp 2 bond structure. % or more will be maintained.

또한 도 7은 본 발명에 따른 고내열성 산화그래핀과 종래 산화그래핀의 자외선-가시광선 분광분석 그래프를 나타낸 것으로, peak 1은 본 발명에 이용되는 고내열성 산화그래핀을, peak 2는 종래 산화그래핀을 나타낸다. 이를 참고하면, peak 1에는 peak 2와 달리 탄소원자 간에 sp2 결합을 이루는 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PAHs)가 나타나는 바, 이는 락톨기와 카르복실기가 존재하지 않는 산화그래핀에 일부 포함된 에폭시기와 하이드록시기가 200 내지 250℃에서 제거된 후 다환 방향족 탄화수소로 환원되어 형성된 것이다.In addition, Figure 7 shows the ultraviolet-visible spectroscopic analysis graph of the high heat-resistant graphene oxide according to the present invention and the conventional graphene oxide, where peak 1 is high heat-resistant graphene oxide used in the present invention, and peak 2 is conventional oxidation represents graphene. Referring to this, in peak 1, unlike peak 2, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) that form sp 2 bonds between carbon atoms appear. After the hydroxyl group is removed at 200 to 250 ℃, it is formed by reduction with a polycyclic aromatic hydrocarbon.

상기와 같은 도 2 내지 도 7의 결과로부터, 본 발명에 이용되는 고내열성 산화그래핀은 산화도가 높은 락톨기와 카르복실기가 표면에 존재하지 않아 열처리 후 본래의 그래핀 구조를 많이 가지게 되고, 산화를 유도하는 구조도 없기 때문에, 250 내지 450℃ 온도범위에서 열화가 잘 일어나지 않는 내열안정성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.From the results of FIGS. 2 to 7 as described above, the high heat-resistant graphene oxide used in the present invention does not have a lactol group and a carboxyl group with a high degree of oxidation on the surface, so it has a lot of the original graphene structure after heat treatment, Since there is no inducing structure, it can be confirmed that the thermal stability is not easily deteriorated in the temperature range of 250 to 450 °C.

본 발명에 있어서 바람직하게는, 고내열성 산화그래핀이 에폭시기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기를 표면에 포함하되, 락톨기 또는 카르복실기인 산소 함유 관능기가 표면에 존재하지 않는 구조를 갖도록, 흑연과 클로레이트(chlorate, ClO3 -)계 산화제를 분말상태로 혼합하고, 농질산(concentrated nitric acid)을 첨가하여 산화시킴으로써 산화흑연을 제조하고, 금속이온을 함유하지 않는 염기성 용액으로 pH 10 이상의 알칼리 조건에서, 앞서 제조된 산화흑연을 박리함으로써 고내열성 산화그래핀 분산용액을 제조할 수 있다.Preferably, in the present invention, the high heat-resistant graphene oxide has a structure in which an oxygen-containing functional group that is an epoxy group or a hydroxyl group is included on the surface, and an oxygen-containing functional group that is a lactol group or a carboxyl group does not exist on the surface, so that graphite and chlorate (chlorate, ClO 3 - )-based oxidizing agent is mixed in a powder state, and graphite oxide is prepared by oxidizing by adding concentrated nitric acid, and in alkaline conditions of pH 10 or higher with a basic solution that does not contain metal ions, By peeling the prepared graphite oxide, a high heat-resistant graphene oxide dispersion solution can be prepared.

보다 구체적으로, 흑연과 클로레이트계 산화제를 분말상태로 혼합한 다음 농질산과 같은 강산을 소량 첨가해 상온에서 산화시킨 후 표면 또는 가장자리에 산소 함유 관능기로 치환된 형태의 산화흑연으로 만든다. 이후, 산화흑연에 금속이온을 함유하지 않는 염기성용액으로 pH를 10 이상으로 제어해 알칼리 조건으로 만들어주어 온도를 가해 박리함으로써 에폭시기 및 하이드록시기 보다 산화도가 상대적으로 높은 락톨기 및 카르복실기를 표면에서 배제시킬 수 있다. 이를 통해 표면과 가장자리에 에폭시기, 하이드록시기, 락톨기 및 카르복실기가 결합된 산화그래핀에서 락톨기 및 카르복실기를 별도의 처리과정을 통해 제거하는 것이 아니라, 처음부터 락톨기 및 카르복실기가 표면에 존재하지 않는 산화그래핀을 형성하게 되는 것이다.More specifically, graphite and a chlorate-based oxidizing agent are mixed in a powder state, and then a small amount of a strong acid such as concentrated nitric acid is added to oxidize at room temperature, and then the graphite oxide is substituted with an oxygen-containing functional group on the surface or edge to form graphite oxide. Thereafter, by controlling the pH to 10 or more with a basic solution that does not contain metal ions in graphite oxide and applying temperature to peel it, lactol groups and carboxyl groups, which have a relatively higher degree of oxidation than epoxy groups and hydroxyl groups, are removed from the surface. can be excluded. Through this, the lactol group and the carboxyl group are not removed through a separate treatment process from graphene oxide in which an epoxy group, a hydroxyl group, a lactol group, and a carboxyl group are bonded to the surface and edges. This results in the formation of graphene oxide that does not exist.

즉, 종래 산화그래핀은 황산과 과망간산칼륨과 같은 강한 산화제를 사용하여 흑연을 산화시킴에 따라 산화도가 높은 산소 함유 관능기가 다수 포함되는 반면, 본 발명의 고내열성 산화그래핀은 흑연의 산화 시 사용되는 클로레이트계 산화제가 락톨기와 카르복실기를 만들지 못하도록 하는 특성을 부여하게 되는 것이다. 여기에 산화흑연을 분리 또는 박리시킬 때 금속이온을 함유하지 않는 염기성용액을 이용해 알칼리 조건으로 만들어줌으로써, 락톨기 및 카르복실기가 형성되지 않으면서 금속이온이 함유되지 않아 금속의 산화가 발생되지 않아 내열안정성을 갖게 된다.That is, the conventional graphene oxide contains a large number of oxygen-containing functional groups with a high oxidation degree as the graphite is oxidized using a strong oxidizing agent such as sulfuric acid and potassium permanganate, whereas the graphene oxide with high heat resistance of the present invention is used when the graphite is oxidized. The chlorate-based oxidizing agent used is to give a property that prevents the formation of a lactol group and a carboxyl group. Here, when the graphite oxide is separated or peeled off, it is made under alkaline conditions using a basic solution that does not contain metal ions, so that lactol and carboxyl groups are not formed and metal ions are not contained so that oxidation of the metal does not occur, resulting in heat resistance stability will have

만약 산화흑연의 박리 시 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH)과 같이 금속이온을 함유한 염기성용액을 이용해 알칼리 조건으로 만들어주게 되면 금속으로 인해 자체 산화가 되고, 나트륨이온이나 칼륨이온과 같은 금속이온이 산화그래핀의 표면에 붙기 때문에 산화그래핀에 금속이온 부분부터 쉽게 열화되어 내열안정성을 나타낼 수 없게 된다. 더욱이 종래 산화그래핀은 흑연을 이용하여 산화그래핀으로 합성되는 과정에서 흑연이 산화되면서 그래핀에 산소 함유 관능기가 도입되는데, 산소가 다량 존재해 산화가 많이 되어버리기 때문에 도 2의 A 부분과 같이 빈 공간이 생성된다. 이때 빈 공간에 산소 함유 관능기가 쉽게 도입되게 되고, 여기서부터 타기 시작하여 400℃ 이상에서와 같은 높은 온도에서는 급속도로 쉽게 열화되어 고내열성을 안정적으로 달성할 수 없게 된다.When graphite oxide is peeled off, if it is made under alkaline conditions using a basic solution containing metal ions such as sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH), it oxidizes itself due to the metal, and metals such as sodium ions or potassium ions Since the ions are attached to the surface of the graphene oxide, the metal ions in the graphene oxide are easily deteriorated and thus thermal stability cannot be exhibited. Furthermore, in the process of synthesizing graphene oxide using graphite in the conventional graphene oxide, an oxygen-containing functional group is introduced into graphene as graphite is oxidized. An empty space is created. At this time, the oxygen-containing functional group is easily introduced into the empty space, and it starts to burn from here and rapidly deteriorates at a high temperature such as 400° C. or higher, so that high heat resistance cannot be stably achieved.

반면, 본 발명에서 이용되는 고내열성 산화그래핀은 상술한 바와 같이, 클로레이트계 산화제에 의해 산화됨으로써 락톨기 및 카르복실기가 형성되지 않는 산화흑연을 제조하고, 금속이온을 함유하지 않는 염기성용액을 이용하여 산화흑연을 박리하여 산화그래핀을 형성함으로써, 빈 공간이 형성되지 않으면서 탄소-탄소 이중결합이 sp2 혼성궤도를 이루는 원래의 그래핀 구조로 생성될 수 있다.On the other hand, as described above, graphene oxide with high heat resistance used in the present invention is oxidized by a chlorate-based oxidizing agent to prepare graphite oxide in which lactol groups and carboxyl groups are not formed, and a basic solution containing no metal ions is used. By exfoliating the graphite oxide to form graphene oxide, the original graphene structure in which the carbon-carbon double bond forms an sp 2 hybrid orbital can be generated without forming empty spaces.

단, 본 발명의 산화그래핀은 에폭시기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기를 표면에 포함하되, 락톨기 또는 카르복실기와 같이 산화도가 높은 산소 함유 관능기가 표면에 존재하지 않아 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀 뿐만 아니라, 통상적으로 상용화된 산화그래핀도 적용 가능하다.However, the graphene oxide of the present invention includes an oxygen-containing functional group that is an epoxy group or a hydroxyl group on the surface, but a high-heat-resistant graphene oxide exhibiting thermal stability because an oxygen-containing functional group with a high degree of oxidation such as a lactol group or a carboxyl group does not exist on the surface In addition to fins, commercially available graphene oxide is also applicable.

실리콘계 입자는 실리콘계 금속입자로써, 나노 또는 마이크로 크기의 실리콘계 금속입자라면 다양하게 적용될 수 있다. 즉 실리콘, 실리콘 합금 및 실리콘 산화물 중 어느 하나 이상의 실리콘계 입자가 사용될 수 있다. 실리콘 합금에 포함되는 금속원소는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, 및 Po로 이루어진 군으로 부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The silicon-based particle is a silicon-based metal particle, and may be variously applied as long as it is a nano- or micro-sized silicon-based metal particle. That is, silicon-based particles of any one or more of silicon, silicon alloy, and silicon oxide may be used. Metal elements included in the silicon alloy are Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, and may be at least one selected from the group consisting of Po.

