KR20230012314A - Manufacturing method of interconnected graphitic carbon nanocubes containing nickel and nitrogen and use thereof - Google Patents
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Description
본 발명은 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 일차원 흑연 나노 큐브(interconnected N-doped graphitic nanocube with Ni nanoparticles, Ni@N-IGN)의 제조방법 및 이를 전자파 차폐 소재와 리튬-황 전지의 기능성 분리막으로의 응용에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 전구체와 질소가 풍부한 유기 전구체 사이의 화학 반응 및 저온 열처리를 통해 상호 연결된 일차원 흑연 나노 큐브 구조체의 합성 및 상기 합성법을 이용한 흑연 나노 큐브를 적용한 전자파 차폐 소재 및 리튬-황 전지의 기능성 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing interconnected N-doped graphitic nanocube with Ni nanoparticles (Ni@N-IGN) containing nickel and nitrogen and to use the same as an electromagnetic wave shielding material and a functional separator of a lithium-sulfur battery. It relates to applications, and more particularly, to the synthesis of interconnected one-dimensional graphite nanocube structures through chemical reaction between metal precursors and nitrogen-rich organic precursors and low-temperature heat treatment, and electromagnetic wave shielding materials and lithium using graphite nanocubes using the synthesis method -It relates to functional separators for sulfur batteries.
재료 연구 분야에서 0부터 3차원까지의 다양한 차원의 탄소 나노 물질 동소체 개발은 많은 관심을 받고 있다. 그 중 다양한 차원을 갖는 탄소 나노 물질은 구조적 특징에서 파생된 우수한 물리-화학적 특성으로부터 전자기(Electromagnetic; EM) 및 전기 화학(Electrochemical; EC) 응용 분야에서 핵심 재료로 큰 잠재력을 보이고 있다.In the field of materials research, the development of allotropes of carbon nanomaterials with various dimensions from zero to three is receiving much attention. Among them, carbon nanomaterials with various dimensions show great potential as core materials in electromagnetic (EM) and electrochemical (EC) applications due to their excellent physical-chemical properties derived from their structural features.
전자파 흡수 분야에서 탄소 재료는 높은 전기 전도성과 가벼운 무게 등 유리한 특성으로부터 전자파 차폐 재료로 주목받고 있다. 그러나 탄소 재료는 임피던스 정합이 좋지 않아 흡수가 없는 반사율 만을 이용할 수 있어 EM 파장 흡수 성능이 불충분하여 실제 구현을 위한 높은 표준을 달성하는데 한계가 있다.In the field of electromagnetic wave absorption, carbon materials are attracting attention as electromagnetic wave shielding materials because of their advantageous properties such as high electrical conductivity and light weight. However, since carbon materials have poor impedance matching and can only use reflectance without absorption, EM wavelength absorption performance is insufficient, which limits achieving high standards for practical implementation.
한편, 지속 가능한 에너지원에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 리튬-황(Li-S) 배터리는 높은 에너지 밀도와 낮은 황 비용으로부터 차세대 EC 에너지 저장 시스템의 유망한 후보로 촉망된다. 복잡한 메커니즘으로 인해 발생하는 중요한 문제를 해결하기 위한 EC 장벽으로서 기능성 분리막은 활성 물질의 통과를 방지하고 느린 EC 반응을 촉진하는 중요한 역할을 하는 새로운 개념이다. 탄소 기반 기능 분리기의 상당한 진전에도 불구하고 더욱 고성능의 분리기를 위해서는 화학적 고정 및 촉매 효과가 요구된다.Meanwhile, as the demand for sustainable energy sources continues to increase, lithium-sulfur (Li-S) batteries are promising candidates for next-generation EC energy storage systems due to their high energy density and low sulfur cost. As an EC barrier to solve important problems caused by complex mechanisms, functional membranes are a new concept that plays an important role in preventing the passage of active materials and promoting slow EC reactions. Despite significant progress in carbon-based functional separators, chemical fixation and catalytic effects are required for more high-performance separators.
종합해보면, 기존 탄소 나노 구조의 한계를 극복하기 위해 원하는 기능을 가진 새로운 종류의 탄소 나노 구조를 탐구하는 것은 두 연구 분야에서 모두 큰 관심사이다.Taken together, exploring new kinds of carbon nanostructures with desired functions to overcome the limitations of existing carbon nanostructures is of great interest in both research fields.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 전자기 및 전기화학 장벽으로서 바람직한 기능을 가진 니켈 및 질소가 도핑된 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 제안한다.Accordingly, the present invention proposes interconnected graphite nanocubes doped with nickel and nitrogen having desirable functions as electromagnetic and electrochemical barriers in order to solve the above problems.