탄소나노튜브는 분산제를 사용하지 않고도 탄소나노튜브의 분산성을 높일 수 있도록 전처리된 탄소나노튜브를 제조하고, 이를 이용하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하여 형성될 수 있다.Carbon nanotubes may be formed by preparing a carbon nanotube that has been pretreated to increase dispersibility of the carbon nanotubes without using a dispersant, and using this to prepare a carbon nanotube dispersion.

관련하여, 도 8은 본 발명에 따라 전처리된 탄소나노튜브를 이용하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 방법을 순서도로 나타낸 것으로, 본 발명의 전처리된 탄소나노튜브를 제조하고, 이를 이용하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 방법은 탄소나노튜브와 금속염화합물을 고체 상태로 혼합한 복합분말과, 산 용액에 전단응력을 가하면서 혼합하여, 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간에 코인터칼레이션(co-intercalation)된 탄소나노튜브 액정상을 제조하는 단계(S1)와, 탄소나노튜브 액정상을 가열하여 금속염화합물과 산 용액에 의해 카르복실기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계(S2)와, 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 세척 및 여과하여, 전처리된 탄소나노튜브를 제조하는 단계와(S3)와, 전처리된 탄소나노튜브를 용매에 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계(S4)를 포함하여 이루어진다.In relation to this, FIG. 8 is a flowchart showing a method for preparing a carbon nanotube dispersion using the pretreated carbon nanotube according to the present invention, and the pretreated carbon nanotube of the present invention is prepared, and the carbon nanotube is used A method of preparing a dispersion is a composite powder in which carbon nanotubes and a metal salt compound are mixed in a solid state, and an acid solution is mixed while applying a shear stress, and the metal salt compound is co-intercalated between adjacent layers of carbon nanotubes. Co-intercalation) preparing a carbon nanotube liquid crystal phase (S1) and heating the carbon nanotube liquid crystal phase to prepare a carbon nanotube into which an oxygen-containing functional group that is a carboxyl group or a hydroxyl group is introduced by a metal salt compound and an acid solution (S2), washing and filtering the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced, to prepare a pretreated carbon nanotube (S3), and dispersing the pretreated carbon nanotube in a solvent to the carbon nanotube and preparing a dispersion (S4).

단, 본 발명에 기재된 전처리는 전단응력을 통하여 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에 금속염화합물이 코인터칼레이션되도록 하고, 열처리를 통하여 탄소나노튜브에 산소 함유 관능기가 도입되도록 하는 과정을 의미한다.However, the pretreatment described in the present invention is a process in which the metal salt compound is co-intercalated between adjacent interlayers of the carbon nanotubes through shear stress, and oxygen-containing functional groups are introduced into the carbon nanotubes through heat treatment. .

탄소나노튜브를 전처리하기 위하여 먼저, 탄소나노튜브와 금속염화합물을 고체 상태로 혼합하여 복합분말을 형성하고, 이렇게 형성된 복합분말과 산 용액에 전단응력을 가하면서 혼합하여, 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간에 코인터칼레이션된 탄소나노튜브 액정상을 제조한다(S1).In order to pre-treat the carbon nanotubes, first, the carbon nanotubes and the metal salt compound are mixed in a solid state to form a composite powder, and the composite powder and acid solution thus formed are mixed while applying a shear stress, so that the metal salt compound is the carbon nanotube. A carbon nanotube liquid crystal phase co-intercalated between adjacent layers is prepared (S1).

설명에 앞서, 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.Prior to the description, carbon nanotubes are single-walled carbon nanotube (SWCNT), double-walled carbon nanotube (DWCNT), and multi-walled carbon nanotube (MWCNT). ), any one or more of them may be used.

그중 단일벽 탄소나노튜브의 경우 직경이 1nm 수준에 불과하여 단독으로 존재하지 못하고 van der Waals 인력에 의한 응집된 현상을 갖는 특성을 나타낸다. 이와 같은 특성으로 단일벽 탄소나노튜브는 원래 번들 구조로 이루어져 있는데, 종래에는 단일벽 탄소나노튜브의 번들 구조를 해체하는 기술방향으로 많이 이루어졌었다. 즉 단일벽 탄소나노튜브의 번들이 커지면 분산이 잘 되지 않아, 분산개념 측면에서 번들을 작게 만들어 분산성을 향상시키고 전기전도성 극대화를 위해 번들 크기를 최소화하는 기술방향으로 이루어졌던 것이다. 또한 종래에는 단일벽 탄소나노튜브를 액정상으로 만들기 위해 초강산(super acid)을 사용하는 방법 밖에 없었기 때문에, 대기 중에서 초강산을 처리하기 어려워 글로브박스 내에서 처리할 수 밖에 없었다.Among them, single-walled carbon nanotubes have a diameter of only 1 nm, so they do not exist alone, and exhibit characteristics of agglomeration due to van der Waals attraction. Due to these characteristics, single-walled carbon nanotubes originally have a bundle structure, but in the past, many techniques have been made in the direction of dismantling the bundle structure of single-walled carbon nanotubes. In other words, when the bundle of single-walled carbon nanotubes grows, dispersion is not good, so in terms of the dispersion concept, the bundle is made smaller to improve dispersibility and to minimize the bundle size to maximize electrical conductivity. Also, in the prior art, there was only a method of using a super acid to make a single-walled carbon nanotube into a liquid crystal phase, so it was difficult to treat the super acid in the air, so it had to be treated in a glove box.

다중벽 탄소나노튜브의 경우 직경이 커서 응집현상이 일어나기도 하나, 이보다는 고분자 사슬의 엉킴현상와 유사한 특성을 나타내고, 이중벽 탄소나노튜브의 경우 직경이 작은 일부는 단일벽 탄소나노튜브와 유사한 특성을 갖기도 하며, 직경이 큰 일부는 다중벽 탄소나노튜브와 유사한 특성을 갖는다.In the case of multi-walled carbon nanotubes, aggregation occurs due to their large diameter, but rather shows similar characteristics to the entanglement of polymer chains. and some having a large diameter have properties similar to those of multi-walled carbon nanotubes.

이러한 특성을 갖는 탄소나노튜브는 고유한 전기적, 열적, 물리화학적 특성에 의해 전도성 소재로 각광받고 있음에도 불구하고 번들현상 또는 엉킴현상 등의 응집으로 분산 안정성을 확보하기 어려운 단점이 있다. 특히 탄소나노튜브의 응집현상은 물리적으로 처리하기 어려워 탄소나노튜브 분산액의 제조에 어려움이 있어왔다.Although carbon nanotubes with these characteristics are in the spotlight as a conductive material due to their unique electrical, thermal, and physicochemical properties, it is difficult to secure dispersion stability due to aggregation such as bundling or entanglement. In particular, since the aggregation of carbon nanotubes is difficult to physically treat, it has been difficult to prepare a carbon nanotube dispersion.

따라서 탄소나노튜브를 용매 내에서 응집되거나 침전되지 않도록 하여 안정된 상태로 분산시키기 위해서 탄소나노튜브를 전처리할 수 있는 방법이 필요로 하기에, 본 단계에서는 탄소나노튜브를 금속염화합물과 고체 상태로 혼합하여 복합분말을 제조하고, 이후 복합분말과 산 용액에 전단응력을 가하면서 혼합하여 탄소나노튜브 액정상을 제조할 수 있도록 한다.Therefore, in order to prevent the carbon nanotubes from being aggregated or precipitated in the solvent and to disperse them in a stable state, a method for pre-treating the carbon nanotubes is required. In this step, the carbon nanotubes are mixed with a metal salt compound in a solid state. A composite powder is prepared, and then the composite powder and the acid solution are mixed while applying a shear stress to prepare a carbon nanotube liquid crystal phase.

액정상 제조에 사용되는 금속염화합물은 질산염, 황산염 및 인산염 중 어느 하나 이상일 수 있다. 질산염은 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3) 및 질산칼슘(Ca(NO3)2)으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택될 수 있고, 황산염은 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 황산수소나트륨(NaHSO4) 및 황산수소칼륨(KHSO4)으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택될 수 있으며, 인산염은 디포타슘포스페이트(K2HPO4) 및 인산칼륨(KH2PO4)으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되어 혼합을 통해 사용될 수 있다. 산 용액은 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 과산화수소(H2O2) 및 염산(HCl)으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택될 수 있다. 단, 금속염화합물과 산 용액은 상술한 종류에 한정되는 것만은 아니고 금속염화합물과 산 용액에 포함될 수 있는 물질이라면 다양하게 사용 가능하다.The metal salt compound used for preparing the liquid crystal phase may be any one or more of nitrate, sulfate, and phosphate. The nitrate may be at least one selected from the group consisting of sodium nitrate (NaNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), and calcium nitrate (Ca(NO 3 ) 2 ), and the sulfate is sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), sulfuric acid At least one may be selected from the group consisting of potassium (K 2 SO 4 ), sodium hydrogen sulfate (NaHSO 4 ) and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ), and the phosphate is dipotassium phosphate (K 2 HPO 4 ) and potassium phosphate. (KH 2 PO 4 ) At least one selected from the group consisting of may be used through mixing. The acid solution may be at least one selected from the group consisting of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and hydrochloric acid (HCl). However, the metal salt compound and the acid solution are not limited to the above types, and various materials can be used as long as they can be included in the metal salt compound and the acid solution.

용매 기능과 산화제 기능을 하는 산 용액을 투입하기 전에 탄소나노튜브와 금속염화합물을 믹서 등을 이용하여 파우더 상태로 먼저 혼합하는 이유는, 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에 금속염화합물의 침투가 용이하도록 하여 코인터칼레이션 구조를 만들어 기능화 효율을 높이기 위함이다.The reason that the carbon nanotubes and the metal salt compound are first mixed in a powder state using a mixer or the like before adding the acid solution that functions as a solvent and an oxidizer is that the metal salt compound can easily penetrate between adjacent layers of the carbon nanotubes. This is to increase functionalization efficiency by creating a co-intercalation structure.

이때 복합분말 내에서의 금속염화합물 양을 최소화하여 액정상을 형성하는 것이 바람직하다. 보통 금속염화합물은 탄소나노튜브 양의 10배 가량 초과하여 더 많이 첨가하는데, 본 단계에서는 전단응력을 이용하기 때문에 탄소나노튜브 1중량비 대비 금속염화합물은 0.1 내지 10중량비로 혼합되는 것만으로 충분하다.At this time, it is preferable to form a liquid crystal phase by minimizing the amount of the metal salt compound in the composite powder. Usually, the metal salt compound is added in excess of about 10 times the amount of carbon nanotubes, and since shear stress is used in this step, it is sufficient that the metal salt compound is mixed in a ratio of 0.1 to 10 weight ratio to 1 weight ratio of carbon nanotubes.

금속염화합물이 0.1중량비 미만이면 탄소나노튜브의 내부, 표면 및 말단을 카르복실기나 하이드록시기인 산소 함유 관능기로 기능화해주기 어렵다. 이로 인해 탄소나노튜브에 도입되는 산소 함유 관능기도 적어져 결국 탄소나노튜브 분산액 내에서 탄소나노튜브가 자기조립되지 못하고 무질서한 방향으로 분산될 수 밖에 없게 된다. 전단응력을 가하여 탄소나노튜브에 산소 함유 관능기를 도입하여 탄소나노튜브의 자기조립화를 형성하기 위해 금속염화합물이 탄소나노튜브 1중량비 대비 최소 0.1중량비가 되도록 하는 것이 바람직하다. 반면, 금속염화합물이 탄소나노튜브 1중량비에 대해 10중량비를 초과하면 탄소나노튜브 분산액 내의 금속이온을 최소화할 수 없게 된다.If the metal salt compound is less than 0.1 weight ratio, it is difficult to functionalize the inside, the surface and the terminal of the carbon nanotube with an oxygen-containing functional group such as a carboxyl group or a hydroxyl group. As a result, the oxygen-containing functional groups introduced into the carbon nanotubes are reduced, and eventually, the carbon nanotubes cannot be self-assembled in the carbon nanotube dispersion and are inevitably dispersed in a disorderly direction. In order to form a self-assembly of the carbon nanotubes by introducing an oxygen-containing functional group to the carbon nanotubes by applying a shear stress, it is preferable that the metal salt compound be at least 0.1 weight ratio relative to 1 weight ratio of the carbon nanotubes. On the other hand, if the metal salt compound exceeds 10 weight ratio with respect to 1 weight ratio of carbon nanotubes, it is impossible to minimize the metal ions in the carbon nanotube dispersion.

한편, 탄소나노튜브 액정상은 전단응력을 통하여 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에서 코인터칼레이션된 구조를 이루게 된다. 즉 복합분말과 산 용액에 전단응력이 가해지면 금속염화합물이 탄소나노튜브 내 인접하는 층 사이에 코인터칼레이션되되, 금속염화합물이 산 용액에 의해 용매화된 상태로 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에 배치될 수 있게 된다. 이렇게 탄소나노튜브의 층간 사이에 금속염화합물이 위치되도록 코인터칼레이션된 탄소나노튜브 액정상은 추후 탄소나노튜브 분산액으로 형성될 때 액정상 형태로 자기조립이 될 수 있도록 한다.On the other hand, the carbon nanotube liquid crystal phase forms a structure in which the metal salt compound is co-intercalated between adjacent interlayers of the carbon nanotubes through shear stress. That is, when a shear stress is applied to the composite powder and the acid solution, the metal salt compound is co-intercalated between adjacent layers in the carbon nanotube, and the metal salt compound is solvated by the acid solution between adjacent layers of the carbon nanotube. can be placed between them. The carbon nanotube liquid crystal phase co-intercalated so that the metal salt compound is positioned between the layers of the carbon nanotube can be self-assembled in the form of a liquid crystal phase when it is later formed into a carbon nanotube dispersion.

전단응력은 교반 속도인 rpm 조절에 따라 인가되는데, 100 내지 2,000rpm의 회전속도로 교반하면서 전단응력을 가하는 것이 바람직하다. 회전속도가 100rpm 미만이면 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에 금속염화합물이 배치되는 코인터칼레이션 구조를 만들어 주기에 부족하여 추후 열처리를 하게 되더라도 탄소나노튜브의 내부나, 표면 또는 말단에 카르복실기와 하이드록시기와 같은 산소 함유 관능기를 충분히 만들어주기 어렵다. 2,000rpm를 초과하는 속도로 회전되면 오히려 탄소나노튜브의 형상 변형을 초래하여 다시 응집되는 현상이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.The shear stress is applied according to the rpm control, which is the stirring speed, and it is preferable to apply the shear stress while stirring at a rotation speed of 100 to 2,000 rpm. If the rotational speed is less than 100 rpm, it is insufficient to create a co-intercalation structure in which a metal salt compound is disposed between adjacent interlayers of the carbon nanotubes. It is difficult to sufficiently make an oxygen-containing functional group such as a hydroxyl group. If it is rotated at a speed exceeding 2,000 rpm, it is undesirable because the carbon nanotube may be re-aggregated by causing a shape deformation of the carbon nanotube.

또한 전단응력은 30분 내지 3시간 범위 내로 가해지는 것이 바람직하다. 만약 30분 미만으로 전단응력을 가하면 액정상 내에 탄소나노튜브의 층간 사이에 금속염화합물이 위치될 수 있는 시간이 부족해지고, 탄소나노튜브 층간 사이에 위치하지 못한 금속염화합물이 액정상 내에 무질서하게 잔류하게 되어 탄소나노튜브 분산액 제조에 효율적이지 못하다. 3시간을 초과하여 전단응력을 가하게 되면 그 이하의 시간으로 실시한 경우와 비교하여 더 탁월한 인터칼레이션 작용을 나타내지 못하여 공정 측면에서 비효율적이다.In addition, the shear stress is preferably applied within the range of 30 minutes to 3 hours. If a shear stress is applied for less than 30 minutes, the time for the metal salt compound to be located between the layers of carbon nanotubes in the liquid crystal phase is insufficient, and the metal salt compound not located between the layers of the carbon nanotubes remains disorderly in the liquid crystal phase. Therefore, it is not efficient to prepare a carbon nanotube dispersion. When the shear stress is applied for more than 3 hours, it is inefficient in terms of the process because it does not exhibit a better intercalation action compared to the case where it is carried out for a time less than that.

전단응력을 가하는 방법으로는 임펠러, 쿠에트-테일러 반응기 및 자전(rotation)과 공전(revolution)이 가능한 페이스트 믹서 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있으며, 전단응력이 강할수록 액정상을 형성하는 시간을 단축시킬 수 있게 된다.As a method of applying the shear stress, any one or more of an impeller, a Couette-Taylor reactor, and a paste mixer capable of rotation and revolution can be used. The stronger the shear stress, the shorter the time to form the liquid crystal phase be able to do

예컨대, 페이스트 믹서를 이용하여 자전과 공전의 2중 회전에 의해 교반을 수행할 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자전과 공전을 모식도로 나타낸 도 9를 통해 알 수 있다. 도 9를 참조하면, 적어도 하나 이상의 용기(100)에 탄소나노튜브와 금속염화합물이 분말 상태로 혼합된 복합분말과 산 용액을 투입한 후, 용기를 자전축(R1)을 중심으로 기 설정된 각도의 기울기로 자전시킴과 동시에 공전축(R2)을 중심으로 공전시켜 원심력과 전단응력이 생성되면서 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에서 코인터칼레이션된 구조를 이루는 탄소나노튜브 액정상이 형성될 수 있다.For example, stirring can be performed by double rotation of rotation and revolution using a paste mixer, which can be seen through FIG. 9 schematically showing rotation and revolution according to the present invention. Referring to FIG. 9 , after injecting a composite powder and an acid solution in which carbon nanotubes and a metal salt compound are mixed in a powder state into at least one container 100 , the container is tilted at a preset angle with respect to the rotation axis R1 . At the same time as it rotates around the orbital axis (R2), centrifugal force and shear stress are generated, and a carbon nanotube liquid crystal phase forming a structure in which the metal salt compound is intercalated between adjacent interlayers of the carbon nanotube will be formed. can

즉 중심회전축이 될 수 있는 공전축(R2)을 중심으로 공전축(R2)에 방사상으로 연결된 다수 용기(100)의 공전과, 각각의 용기(100) 중심의 자전축(R1)에 의한 자전이 동시에 진행됨으로써 교반력을 향상시켜 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에 코인터칼레이션 구조의 탄소나노튜브 액정상을 제조할 수 있게 되는 것이다.That is, the revolution of the plurality of containers 100 radially connected to the orbital axis R2 about the orbital axis R2, which can be the central rotational axis, and the rotation by the rotational axis R1 of the center of each container 100 are simultaneously performed By proceeding, the stirring force is improved, so that a carbon nanotube liquid crystal phase having a co-intercalation structure can be prepared between the adjacent interlayers of the carbon nanotube with the metal salt compound.

용기(100)의 자전축(R1)에 의한 자전속도와 중심회전축인 공전축(R2)에 의한 공전속도는 0.1 내지 10 : 1 비율일 수 있다. 자전속도가 0.1 비율 미만이면 공전속도에 비해 자전속도가 너무 느려 액정상에 코인터칼레이션 구조가 형성될 만큼의 원심력과 전단응력이 생성되지 않아 탄소나노튜브 분산액이 자기조립 구조를 갖지 못하게 된다. 자전속도가 10 비율을 초과하면 자전속도가 공전속도보다 너무 빨라 탄소나노튜브 층간 사이에 금속염화합물이 안정적으로 위치되지 못하기 때문에, 이 역시 액정상 내의 코인터칼레이션 구조 형성에 적절하지 못하다.The rotation speed by the rotation axis (R1) of the container 100 and the rotation speed by the rotation axis (R2), which is the central rotation axis, may be in a ratio of 0.1 to 10: 1. If the rotational speed is less than 0.1, the rotational speed is too slow compared to the orbital speed, so that the centrifugal force and shear stress enough to form a cointercalation structure on the liquid crystal are not generated, so that the carbon nanotube dispersion does not have a self-assembled structure. When the rotation speed exceeds the ratio of 10, the rotation speed is too fast than the revolving speed, so that the metal salt compound cannot be stably positioned between the carbon nanotube layers, which is also not suitable for forming a co-intercalation structure in the liquid crystal phase.