본 발명의 일 목적은, 질소가 풍부한 유기 전구체와 니켈 금속염 사이의 배위 화합물의 상전이와 탄화를 통해 새로운 종류의 탄소 나노 구조를 제조 및 제조방법을 제공함에 있다.One object of the present invention is to provide a new type of carbon nanostructure and a manufacturing method through carbonization and phase transition of a coordination compound between a nitrogen-rich organic precursor and a nickel metal salt.
본 발명의 다른 목적은 상기 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 전자파 차폐 소재 및 리튬-황 전지의 기능성 분리막으로 응용하여, 상기 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 두 연구 분야의 새로운 재료로 제공함에 있다.Another object of the present invention is to apply the interconnected graphite nanocubes as an electromagnetic wave shielding material and a functional separator of a lithium-sulfur battery, thereby providing the interconnected graphite nanocubes as new materials in both research fields.
상기 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상호 연결된 흑연 나노 큐브 합성법을 제공한다. 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법에 있어서, 1) 멜라민을 증류수에 용해하여 혼합물을 제조하는 단계; 2) 상기 혼합물에 니켈 질산 6수화물(Nickel nitrate hexahydrate)과 수산화나트륨(Sodium hydroxide)을 첨가 및 분산하여 분산액을 얻는 단계; 및 3) 상기 분산액을 원심 분리하여 금속-유기화합물을 얻는 단계; 4) 상기 금속-유기화합물 숙성시키는 단계; 5) 숙성된 금속-유기화합물을 90 내지 110 ℃ 온도에서 열처리하여 분말을 얻는 단계; 6) 상기 분말을 300 내지 1000 ℃ 온도까지 승온시키는 단계; 7) 상기 승온시킨 분말을 900 내지 950 ℃ 온도에서 추가 열처리하는 단계; 및 8) 상기 7) 단계에 의해 얻어진 탄화물 구조체를 염산 용액을 사용하여 식각하는 단계; 를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for synthesizing interconnected graphite nanocubes. A method for producing interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen, comprising the steps of: 1) preparing a mixture by dissolving melamine in distilled water; 2) obtaining a dispersion by adding and dispersing nickel nitrate hexahydrate and sodium hydroxide to the mixture; and 3) obtaining a metal-organic compound by centrifuging the dispersion; 4) aging the metal-organic compound; 5) obtaining a powder by heat-treating the aged metal-organic compound at a temperature of 90 to 110 °C; 6) heating the powder to a temperature of 300 to 1000 °C; 7) further heat-treating the heated powder at a temperature of 900 to 950 °C; and 8) etching the carbide structure obtained in step 7) using a hydrochloric acid solution; can include
바람직하게, 상기 2) 단계에서 니켈 질산 6수화물 및 수산화나트륨은, 상기 1) 단계의 멜라민 100 중량부일 때, 상기 니켈 질산 6수화물 40 내지 50 중량부 및 수산화나트륨 20 내지 40 중량부일 수 있다.Preferably, nickel nitrate hexahydrate and sodium hydroxide in step 2) may be 40 to 50 parts by weight of nickel nitrate hexahydrate and 20 to 40 parts by weight of sodium hydroxide, based on 100 parts by weight of melamine in step 1).
바람직하게, 상기 2) 단계에서 분산은 초음파 분산기로 2분 내지 4분간 분산하는 것일 수 있다.Preferably, in step 2), the dispersion may be performed with an ultrasonic disperser for 2 to 4 minutes.
바람직하게, 상기 3) 단계의 원심 분리는 8500 내지 9500 rpm에서 8 내지 12 분간 진행할 수 있다.Preferably, the centrifugation in step 3) may proceed for 8 to 12 minutes at 8500 to 9500 rpm.
바람직하게, 상기 4) 단계의 숙성은 상기 3) 단계에 의해 제조된 금속-유기화합물을 증류수에 넣고 80 내지 90 ℃의 온도에서 4 내지 6시간 동안 숙성시키는 것일 수 있다.Preferably, the aging in step 4) may be performed by putting the metal-organic compound prepared in step 3) in distilled water and aging at a temperature of 80 to 90 °C for 4 to 6 hours.