자전축(R1)은 공전축(R2)의 회전운동에 기반하여 공전축(R2)과 동일방향으로 회전될 수 있으나, 액정상 내 코인터칼레이션 구조 형성을 위해 자전축(R1)과 공전축(R2)이 서로 반대방향으로 회전될 수 있도록 할 수도 있다. 자전축(R1)과 공전축(R2)이 서로 반대방향으로 회전되면 자전축(R1)과 공전축(R2)을 동일한 속도로 회전되도록 하여 동력을 분할할 수 있는 장점이 있다.The rotation axis (R1) may be rotated in the same direction as the orbital axis (R2) based on the rotational motion of the orbital axis (R2), but in order to form a cointercalation structure in the liquid crystal phase, the rotation axis (R1) and the orbital axis (R2) ) can be rotated in opposite directions. When the rotation shaft (R1) and the orbital shaft (R2) are rotated in opposite directions to each other, the rotational shaft (R1) and the orbital shaft (R2) are rotated at the same speed to split the power.

전단응력을 가하여 탄소나노튜브 액정상을 먼저 형성하지 않고, 탄소나노튜브와 금속염화합물이 혼합된 복합분말과, 산 용액을 혼합한 상태에서 바로 가열을 하게 되면 탄소나노튜브 분산액 내에서 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에 위치되지 못한 상태에서 산소 함유 관능기로 변해버릴 수 있기 때문에, 탄소나노튜브 액정상을 가열하기 전에 탄소나노튜브와 금속염화합물이 고체 상태로 혼합된 복합분말과, 산 용액에 먼저 전단응력을 인가하여 액정상 형태로 형성하는 것은 중요한 과정이라 할 수 있다.If the carbon nanotube liquid crystal phase is not formed first by applying a shear stress, and the composite powder in which the carbon nanotubes and the metal salt compound are mixed, and the acid solution are directly heated, the metal salt compound is converted into carbon in the carbon nanotube dispersion. Since the nanotubes can be transformed into oxygen-containing functional groups without being positioned between adjacent interlayers of the nanotubes, a composite powder in which the carbon nanotubes and the metal salt compound are mixed in a solid state before heating the carbon nanotube liquid crystal phase, and an acid It can be said that it is an important process to first apply a shear stress to the solution to form a liquid crystal phase.

이어서 탄소나노튜브 액정상을 가열하여 금속염화합물과 산 용액에 의해 카르복실기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조한다(S2).Then, the carbon nanotube liquid crystal phase is heated to prepare a carbon nanotube into which an oxygen-containing functional group, which is a carboxyl group or a hydroxyl group, is introduced by a metal salt compound and an acid solution (S2).

이에 앞서, 액정상에 산화제를 더 첨가하여 교반을 실시할 수 있는데, 가열을 통한 열처리를 하기 전에 산화제가 첨가될 수 있는 경우라면 모두 실시 가능하다. 즉 액정상에 산화제(예컨대 황산, 질산 등)를 추가할 수 있는데, 이는 탄소나노튜브 액정상을 형성하는 과정에서 사용된 금속염화합물에 의한 산화가 부족할 경우 산화제를 더 첨가할 수 있음을 의미한다.Prior to this, stirring may be performed by further adding an oxidizing agent to the liquid crystal phase, and if the oxidizing agent can be added before heat treatment through heating, it may be carried out. That is, an oxidizing agent (eg, sulfuric acid, nitric acid, etc.) can be added to the liquid crystal phase, which means that when oxidation by the metal salt compound used in the process of forming the carbon nanotube liquid crystal phase is insufficient, an oxidizing agent can be further added.

추가적인 산화제를 이용한 산화 처리 이후 열처리를 하게 되면, 탄소나노튜브의 인접하는 층간 사이에 산 용액에 의해 용매화된 상태로 위치되어 있던 금속염화합물과, 산 용액에 의하여 탄소나노튜브의 내부와, 표면이나 말단에 카르복실기와 하이드록시기와 같은 산소 함유 관능기가 도입될 수 있다.When heat treatment is performed after oxidation treatment using an additional oxidizing agent, the metal salt compound positioned in a solvated state by an acid solution between the adjacent interlayers of the carbon nanotube, and the inside, surface, or surface of the carbon nanotube by the acid solution An oxygen-containing functional group such as a carboxyl group and a hydroxyl group may be introduced at the terminal.

열처리는 150℃ 이하에서 실시될 수 있으며, 상세히 25 내지 150℃ 범위가 바람직하다. 또한 열처리는 30분 내지 24시간 동안 이루어지는 것이 바람직하며, 1시간 내지 10시간이 가장 바람직하다.The heat treatment may be carried out at 150° C. or less, preferably in the range of 25 to 150° C. In addition, the heat treatment is preferably performed for 30 minutes to 24 hours, most preferably 1 hour to 10 hours.

25℃ 미만이거나 30분 미만으로 탄소나노튜브 액정상을 가열하게 되면 탄소나노튜브에 산소 함유 관능기가 형성되는데 까지 많은 시간이 소모되고, 150℃를 초과하거나 24시간을 초과하는 조건으로 탄소나노튜브 액정상을 가열하는 경우 탄소나노튜브에 산소 함유 관능기가 충분히 도입되는데 까지 많은 시간이 걸리지 않아 공정시간을 절감할 수는 있기는 하나, 오히려 탄소나노튜브에 결함구조가 과도하게 형성되어 전기전도도가 감소하는 현상이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.When the carbon nanotube liquid crystal phase is heated at less than 25° C. or less than 30 minutes, a lot of time is consumed until oxygen-containing functional groups are formed in the carbon nanotubes, and when the carbon nanotube liquid crystal phase exceeds 150° C. or exceeds 24 hours, the carbon nanotube liquid crystal In the case of heating the phase, it does not take much time for the oxygen-containing functional group to be sufficiently introduced into the carbon nanotubes, so the process time can be reduced, but rather, the defect structure is excessively formed in the carbon nanotubes, which reduces the electrical conductivity. This is undesirable because it may cause a phenomenon.

이어서 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 세척 및 여과하여, 전처리된 탄소나노튜브를 제조한다(S3).Then, the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced is washed and filtered to prepare a pretreated carbon nanotube (S3).

즉 탄소나노튜브 분산액에 함유된 산과 금속염화합물 및 추가될 수 있는 산화제를 제거하여 순수 탄소나노튜브 분말만을 얻기 위해 중화 및 세척을 진행한다. 이를 위해 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브에 과량의 증류수를 첨가하여 세정하고, 원심분리 등의 과정을 거쳐 필터링하여 산과 금속염화합물이 제거되어 정제된 탄소나노튜브를 수득할 수 있게 되며, 이렇게 전처리된 탄소나노튜브 분말은 탄소나노튜브 액정상으로부터 산소 함유 관능기가 도입되어 분산성을 갖게 된다.That is, neutralization and washing are performed to obtain only pure carbon nanotube powder by removing the acid, metal salt compound, and oxidizing agent that may be added in the carbon nanotube dispersion. For this purpose, an excess of distilled water is added to the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced, washed, and the acid and metal salt compound are removed by filtering through a process such as centrifugation, thereby obtaining a purified carbon nanotube. The obtained carbon nanotube powder has dispersibility by introducing an oxygen-containing functional group from the carbon nanotube liquid crystal phase.

이어서 전처리된 탄소나노튜브를 용매에 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조한다(S4).Then, the pretreated carbon nanotubes are dispersed in a solvent to prepare a carbon nanotube dispersion (S4).

전처리가 완료된 탄소나노튜브를 물(H2O), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 및 N-메틸포름아마이드(N-methylformamide, NMP) 중 어느 하나 이상의 용매에 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조할 수 있다.A carbon nanotube dispersion solution can be prepared by dispersing the carbon nanotubes that have been pre-treated in one or more solvents of water (H 2 O), dimethylformamide (DMF), and N-methylformamide (NMP). can

특히 전처리된 탄소나노튜브 분산액은 액정상 형태로 자기조립될 수 있는데, 이는 앞서 전단응력을 통해 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에서 코인터칼레이션된 구조를 갖는 탄소나노튜브 액정상이 열처리를 통해 탄소나노튜브에 산소 함유 관능기를 도입함에 따라, 용매 내에서 탄소나노튜브의 분산성이 향상될 수 있어 탄소나노튜브 자체가 자기조립할 수 있게 되는 것이다.In particular, the pretreated carbon nanotube dispersion can be self-assembled in the form of a liquid crystal phase, which is a carbon nanotube liquid crystal phase having a structure in which a metal salt compound is co-intercalated between adjacent interlayers of carbon nanotubes through shear stress. As oxygen-containing functional groups are introduced into the carbon nanotubes through heat treatment, dispersibility of the carbon nanotubes in a solvent may be improved, and thus the carbon nanotubes may self-assemble.

자기조립(self-assembly)이란 용매 내에서 탄소나노튜브가 외부 영향을 받지 않고도 탄소나노튜브들 자체 간의 특정한 지역적인 상호작용의 결과로 조직화된 구조를 형성하는 과정을 의미한다. 즉 자기조립은 용매 내에서 탄소나노튜브들이 자발적으로 정렬하여 새로운 구조를 형성하는 것으로, 본 발명에서와 같은 전처리를 통하여 탄소나노튜브의 자기조립이 유도됨으로써 용매 내에서 탄소나노튜브의 분산성을 높여 액정상과 같은 구조로 형성됨을 의미한다. 만약 본 발명에서와 같이 전처리를 거치지 않으면 탄소나노튜브가 용매 내에서 무질서한 랜덤방향으로 흩어져 분산 안정성을 높일 수 없게 된다.Self-assembly refers to a process in which carbon nanotubes in a solvent form an organized structure as a result of specific local interactions between carbon nanotubes themselves without external influence. That is, the self-assembly is to form a new structure by spontaneously aligning the carbon nanotubes in the solvent, and the self-assembly of the carbon nanotubes is induced through the pretreatment as in the present invention, thereby increasing the dispersibility of the carbon nanotubes in the solvent. It means that it is formed in the same structure as the liquid crystal phase. If the pretreatment is not performed as in the present invention, the carbon nanotubes are dispersed in disordered and random directions in the solvent, and dispersion stability cannot be improved.

도 10은 본 발명에 따라 전처리된 탄소나노튜브 분산액을 SEM 사진으로 나타낸 것이다. 도 10을 참조하면, 순수 탄소나노튜브 분말을 극성용매에 재분산하여 형성된 탄소나노튜브 분산액을 10.0kV에서 측정하여 2만배율로 확대하여 주사전자현미경 사진으로 나타낸 것으로, 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에서 코인터칼레이션되기 때문에 탄소나노튜브 분산액으로 형성 시 액정상 형태로 자기조립된 구조로 이루어짐이 확인된다.10 is a SEM photograph showing the carbon nanotube dispersion pretreated according to the present invention. Referring to FIG. 10, the carbon nanotube dispersion formed by redispersing pure carbon nanotube powder in a polar solvent was measured at 10.0 kV and enlarged at a magnification of 20,000 to represent a scanning electron microscope photograph, wherein the metal salt compound is the carbon nanotube. Since co-intercalation occurs between adjacent layers, it is confirmed that the self-assembled structure is formed in the form of a liquid crystal phase when formed as a carbon nanotube dispersion.

도 10과 달리, 도 11은 전처리되지 않은 탄소나노튜브 분산액을 SEM 사진으로 나타낸 것이다. 도 10을 참조하면, 액정상 제조 과정에서 전단응력 방식이 아닌 마그네틱 바를 이용한 일반적인 교반 방법으로 제조된 액정상을 이용하여 제조된 탄소나노튜브 분산액으로써, 탄소나노튜브가 액정상 형태로 자기조립되지 않고 무질서한 랜덤방향으로 존재함을 알 수 있다.Unlike FIG. 10, FIG. 11 shows an SEM photograph of a carbon nanotube dispersion that has not been pretreated. Referring to FIG. 10, as a carbon nanotube dispersion prepared using a liquid crystal phase prepared by a general stirring method using a magnetic bar rather than a shear stress method in the liquid crystal phase manufacturing process, the carbon nanotubes are not self-assembled in the liquid crystal phase form It can be seen that they exist in a chaotic random direction.

다음으로, 혼합용액을 분무 건조하여 용매가 증발되면서 산화그래핀이 실리콘계 입자를 감싸도록 코팅되고, 탄소나노튜브가 산화그래핀에 결합된 복합입자를 제조한다(S20).Next, by spray-drying the mixed solution, as the solvent evaporates, the graphene oxide is coated to surround the silicon-based particles, and carbon nanotubes are bonded to the graphene oxide to prepare composite particles (S20).

분무 건조를 통하여 혼합용액 내의 용매는 물과 함께 증발되면서 단독의 실리콘계 입자 또는 다수의 실리콘계 입자에, 산화그래핀과 탄소나노튜브의 복합구조로 이루어진 복합층이 코팅됨으로써, 복합입자를 형성하게 된다. 이때 혼합용액은 산화그래핀과 탄소나노튜브가 서로 균일하게 혼합되어 있는 상태이기 때문에, 산화그래핀이 탄소나노튜브가 박힌 상태로 실리콘계 입자에 코팅될 수 있다. 즉 분무 건조 시 용매가 증발하면서 상대적으로 크기가 큰 실리콘계 입자에 크기가 작은 산화그래핀과 탄소나노튜브가 반데르발스 힘과 일부 수소결합에 의해 코팅이 이루어진다.As the solvent in the mixed solution evaporates with water through spray drying, a composite layer composed of a composite structure of graphene oxide and carbon nanotubes is coated on a single silicon-based particle or a plurality of silicon-based particles, thereby forming composite particles. At this time, since the mixed solution is in a state in which graphene oxide and carbon nanotubes are uniformly mixed with each other, graphene oxide may be coated on silicon-based particles in a state in which carbon nanotubes are embedded. That is, as the solvent evaporates during spray drying, small-sized graphene oxide and carbon nanotubes are coated on relatively large silicon-based particles by van der Waals force and some hydrogen bonds.

단, 복합입자를 제조하는 단계는 공기 분위기에서 열처리하기 전이기 때문에, 탄소나노튜브는 환원되기 전의 산화탄소나노튜브일 수 있다.However, since the step of preparing the composite particles is before heat treatment in an air atmosphere, the carbon nanotubes may be carbon oxide nanotubes before reduction.

마지막으로, 복합입자를 열처리하여 산화그래핀과 탄소나노튜브를 환원시킨다(S30).Finally, the composite particles are heat-treated to reduce graphene oxide and carbon nanotubes (S30).

고내열성 산화그래핀의 내열안정성을 나타내는 온도범위이면서, 산화탄소나노튜브의 환원이 이루어질 수 있도록 170 내지 450℃의 공기 분위기에서 열처리한다. 바람직하게는, 공기 중 400℃ 이하에서 열처리할 수 있으며, 300℃ 이하에서도 가능하다.It is heat-treated in an air atmosphere at 170 to 450° C. so that the carbon oxide nanotubes can be reduced while having a temperature range showing the thermal stability of high heat-resistant graphene oxide. Preferably, it can be heat-treated at 400° C. or lower in air, and it is also possible at 300° C. or lower.

특히 산화그래핀과 산화탄소나노튜브 표면에는 산소 함유 관능기들 중 하이드록시가 도입되어 있을 수 있으므로, 산화그래핀과 산화 탄소나노튜브는 서로 수소결합에 의한 비공유결합을 이룰 수 있게 된다. 이에 따라, 복합입자를 열처리함에 의해 산화그래핀과 산화탄소나노튜브가 환원된 후에는 sp2 육각구조 간의 π-π 상호작용(분자들끼리 서로 인접할 때 둘 사이에 작용하는 인력)에 의한 비공유결합이 가능해진다.In particular, since hydroxy among oxygen-containing functional groups may be introduced on the surfaces of graphene oxide and carbon oxide nanotubes, graphene oxide and carbon nanotubes may form a non-covalent bond with each other by hydrogen bonding. Accordingly, after the graphene oxide and carbon oxide nanotubes are reduced by heat-treating the composite particles, they are non-covalent due to the π-π interaction between the sp 2 hexagonal structures (the attraction between the two when the molecules are adjacent to each other). bonding becomes possible.

이러한 과정으로 제조되는 복합체는, 본 발명에 따른 음극 소재용 복합체를 모식도로 나타낸 도 12를 통하여 구조가 확인된다. 즉 실리콘, 실리콘 합금 및 실리콘 산화물 중 어느 하나 이상의 실리콘계 입자(10)가 코어(core)로 위치되고, 실리콘계 입자(10)의 외부를 완전히 둘러싸 감싸는 쉘(shell)로 고내열성 그래핀(20)이 코팅됨과 동시에, 코팅된 고내열성 그래핀(20) 상에 탄소나노튜브(30)의 일부가 삽입 또는 임베디드(embedded)된 형태로 박혀서 형성된다.The structure of the composite prepared by this process is confirmed through FIG. 12 schematically showing the composite for an anode material according to the present invention. That is, silicon-based particles 10 of any one or more of silicon, silicon alloy, and silicon oxide are positioned as a core, and high heat-resistance graphene 20 as a shell completely surrounding the outside of the silicon-based particles 10 is formed. At the same time as the coating, a portion of the carbon nanotubes 30 is embedded or embedded in the coated high heat-resistant graphene 20 and is formed.

여기서 복합체를 구성하는 고내열성 그래핀은, 고내열성 산화그래핀이 200 내지 250℃ 이하에서 표면의 에폭시기 및 하이드록시기가 제거되어 탄소 원자 간에 sp2 결합을 이루는 그래핀 구조로 환원되면서 전도성을 갖게 된 것으로, 250℃ 초과 450℃ 이하에서 불연소되는 고온 내열안정성을 가지며, 특히 공기 중의 400℃에서 고형분이 65 내지 80중량%일 수 있다.Here, the high heat-resistant graphene constituting the composite is reduced to a graphene structure in which the high heat-resistant graphene oxide is removed from the surface of the epoxy group and the hydroxyl group at 200 to 250° C. or less to form an sp 2 bond between carbon atoms while having conductivity As such, it has high-temperature heat resistance stability that is non-combustible at more than 250° C. and 450° C. or less, and in particular, the solid content at 400° C. in air may be 65 to 80% by weight.

단, 본 발명에서 산화그래핀과 산화탄소나노튜브의 환원이 이루어질 수 있도록 하는 열처리는 공기 분위기에서 이루어는 것이 바람직하나, 경우에 따라 화학적 환원, 불활성 기체 내에서의 환원, 플라즈마를 이용한 열환원, 수소 혼합가스 내에서의 열환원 등 다양한 환원법이 적용될 수 있다.However, in the present invention, the heat treatment for reducing graphene oxide and carbon oxide nanotubes is preferably performed in an air atmosphere, but in some cases chemical reduction, reduction in an inert gas, thermal reduction using plasma, Various reduction methods such as thermal reduction in hydrogen mixed gas may be applied.

상술한 제조방법에 의하면, 본 발명은 고내열성 산화그래핀, 실리콘계 입자, 산화탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 혼합용액을 분무 건조하여 실리콘계 입자의 외부에 고내열성 산화그래핀을 감싸고, 고내열성 산화그래핀 상에 산화탄소나노튜브의 일부가 박힌 상태로 결합된 복합입자를 제조하고, 이렇게 제조된 복합입자를 고온의 비활성 기체 분위기가 아닌, 공기 중의 170 내지 450℃에서 열처리함으로써, sp3 결합을 이루고 있던 고내열성 산화그래핀은 sp2 결합을 이루는 고내열성 그래핀 구조으로 환원됨과 함께, 산화탄소나노튜브는 탄소나노튜브로 환원됨으로써, 결국 음극 소재용 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체가 합성될 수 있다.According to the above-described manufacturing method, the present invention spray-drying a mixed solution containing high heat-resistant graphene oxide, silicon-based particles, carbon oxide nanotubes and a solvent to wrap high-heat-resistant graphene oxide on the outside of silicon-based particles, and high heat-resistant oxidation By preparing composite particles bonded in a state where a part of carbon oxide nanotubes are embedded on graphene, and heat-treating the composite particles prepared in this way at 170 to 450° C. in air, not in a high-temperature inert gas atmosphere, sp 3 bonding The high heat-resistant graphene oxide that was formed was reduced to a high heat-resistant graphene structure forming an sp 2 bond, and the carbon oxide nanotube was reduced to a carbon nanotube, eventually resulting in a high heat-resistant graphene-silicon-carbon nanotube composite for anode material. can be synthesized.