바람직하게, 상기 6) 단계의 승온은 질소기체(N2)로 충전된 퍼니스(furnace)에서 5℃/min의 속도로 300 내지 1000 ℃ 온도까지 승온시키는 것일 수 있다.Preferably, the temperature in step 6) may be raised to a temperature of 300 to 1000 °C at a rate of 5 °C/min in a furnace filled with nitrogen gas (N 2 ).
바람직하게, 상기 7) 단계의 열처리는 2시간 내지 4시간 동안 추가로 열처리하는 것일 수 있다.Preferably, the heat treatment in step 7) may be an additional heat treatment for 2 to 4 hours.
바람직하게, 상기 8) 단계의 식각은 상기 탄화물 구조체에 0.5 내지 1.5 M 염산 용액으로 75 내지 85 ℃ 온도에서 2 내지 4시간 동안 식각하여 상기 탄화물 구조체 외부에 존재하는 니켈 금속 입자를 제거할 수 있다.Preferably, in step 8), the carbide structure is etched with a 0.5 to 1.5 M hydrochloric acid solution at a temperature of 75 to 85 ° C for 2 to 4 hours to remove nickel metal particles present on the outside of the carbide structure.
바람직하게, 상기 제조된 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브 5 중량부에 파라핀 900 내지 100 중량부를 혼합하여 제조된 전자파 차폐 재료를 제공할 수 있다.Preferably, an electromagnetic wave shielding material prepared by mixing 900 to 100 parts by weight of paraffin with 5 parts by weight of the interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen may be provided.
바람직하게, 상기 제조된 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브 100 중량부에, 도전재로서 카본 블랙 10 내지 15 중량부 및 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 10 내지 15 중량부를 혼합하여 제조된 리튬-황 배터리의 기능성 분리막을 제공할 수 있다.Preferably, 100 parts by weight of the interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen prepared above, 10 to 15 parts by weight of carbon black as a conductive material and 10 to 15 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder It is possible to provide a functional separator for a lithium-sulfur battery prepared by mixing parts.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 금속-유기 화합물의 숙성 및 열처리를 통해 제조한 상호 연결된 흑연 나노 큐브와 이러한 흑연 나노 큐브를 이용하여 제조된 전자파 차폐 소재 및 리튬-황 전지의 기능성 분리막을 제공함으로써, 두 연구 분야에서 기존 탄소 나노 구조의 한계를 극복하여 전자파 차폐 소재로의 뛰어난 차폐 성능 및 리튬-황 전지의 높은 용량 달성에 효과가 있다.According to the present invention as described above, by providing interconnected graphite nanocubes prepared through aging and heat treatment of metal-organic compounds, electromagnetic wave shielding materials prepared using these graphite nanocubes, and functional separators for lithium-sulfur batteries, In both research fields, it is effective in achieving excellent shielding performance as an electromagnetic wave shielding material and high capacity of lithium-sulfur batteries by overcoming the limitations of existing carbon nanostructures.
도 1은 본 발명의 일 실시예 1, 2 및 멜라민(Melamine)의 (a) XRD patterns, (b) Raman spectra 및 (c) XPS 측정 결과를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예들의 온도별 탄화 샘플들의 (a) XRD patterns, (b) Raman spectra를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예들의 온도별 탄화 샘플들의 TEM image를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예 7에서 제조한 샘플의 (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, (c) XPS 분석, 및 (d) 질소 등온 흡착 곡선 및 기공 사이즈 분포도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예 7에서 제조한 샘플의 TEM image를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예 8에서 제조한 샘플의 전자파 차폐 소재로서의 특성 분석결과이다. 0.5 내지 18 GHz 주파수 영역에서의 (a) 유전율, (b) 투자율 및 (c) 자기 손실을 도시한다.
도 7은 본 발명의 비교예 1에서 제조한 샘플의 (a) 두께, 주파수에 따른 자기 손실 그래프 및 (b) 각 두께별 이론적인 흡수 주파수 영역대와 각 샘플별 자기 손실을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예 9 및 비교예 2에서 제조한 Ni@N-IGN기반 기능성 분리막의 폴리 설파이드와의 상호 작용 및 촉매능을 확인하기 위해 진행한 분석결과이다. (a) UV spectroscopy, (b) TEM 및 EDX images, (c) XPS Li 1s, (d) XPS S 2p 및 (e) Ni@N-IGN기반 기능성 분리막의 폴리 설파이드 확산 실험 사진을 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예 10 및 비교예 3에서 제조한 Ni@N-IGN, MWCNT 및 SWCNT 기반 기능성 분리막을 도입한 리튬-황 전지의 전기화학 분석결과이다. (a) 0.1 내지 1 mVs-1의 스캔 속도로 측정한 CV curves, (b) 0.2 내지 5C의 율속으로 측정한 율속 성능 테스트 및 (c) 0.2 내지 5C의 율속으로 측정한 충/방전 전압 곡선을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예 10에서 제조한 Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막을 도입한 리튬-황 전지의 1,3 및 5C의 율속에서 측정한 사이클 성능 분석 결과를 도시한다.1 shows (a) XRD patterns, (b) Raman spectra and (c) XPS measurement results of Examples 1 and 2 of the present invention and melamine.
2 shows (a) XRD patterns and (b) Raman spectra of carbonized samples for each temperature according to embodiments of the present invention.
3 shows TEM images of carbonized samples for each temperature of one embodiment of the present invention.
Figure 4 shows (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, (c) XPS analysis, and (d) nitrogen isothermal adsorption curve and pore size distribution of the sample prepared in Example 7 of the present invention.
5 shows a TEM image of a sample prepared in Example 7 of the present invention.
6 is a characteristic analysis result of the sample prepared in Example 8 of the present invention as an electromagnetic wave shielding material. (a) permittivity, (b) magnetic permeability and (c) magnetic loss in the frequency range from 0.5 to 18 GHz.
7 shows (a) a graph of magnetic loss according to thickness and frequency of a sample prepared in Comparative Example 1 of the present invention, and (b) a theoretical absorption frequency band for each thickness and magnetic loss for each sample.
8 is an analysis result conducted to confirm the interaction and catalytic activity of the Ni@N-IGN-based functional separation membrane prepared in Example 9 and Comparative Example 2 of the present invention with polysulfide. (a) UV spectroscopy, (b) TEM and EDX images, (c) XPS
9 is an electrochemical analysis result of a lithium-sulfur battery incorporating functional separators based on Ni@N-IGN, MWCNT, and SWCNT prepared in Example 10 and Comparative Example 3 of the present invention. (a) CV curves measured at a scan rate of 0.1 to 1 mVs -1 , (b) rate performance test measured at a rate rate of 0.2 to 5C and (c) charge / discharge voltage curves measured at a rate rate of 0.2 to 5C show
10 shows analysis results of cycle performance measured at rates of 1,3, and 5C of a lithium-sulfur battery incorporating a Ni@N-IGN-based functional separator prepared in Example 10 of the present invention.
본 발명은 전자파 차폐 소재 및 리튬-황 전지의 기능성 분리막으로서 우수한 성능을 보이는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브에 관한 것이다. 흑연 나노 큐브는 니켈-멜라민 배위 화합물의 상전이 및 탄화 과정을 거쳐 얻을 수 있다. XRD, Raman spectrum, XPS 및 TEM 분석을 통해 높은 흑연화 정도의 흑연 껍질을 가지고 내부의 중공 구조에 일부 니켈 나노 입자를 포함하며 흑연 구조 내부에 질소를 함유하는 일차원으로 상호 연결된 흑연 나노 큐브가 합성되었음을 확인하였다.The present invention relates to interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen that exhibit excellent performance as electromagnetic wave shielding materials and functional separators for lithium-sulfur batteries. Graphite nanocubes can be obtained through phase transition and carbonization of a nickel-melamine coordination compound. Through XRD, Raman spectrum, XPS, and TEM analysis, it was found that one-dimensionally interconnected graphite nanocubes were synthesized that had a graphite shell with a high degree of graphitization, contained some nickel nanoparticles in the hollow structure inside, and contained nitrogen inside the graphite structure. Confirmed.
상기 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 이용해 제조한 전자파 차폐 재료는 속이 빈 나노 큐브 구조로부터 EM 파의 내부 반사를 유도할 수 있고, 흑연 나노 큐브에 부분적으로 포함된 니켈 나노 입자로부터 효과적인 자기 흡수를 기대할 수 있다. 또한, 질소가 도핑된 고결정성 흑연 벽은 안정적인 전기적 경로로 작용하여 효과적인 EM 파의 전도 손실에 기여할 수 있습니다.The electromagnetic wave shielding material prepared using the interconnected graphite nanocubes can induce internal reflection of EM waves from the hollow nanocube structure, and effective self-absorption can be expected from nickel nanoparticles partially included in the graphite nanocubes. . In addition, nitrogen-doped highly crystalline graphite walls can act as stable electrical pathways and contribute to the conduction loss of effective EM waves.