이처럼 고온의 비활성 기체 분위기 하에서 열처리하지 않아도, 고내열성 산화그래핀과 산화탄소나노튜브가 환원되어 전기전도도를 향상시킬 수 있으므로, 이차전지용 음극 소재에 적용할 수 있는 장점이 있다.As such, even without heat treatment in a high-temperature inert gas atmosphere, high heat-resistant graphene oxide and carbon oxide nanotubes are reduced to improve electrical conductivity, and thus, there is an advantage that can be applied to anode materials for secondary batteries.

이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail as follows. However, the following examples are merely illustrative to help the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby.

<실시예 1><Example 1> 고내열성 산화그래핀 분산용액의 제조Preparation of high heat-resistant graphene oxide dispersion solution

먼저, 습식방사를 위한 고내열성 산화그래핀 분산용액은 다음과 같은 과정으로 제조하였다. 흑연 10g과 소듐클로레이트(NaClO3) 75g을 분말 상태로 혼합한 다음 농질산(fuming nitric acid) 50mL를 소량 첨가하여 상온에서 1 내지 3시간 정도 산화과정을 수행하였다. 이후 증류수 1L를 첨가하여 중화하고, 1M 염산용액 1L를 추가한 후 1,000rpm으로 원심분리하는 과정을 2회 반복하여 정제된 산화흑연을 제조하였다. 이후 암모니아 용액으로 pH 10 이상으로 제어하여 알칼리 조건에서 초음파 분산기를 이용하여 산화그래핀으로 박리하였다. 이어서 증류수를 추가하여 원심분리함으로써 수용액 상태의 산화그래핀 분산용액을 제조하였다.First, a high heat-resistant graphene oxide dispersion solution for wet spinning was prepared as follows. 10 g of graphite and 75 g of sodium chlorate (NaClO 3 ) were mixed in a powder state, and then 50 mL of fuming nitric acid was added in a small amount, and the oxidation process was performed at room temperature for 1 to 3 hours. Then, 1 L of distilled water was added to neutralize, 1 L of 1 M hydrochloric acid solution was added, and the process of centrifugation at 1,000 rpm was repeated twice to prepare purified graphite oxide. Then, it was peeled off with graphene oxide using an ultrasonic disperser under alkaline conditions by controlling the pH to 10 or higher with an ammonia solution. Then, distilled water was added and centrifuged to prepare an aqueous graphene oxide dispersion solution.

제조된 산화그래핀 분산용액을 동결건조하고 80℃에서 건조 후 열중량분석을 시행해 보았으며, 이는 앞서 설명한 바 있는 도 6에서와 같이 기존 과망간산칼륨과 황산을 이용해 제조된 산화그래핀과, 실시예 1을 통해 제조된 산화그래핀의 열적 특성을 확인할 수 있었다. 기존 산화그래핀은 200℃ 이하에서 급격한 질량 감소를 보이지만 실시예 1에 의해 제조된 고내열성 산화그래핀은 200 내지 350℃ 구간에서 그래핀 표면에 도입된 에폭시기와 하이드록시기가 제거되어 열적 환원이 이루어짐을 확인할 수 있었다.After freeze-drying the prepared graphene oxide dispersion solution and drying at 80° C., thermogravimetric analysis was performed, which was described above with graphene oxide prepared using the conventional potassium permanganate and sulfuric acid as in FIG. 6, and Examples 1, it was possible to confirm the thermal properties of the prepared graphene oxide. Existing graphene oxide shows a rapid mass decrease at 200° C. or less, but the high heat-resistant graphene oxide prepared by Example 1 is thermally reduced by removing the epoxy group and the hydroxyl group introduced to the graphene surface in the range of 200 to 350° C. was able to confirm

<실시예 2><Example 2> 탄소나노튜브 분산액의 제조Preparation of carbon nanotube dispersion

단일벽 탄소나노튜브 5g과 질산염 5g을 파우더 상태에서 혼합하여 복합분말을 준비하였다. 준비된 복합분말과 황산 용액 1,000㎖를 자전과 공전이 가능한 페이스트 믹서를 이용해 1,000rpm으로 40분 동안 교반하면서 혼합하여 탄소나노튜브 액정상을 제조하였다. 이어서 100℃에서 20시간 동안 탄소나노튜브 액정상을 가열하여 탄소나노튜브에 카르복실기를 도입하였고, 이후 과량의 증류수로 세정하고 원심분리하여 필터링을 통해 전처리된 탄소나노튜브를 얻었다. 전처리가 완료된 탄소나노튜브를 파우더화하여 물과 N-methylprollidone에 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다.A composite powder was prepared by mixing 5 g of single-walled carbon nanotubes and 5 g of nitrate in a powder state. A carbon nanotube liquid crystal phase was prepared by mixing the prepared composite powder and 1,000 ml of the sulfuric acid solution while stirring at 1,000 rpm for 40 minutes using a paste mixer capable of rotation and revolution. Then, the carbon nanotube liquid crystal phase was heated at 100° C. for 20 hours to introduce a carboxyl group to the carbon nanotube, and then washed with excess distilled water and centrifuged to obtain a pretreated carbon nanotube through filtering. A carbon nanotube dispersion liquid was prepared by dispersing the carbon nanotubes that had been pre-treated into powder in water and N-methylprollidone.

도 13은 실시예 2에 따른 산화탄소나노튜브의 열적 거동을 그래프로 나타낸 것으로, 300℃ 이하의 온도에서 탄소나노튜브 말단과 표면에 도입된 화학적 관능기 즉, 산소 함유 관능기가 제거되어 물, CO2, CO 형태로 가스가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 산화 탄소나노튜브도 산화그래핀과 마찬가지로 300℃ 이하, 더욱이 250℃ 이하의 온도에서 열적 환원이 가능함을 알 수 있었다.13 is a graph showing the thermal behavior of the carbon oxide nanotube according to Example 2, and at a temperature of 300° C. or less, a chemical functional group introduced to the end and surface of the carbon nanotube, that is, an oxygen-containing functional group is removed, so that water, CO 2 , it was confirmed that gas was generated in the form of CO. As such, it was found that carbon oxide nanotubes, like graphene oxide, can be thermally reduced at a temperature of 300° C. or less, and furthermore, at a temperature of 250° C. or less.

<실시예 3-1><Example 3-1> 산화그래핀-실리콘 복합체의 제조Preparation of graphene oxide-silicon composites

물에 실리콘 합금을 1중량%로 혼합하고, 실시예 1에서 제조된 고내열성 산화그래핀 분산용액 0.12중량%를 혼합하여, 실리콘 합금 1중량%, 산화그래핀 분산용액 0.12중량%가 되도록 혼합용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 혼합용액을 분무 건조기를 이용하여 산화그래핀이 코팅된 실리콘 합금 마이크로 입자를 제조하였다. 제조된 입자를 공기 중 300℃의 오븐에서 처리하여 환원된 그래핀이 코팅된 실리콘 합금 복합입자를 제조하였다.A silicon alloy is mixed in water at 1 wt%, and 0.12 wt% of the high heat-resistant graphene oxide dispersion solution prepared in Example 1 is mixed, so that the silicon alloy is 1 wt% and the graphene oxide dispersion solution is 0.12 wt% was prepared. Silicon alloy microparticles coated with graphene oxide were prepared by using a spray dryer with the thus-prepared mixed solution. The prepared particles were treated in an oven at 300° C. in air to prepare reduced graphene-coated silicon alloy composite particles.

<실시예 3-2><Example 3-2> 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체의 제조Preparation of high heat-resistance graphene-silicon-carbon nanotube composite

물에 실리콘 합금을 1중량%로 혼합하고, 실시예 1에서 제조된 고내열성 산화그래핀과 실시예 2에서 제조된 단일벽 탄소나노튜브 분산용액을 혼합하여 실리콘 합금 1중량%, 고내열성 산화그래핀 0.08중량% 및 단일벽 탄소나노튜브 0.04중량%가 되도록 혼합용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 혼합용액을 분무 건조기를 이용하여 산화그래핀과 단일벽 탄소나노튜브가 균일하게 코팅된 실리콘 합금 복합입자를 제조하였다. 제조된 입자를 공기 중 300℃의 오븐에서 처리하여 환원된 그래핀이 코팅되고 단일벽 탄소나노튜브가 결합된 실리콘 합금 복합입자를 제조하였다.1 wt% of silicon alloy is mixed with water, and 1 wt% of silicon alloy is mixed with the high heat-resistant graphene oxide prepared in Example 1 and the single-walled carbon nanotube dispersion solution prepared in Example 2, and high heat-resistant graphene oxide A mixed solution was prepared so that the fins were 0.08% by weight and the single-walled carbon nanotubes were 0.04% by weight. Silicon alloy composite particles in which graphene oxide and single-walled carbon nanotubes were uniformly coated were prepared by using the thus-prepared mixed solution using a spray dryer. The prepared particles were treated in an oven at 300° C. in air to prepare silicon alloy composite particles coated with reduced graphene and bonded with single-walled carbon nanotubes.

도 14는 실시예 3을 SEM 사진으로 나타낸 것으로, 도 14a는 실시예 3-1과 실시예 3-2에 따른 실리콘 합금 그 자체를 SEM 사진으로 나타낸 것이고, 도 14b는 실시예 3-1에 따른 산화그래핀이 코팅된 실리콘 합금 복합입자를 SEM 사진으로 나타낸 것이고, 도 14c는 실시예 3-2에 따른 산화그래핀과 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 실리콘 합금 복합입자를 SEM 사진으로 나타낸 것이며, 도 14d는 도 14c를 확대한 SEM 사진을 나타낸 것이다.14 is a SEM photograph of Example 3, FIG. 14A is a SEM photograph of the silicon alloy itself according to Examples 3-1 and 3-2, and FIG. 14B is an SEM photograph according to Example 3-1. The graphene oxide-coated silicon alloy composite particles are shown as an SEM photograph, and FIG. 14c is a SEM photograph of the silicon alloy composite particles coated with graphene oxide and single-walled carbon nanotubes according to Example 3-2, 14D is an enlarged SEM photograph of FIG. 14C.