한편, 상기 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 이용해 제조한 리튬-황 전지의 기능성 분리막은 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 기본 단위인 흑연 나노 큐브 내부의 메조 및 마크로 사이즈의 다공성 공간으로부터 리튬 폴리설파이드를 수용하고 가둘 수 있으며, 흑연 나노 큐브 내부의 니켈 나노 입자는 리튬-황전지의 반응을 촉진하는 촉매 역할을 수행할 수 있습니다. 또한, 질소 기능화된 흑연 구조는 향상된 전기전도도를 제공할 뿐만 아니라 리튬 폴리설파이드와의 화학적 상호작용을 통해 효과적으로 셔틀 효과를 예방할 수 있다.On the other hand, the functional separator of the lithium-sulfur battery prepared using the interconnected graphite nanocubes can accommodate and trap lithium polysulfide from meso- and macro-sized porous spaces inside the graphite nanocubes, which are the basic units of the interconnected graphite nanocubes. Nickel nanoparticles inside graphite nanocubes can act as catalysts to accelerate the reaction of lithium-sulfur batteries. In addition, the nitrogen-functionalized graphite structure not only provides improved electrical conductivity but also effectively prevents the shuttle effect through chemical interaction with lithium polysulfide.
이러한 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 이용해 제조한 전자파 차폐 재료 및 리튬-황 전지의 분리막은 EM 장벽으로서 소량의 상호 연결된 흑연 나노 큐브에서도 12.1GHz에서 최적 RL 값 -62.1dB의 성능 발현이 가능하다. 또한 EC 장벽으로 상호 연결된 흑연 나노 큐브 기능성 분리막을 사용한 결과 리튬-황 전지는 1 및 5 C에서 각각 998 및 785 mAh g-1라는 높은 율속에서도 높은 용량 및 안정적인 사이클링 성능 발현이 가능하다. Electromagnetic shielding materials and separators for lithium-sulfur batteries prepared using these interconnected graphite nanocubes can exhibit performance of an optimal RL value of -62.1dB at 12.1GHz even with a small amount of interconnected graphite nanocubes as an EM barrier. In addition, as a result of using the graphite nanocube functional separator interconnected by the EC barrier, the lithium-sulfur battery can exhibit high capacity and stable cycling performance even at high rates of 998 and 785 mAh g-1 at 1 and 5 C, respectively.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 형태에 따라 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 합성법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, a method for synthesizing interconnected graphite nanocubes is provided.
상기 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 합성법은 1) 멜라민을 증류수에 용해하여 혼합물을 제조하는 단계, 2) 상기 혼합물에 니켈 수화물과 수산화나트륨을 첨가 및 분산하여 분산액을 제조하는 단계, 3) 상기 분산액을 원심 분리하여 금속-유기화합물을 얻는 단계, 4) 상기 금속-유기화합물을 증류수에 넣고 일정 온도를 가해주어 숙성된 혼합물을 얻는 단계, 5) 상기 숙성된 혼합물을 건조하여 분말을 얻는 단계, 6) 상기 분말을 330 내지 900 ℃의 목표온도까지 승온시키는 단계, 7) 상기 목표온도까지 올라간 분말을 900 ℃에서 추가 열처리하여 탄소 구조체를 얻는 단계 및 8) 상기 열처리하여 얻은 탄소 구조체를 강산으로 식각하는 단계를 포함한다.The synthesis method of the interconnected graphite nanocubes is 1) preparing a mixture by dissolving melamine in distilled water, 2) adding and dispersing nickel hydrate and sodium hydroxide to the mixture to prepare a dispersion, 3) centrifuging the dispersion Separating to obtain a metal-organic compound, 4) adding the metal-organic compound to distilled water and applying a certain temperature to obtain an aged mixture, 5) drying the aged mixture to obtain a powder, 6) Step of heating the powder to a target temperature of 330 to 900 ° C., 7) obtaining a carbon structure by additionally heat-treating the powder raised to the target temperature at 900 ° C., and 8) etching the carbon structure obtained by the heat treatment with a strong acid. include
상기 1)단계의 멜라민과 증류수의 비율은 멜라민이 1.37 중량부 일 때 증류수는 40 중량부이다.The ratio of melamine and distilled water in step 1) is 40 parts by weight of distilled water when melamine is 1.37 parts by weight.