실시예 3-1과 관련하여, 도 14b를 참조하면 실리콘 합금 입자 표면에 그래핀이 도입되었음을 확인할 수 있었다. 실시예 3-2와 관련하여, 도 14c를 참조하면 실리콘 합금 입자 표면에도 그래핀이 도입되었음을 확인할 수 있었다.With respect to Example 3-1, referring to FIG. 14b, it was confirmed that graphene was introduced to the surface of the silicon alloy particle. With respect to Example 3-2, referring to FIG. 14c , it was confirmed that graphene was introduced into the surface of the silicon alloy particle.

도 15는 실시예 3의 열중량분석(TGA) 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 15를 참조하면, 열중량 분석을 통해 실시예 3-1에서의 실리콘 합금에 6.1중량%의 그래핀이 도입된 것을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 3-2에서의 실리콘 합금 입자 표면에 6.8중량%의 그래핀 및 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 복합층이 코팅되었음을 확인할 수 있었다.15 is a graph showing the thermogravimetric analysis (TGA) results of Example 3. Referring to FIG. 15 , it was confirmed that 6.1 wt% of graphene was introduced into the silicon alloy in Example 3-1 through thermogravimetric analysis. In addition, it was confirmed that the composite layer composed of 6.8 wt% of graphene and single-walled carbon nanotubes was coated on the surface of the silicon alloy particles in Example 3-2.

도 16은 실시예 3의 라만분광분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 16을 참조하면, 그래핀과 단일벽 탄소나노튜브의 존재를 확인할 수 있다.16 is a graph showing the results of Raman spectroscopy in Example 3. Referring to FIG. 16 , the presence of graphene and single-walled carbon nanotubes can be confirmed.

<시험예 1><Test Example 1>

본 시험예에서는 본 발명에 따른 음극 소재가 이차전지에 실제 적용되었을 때의 특성을 분석해 보았다. 이를 위해 실시예 3-2에 따라 제조된 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체 : 카본블랙(도전재) : 폴리아크릴산(수용성 바인더)를 8 : 1 : 1의 중량비율로 하여 수용액에 혼합하여 슬러리를 제조하고, 이를 구리집전체 위에 코팅하여 음극층을 형성한 후, 100℃에서 건조하여 수분을 제거하였다. 이렇게 제조된 전극을 사용하여 CR2032 규격 코인 셀을 아르곤 분위기의 글러브 박스 내부에서 제작하였다. 이때 반대전극으로는 리튬 금속 호일을 사용하였다. 양 전극 사이에 폴리올레핀 분리막을 개재하였다. 전해질은 1M LiPF6를 사용하고 용매는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이크(dimethyl carbonate), 플루오로에틸렌카보네이트(fluoroehtylene carbonate)의 혼합용액을 사용하였다. 이를 A 샘플로 하기로 한다.In this test example, the characteristics of the negative electrode material according to the present invention when actually applied to a secondary battery were analyzed. For this, the high heat-resistant graphene-silicon-carbon nanotube composite prepared according to Example 3-2: carbon black (conductive material): polyacrylic acid (water-soluble binder) was mixed in an aqueous solution in a weight ratio of 8: 1: 1 to prepare a slurry, which was coated on a copper current collector to form a negative electrode layer, and then dried at 100° C. to remove moisture. Using the thus prepared electrode, a CR2032 standard coin cell was fabricated inside a glove box in an argon atmosphere. In this case, a lithium metal foil was used as the counter electrode. A polyolefin separator was interposed between both electrodes. 1M LiPF 6 was used as the electrolyte, and a mixed solution of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate was used as the solvent. Let this be sample A.

비교 분석을 위하여 실시예 3-1에 따라 환원된 그래핀이 코팅된 실리콘 합금 복합입자를 A 샘플에서와 같이 동일한 방식으로 슬러리를 제조한 후 전지 샘플을 제작하였다. 이를 B 샘플로 하기로 한다.For comparative analysis, a slurry of the silicon alloy composite particles coated with reduced graphene according to Example 3-1 was prepared in the same manner as in Sample A, and then a battery sample was prepared. Let this be sample B.

또한 실리콘 합금 단독으로 A 샘플에서와 같이 동일한 방식으로 슬러리를 제조한 후 전지 샘플을 제작하였다. 이를 C 샘플로 하기로 한다.In addition, a battery sample was prepared after preparing a slurry using the silicon alloy alone in the same manner as in Sample A. Let this be the C sample.

또한 실시예 3-2에서 사용된 단일벽 탄소나노튜브 대신, 다중벽 탄소나노튜브를 사용하여 제조된 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체를 A 샘플에서와 같이 동일한 방식으로 슬러리를 제조한 후 전지 샘플을 제작하였다. 이를 D 샘플로 하기로 한다.In addition, instead of the single-walled carbon nanotube used in Example 3-2, the high heat-resistance graphene-silicon-carbon nanotube composite prepared using the multi-walled carbon nanotube was prepared as a slurry in the same manner as in Sample A. After that, a battery sample was prepared. Let this be the D sample.

이렇게 A, B, C 및 D 각각 샘플의 코인셀을 이용하여 충방전 사이클 대비 용량 유지율과 쿨롱효율을 측정하여, 그 결과를 도 17, 도 18 및 도 19에 나타내었다. 즉 도 17은 전극의 충방전 사이클에 따른 용량 유지율을 그래프로 나타낸 것으로, 실리콘 합금 단독이 적용된 C 샘플의 경우 전기전도도가 낮고 충방전되면서 부피가 변하기 때문에 50회 반복 테스트 후 불과 4.7%의 용량 유지율을 나타내고, 그래핀만 실리콘 합금에 복합화된 B 샘플의 경우 50회 반복 테스트 후 74.7%의 용량 유지율을 나타내는 반면, 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체가 적용된 A 샘플의 경우 50회 반복 테스트 후 89.5%의 월등히 향상된 용량 유지율을 나타내었다.In this way, using the coin cells of each sample A, B, C, and D, the capacity retention rate and the coulombic efficiency compared to the charge/discharge cycle were measured, and the results are shown in FIGS. 17, 18 and 19 . That is, FIG. 17 is a graph showing the capacity retention rate according to the charge/discharge cycle of the electrode. In the case of sample C to which the silicon alloy alone is applied, the electrical conductivity is low and the volume changes during charging and discharging, so the capacity retention rate of only 4.7% after 50 repeated tests In the case of sample B, in which only graphene is complexed to a silicon alloy, a capacity retention rate of 74.7% after 50 repeated tests is shown, whereas in the case of sample A to which a high heat-resistance graphene-silicon-carbon nanotube composite is applied, the test is repeated 50 times. After that, it showed a significantly improved capacity retention rate of 89.5%.

특히 결함구조가 많은 다중벽 탄소나노튜브를 사용하는 경우, 고내열성 산화그래핀을 이용해 실리콘 합금을 코팅하는 복합입자의 경우에서 나타나는 74.7%의 용량 유지율보다, 개선된 효과를 나타내지 못했다.In particular, in the case of using multi-walled carbon nanotubes with many defect structures, an improved effect was not obtained compared to the capacity retention rate of 74.7%, which is seen in the case of composite particles coated with a silicon alloy using high heat-resistant graphene oxide.

도 18은 전극의 충방전 사이클에 따른 쿨롱효율을 그래프로 나타낸 것이다. 도 18을 참조하면, 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체가 적용된 A 샘플의 경우, 초기부터 98.4%의 매우 높은 쿨롱효율을 보이면서 50회 반복 테스트 후에도 높은 쿨롱효율이 지속됨을 확인할 수 있다.18 is a graph showing the coulombic efficiency according to the charge/discharge cycle of the electrode. Referring to FIG. 18 , in the case of sample A to which the high heat resistance graphene-silicon-carbon nanotube composite is applied, it can be confirmed that the high coulombic efficiency is maintained even after 50 repeated tests while showing a very high coulombic efficiency of 98.4% from the beginning.

도 19는 전극의 충방전 사이클에 따른 율특성을 그래프로 나타낸 것이다. 도 19를 참조하면, 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체가 적용된 A 샘플이 충방전 속도에서도 높은 율특성을 나타냄을 확인할 수 있다.19 is a graph showing the rate characteristics according to the charge/discharge cycle of the electrode. Referring to FIG. 19 , it can be confirmed that sample A to which the high heat-resistance graphene-silicon-carbon nanotube composite is applied exhibits high rate characteristics even at charge and discharge rates.

정리하면, 본 발명은 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 산화그래핀, 실리콘계 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 혼합용액을 분무 건조하여 실리콘계 입자의 외부에 산화그래핀과 탄소나노튜브가 결합된 복합입자를 고온의 비활성 기체 분위기가 필요없는 열처리를 통하여 산화그래핀과 탄소나노튜브를 환원시킬 수 있는데 특징이 있다.In summary, the present invention relates to a method for manufacturing a composite for an anode material including a pretreated carbon nanotube, and spray-drying a mixed solution containing graphene oxide, silicon-based particles, carbon nanotubes and a solvent to remove the silicon-based particles from the outside. It is characterized in that the graphene oxide and carbon nanotubes can be reduced through heat treatment that does not require a high-temperature inert gas atmosphere for composite particles in which graphene oxide and carbon nanotubes are combined.

이처럼 본 발명에서와 같은 산화그래핀은, 에폭시기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기를 표면에 포함하되, 락톨기 또는 카르복실기인 산소 함유 관능기가 표면에 존재하지 않아 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀으로써, 고내열성 산화그래핀의 내열안정성을 나타내는 온도범위의 공기 분위기에서 열처리가 이루어질 수 있다는 점에 의미가 있다.As such, graphene oxide as in the present invention includes an oxygen-containing functional group that is an epoxy group or a hydroxy group on the surface, but does not have an oxygen-containing functional group that is a lactol group or a carboxyl group on the surface, so that it exhibits thermal stability. As graphene oxide with high heat resistance, It is meaningful in that heat treatment can be performed in an air atmosphere in a temperature range showing the thermal stability of high heat-resistant graphene oxide.

또한 본 발명에서와 같은 탄소나노튜브는, 탄소나노튜브와 금속염화합물을 고체 상태로 혼합한 복합분말과 산 용액에 전단응력을 가하여 금속염화합물이 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간 사이에 코인터칼레이션된 구조의 탄소나노튜브 액정상을 형성한 후, 가열을 통하여 금속염화합물과 산 용액에 의해 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 세척 및 여과함으로써 전처리된 탄소나노튜브로써, 전처리가 완료된 탄소나노튜브가 탄소나노튜브 액정상으로부터 산소 함유 관능기가 도입되어 분산성을 갖는다는 점에 의미가 있다.In addition, in the carbon nanotube as in the present invention, a shear stress is applied to a composite powder in which the carbon nanotube and a metal salt compound are mixed in a solid state and an acid solution, so that the metal salt compound is co-intercalated between adjacent interlayers of the carbon nanotube. After forming a liquid crystal phase of the carbon nanotube having a structure of It is meaningful in that an oxygen-containing functional group is introduced from the carbon nanotube liquid crystal phase to have dispersibility.

따라서 본 발명에 따르면, 결함이 최소화되어 고온의 비활성 기체 분위기 하에서 열처리하지 않아도 환원될 수 있는 산화그래핀과 탄소나노튜브에 의하여, 실리콘 기반의 이차전지용 음극 소재의 전기전도도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.Therefore, according to the present invention, it is expected that the electrical conductivity of the anode material for a silicon-based secondary battery can be improved by the graphene oxide and carbon nanotubes, which can be reduced without heat treatment under a high temperature inert gas atmosphere because defects are minimized. do.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to illustrate, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: 실리콘계 입자
20: 고내열성 그래핀
30: 탄소나노튜브
100: 용기
R1: 자전축
R2: 공전축
10: silicon-based particles
20: high heat resistance graphene
30: carbon nanotube
100: courage
R1: rotation axis
R2: orbital shaft

Claims (16)

산화그래핀, 실리콘계 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 혼합용액을 분무 건조하여 상기 용매가 증발되면서 상기 산화그래핀이 상기 실리콘계 입자를 감싸도록 코팅되고, 상기 탄소나노튜브가 상기 산화그래핀에 결합된 복합입자를 제조하는 단계; 및
상기 복합입자를 열처리하여 상기 산화그래핀과 상기 탄소나노튜브를 환원시키는 단계;를 포함하고,
상기 탄소나노튜브는,
탄소나노튜브와 금속염화합물을 혼합한 복합분말과, 산 용액에 전단응력을 가하면서 혼합하여, 상기 금속염화합물이 상기 탄소나노튜브의 상호 인접하는 층간에 코인터칼레이션된 탄소나노튜브 액정상을 제조하는 단계;
상기 탄소나노튜브 액정상을 가열하여 상기 금속염화합물과 산 용액에 의해 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및
상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 세척 및 여과하는 단계;를 포함하여 전처리된 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
Preparing a mixed solution containing graphene oxide, silicon-based particles, carbon nanotubes and a solvent;
preparing composite particles in which the graphene oxide is coated to surround the silicon-based particles as the solvent evaporates by spray-drying the mixed solution, and the carbon nanotubes are bonded to the graphene oxide; and
Reducing the graphene oxide and the carbon nanotubes by heat-treating the composite particles;
The carbon nanotubes are
A composite powder in which carbon nanotubes and a metal salt compound are mixed, and an acid solution are mixed while applying a shear stress to produce a carbon nanotube liquid crystal phase in which the metal salt compound is co-intercalated between adjacent layers of the carbon nanotubes to do;
heating the carbon nanotube liquid crystal phase to prepare a carbon nanotube into which an oxygen-containing functional group is introduced by the metal salt compound and an acid solution; and
Washing and filtering the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced;
제1항에 있어서,
상기 산화그래핀은, 에폭시기 또는 하이드록시기인 산소 함유 관능기를 표면에 포함하되, 락톨기 또는 카르복실기인 산소 함유 관능기가 표면에 존재하지 않아 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀이며,
상기 열처리는, 상기 고내열성 산화그래핀의 내열안정성을 나타내는 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The graphene oxide includes an oxygen-containing functional group that is an epoxy group or a hydroxy group on the surface, but an oxygen-containing functional group that is a lactol group or a carboxyl group does not exist on the surface, so it is high heat-resistant graphene oxide showing thermal stability,
The heat treatment is a method of manufacturing a composite for a negative electrode material comprising a pretreated carbon nanotube, characterized in that made in a temperature range showing the thermal stability of the high heat-resistant graphene oxide.
제2항에 있어서,
상기 산화그래핀은, 170 내지 450℃에서 내열안정성을 나타내는 고내열성 산화그래핀으로,
상기 복합입자를 열처리하는 단계는, 상기 고내열성 산화그래핀을 170 내지 450℃에서 열처리하여 환원시키는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The graphene oxide is a high heat-resistant graphene oxide exhibiting thermal stability at 170 to 450 °C,
In the heat treatment of the composite particles, the method for producing a composite for a negative electrode material comprising a pretreated carbon nanotube, characterized in that the reduction by heat treatment of the high heat-resistant graphene oxide at 170 to 450 ℃.
제1항에 있어서,
상기 산화그래핀은, 흑연과 클로레이트계 산화제를 분말상태로 혼합하고, 농질산을 첨가하여 산화시킴으로써 산화흑연을 제조하고, 금속이온을 함유하지 않는 염기성 용액으로 pH 10 이상의 알칼리 조건에서 상기 산화흑연을 박리함으로써 제조되는 고내열성 산화그래핀 분산용액인 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The graphene oxide is prepared by mixing graphite and a chlorate-based oxidizing agent in a powder state, adding concentrated nitric acid to oxidize the graphite oxide, and using a basic solution that does not contain metal ions, the graphite oxide in alkaline conditions of pH 10 or higher. A method for producing a composite for a negative electrode material comprising a pretreated carbon nanotube, characterized in that it is a high heat-resistant graphene oxide dispersion solution prepared by exfoliation.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 입자는, 실리콘, 실리콘 합금 및 실리콘 산화물 중 어느 하나 이상이되,
상기 실리콘 합금에 포함되는 금속원소는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, 및 Po로 이루어진 군으로 부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The silicon-based particles, but any one or more of silicon, silicon alloy and silicon oxide,
Metal elements included in the silicon alloy are Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re , Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb , Bi, S, Se, Te, and a method of manufacturing a composite for a negative electrode material comprising a pretreated carbon nanotube, characterized in that at least one selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는, 상기 전처리된 탄소나노튜브를 용매에 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계;를 더 포함하여 제조되고,
상기 전처리된 탄소나노튜브 분산액이 액정상 형태로 자기조립이 가능한 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The carbon nanotube is prepared by further comprising; dispersing the pretreated carbon nanotube in a solvent to prepare a carbon nanotube dispersion;
A method of manufacturing a composite for a negative electrode material comprising a pretreated carbon nanotube, characterized in that the pretreated carbon nanotube dispersion can be self-assembled in a liquid crystal form.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The carbon nanotube, single-walled carbon nanotube (SWCNT), double-walled carbon nanotube (double-walled carbon nanotube, DWCNT) and multi-walled carbon nanotube (multi-walled carbon nanotube, MWCNT) of A method of manufacturing a composite for an anode material comprising a pretreated carbon nanotube, characterized in that at least one.
제1항에 있어서,
상기 금속염화합물은, 질산염, 황산염 및 인산염 중 어느 하나 이상이되,
상기 질산염은 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3) 및 질산칼슘(Ca(NO3)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
상기 황산염은 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 황산수소나트륨(NaHSO4) 및 황산수소칼륨(KHSO4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,
상기 인산염은 디포타슘포스페이트(K2HPO4) 및 인산칼륨(KH2PO4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The metal salt compound is any one or more of nitrate, sulfate and phosphate,
The nitrate is at least one selected from the group consisting of sodium nitrate (NaNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ) and calcium nitrate (Ca(NO 3 ) 2 ),
The sulfate is at least one selected from the group consisting of sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), potassium sulfate (K 2 SO 4 ), sodium hydrogen sulfate (NaHSO 4 ) and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ),
The phosphate is dipotassium phosphate (K 2 HPO 4 ) and potassium phosphate (KH 2 PO 4 ) Method for producing a composite for a negative electrode material comprising a pretreated carbon nanotube, characterized in that at least one selected from the group consisting of .
제1항에 있어서,
상기 액정상을 제조하는 단계는, 100 내지 2,000rpm의 회전속도로 30분 내지 3시간 동안 교반하여 상기 전단응력을 가하는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the liquid crystal phase, the method for producing a composite for a negative electrode material comprising pretreated carbon nanotubes, characterized in that the shear stress is applied by stirring for 30 minutes to 3 hours at a rotation speed of 100 to 2,000 rpm .
제1항에 있어서,
상기 액정상을 제조하는 단계는, 임펠러, 페이스트 믹서 및 쿠에트-테일러 반응기 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 전단응력을 가하는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The preparing of the liquid crystal phase comprises applying the shear stress using any one or more of an impeller, a paste mixer, and a Kuett-Tayler reactor. Way.
제1항에 있어서,
상기 액정상을 제조하는 단계는, 임펠러, 페이스트 믹서 및 쿠에트-테일러 반응기 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 전단응력을 가하는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The preparing of the liquid crystal phase comprises applying the shear stress using any one or more of an impeller, a paste mixer, and a Kuett-Tayler reactor. Way.
제1항에 있어서,
상기 액정상을 제조하는 단계는, 상기 탄소나노튜브와 금속염화합물을 1 : 0.1 내지 10의 중량비로 혼합하여 복합분말을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The step of preparing the liquid crystal phase comprises mixing the carbon nanotubes and the metal salt compound in a weight ratio of 1:0.1 to 10 to form a composite powder. manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계는, 25 내지 150℃에서 상기 액정상을 가열하는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The preparing of the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced is a method of manufacturing a composite for a negative electrode material including a pretreated carbon nanotube, characterized in that the liquid crystal phase is heated at 25 to 150°C.
제1항에 있어서,
상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계는, 상기 액정상에 산화제를 더 첨가하여 교반한 후, 상기 액정상을 가열하여 상기 산소 함유 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 것을 특징으로 하는, 전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced, an oxidizing agent is further added to the liquid crystal phase and stirred, and then the liquid crystal phase is heated to prepare the carbon nanotube into which the oxygen-containing functional group is introduced. A method of manufacturing a composite for an anode material comprising a pretreated carbon nanotube.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 복합체.A composite prepared by the method of any one of claims 1 to 14. 양극;
제15항에 따른 복합체를 포함하는 음극;
상기 양극과 상기 음극 사이에 구비되는 분리막; 및
전해질;을 포함하는 이차전지.
anode;
A negative electrode comprising the composite according to claim 15;
a separator provided between the anode and the cathode; and
A secondary battery comprising; an electrolyte.
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