상기 2)단계의 니켈 질산 6 수화물(Nickel nitrate hexahydrate)은 0.42 중량부이고, 수산화 나트륨은 0.3 중량부이다. 분산은 초음파 분산기를 이용하여 5분간 분산시켜주었다. 상기 2)단계에서 니켈 질산 6 수화물과 수산화 나트륨이 반응하여 알파-니켈 하이드록사이드(α-Ni(OH)2)가 형성되고, 멜라민과 상호작용을 통해 금속-유기화합물을 이룬다.Nickel nitrate hexahydrate in step 2) is 0.42 parts by weight, and sodium hydroxide is 0.3 parts by weight. The dispersion was dispersed for 5 minutes using an ultrasonic disperser. In step 2), nickel nitrate hexahydrate reacts with sodium hydroxide to form alpha-nickel hydroxide (α-Ni(OH) 2 ), and forms a metal-organic compound through interaction with melamine.
상기 3)단계의 원심 분리는 10분간 진행하였고, 원심 분리 후 미반응 잔여이온을 제거하고 침전물인 금속-유기화합물을 수득하였다.The centrifugation in step 3) was carried out for 10 minutes, and after centrifugation, unreacted residual ions were removed to obtain metal-organic compounds as precipitates.
상기 4)단계의 침전물을 40 중량부의 증류수에 넣고 85도 대류오븐에 넣고 5시간 숙성한다. 이 과정에서 알파-니켈 하이드록사이드 (α-Ni(OH)2) 구조에서 나이트레이트 이온 (NO3-)이 빠져나와 베타-니켈 하이드록사이드 (β-Ni(OH)2)가 형성되고, 구조에서 빠져나온 나이트레이트 이온은 멜라민과 상호작용하여 멜라민 구조에 남는다.Put the precipitate of step 4) in 40 parts by weight of distilled water, put it in an 85 degree convection oven, and age it for 5 hours. In this process, nitrate ions (NO3 - ) escape from the alpha-nickel hydroxide (α-Ni(OH) 2 ) structure to form beta-nickel hydroxide (β-Ni(OH) 2 ), Nitrate ions released from melamine interact with melamine and remain in the melamine structure.
상기 5)단계의 혼합물을 100도에서 열처리해주어, 녹색의 분말을 얻는다.The mixture of step 5) is heat-treated at 100 degrees to obtain a green powder.
상기 6)단계의 목표온도는 320 내지 1000 ℃이고, 승온 조건은 분당 5 또는 10℃씩 올려주었고, 5℃씩 승온하였을 때의 샘플이 가장 좋다.The target temperature of step 6) is 320 to 1000 ° C, and the temperature is raised by 5 or 10 ° C per minute, and the sample when the temperature is raised by 5 ° C is the best.
상기 7)단계의 추가 열처리는 60, 120 또는 180분간 수행하였고, 180분을 유지하였을 때의 샘플이 가장 좋다.The additional heat treatment in step 7) was performed for 60, 120, or 180 minutes, and samples maintained for 180 minutes are best.
상기 8)단계의 산처리는 1M의 염산(HCl)을 사용하였다.For the acid treatment in step 8), 1M hydrochloric acid (HCl) was used.
본 발명의 다른 형태에 따라 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 이용한 전자파 차폐 소재 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing an electromagnetic wave shielding material using interconnected graphite nanocubes is provided.
상기 전자파 차폐 소재 제조방법은 1) 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 합성하는 단계, 2) 상기 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 파라핀과 혼합하는 단계 및 3) 상기 혼합물을 트로이달 형태로 제작하는 단계를 포함한다. The method of manufacturing the electromagnetic wave shielding material includes 1) synthesizing interconnected graphite nanocubes, 2) mixing the interconnected graphite nanocubes with paraffin, and 3) preparing the mixture in a toroidal form.
상기 1)단계의 상호 연결된 흑연 나노 큐브는 먼저 언급한 상호 연결된 흑연 나노 큐브 합성법을 이용해 합성한다.The interconnected graphite nanocubes of step 1) are synthesized using the above-mentioned interconnected graphite nanocube synthesis method.
상기 2)단계의 상호 연결된 흑연 나노 큐브와 파라핀의 중량비는 흑연 나노 큐브가 5 중량부 일 때 파라핀이 95 중량부이다.The weight ratio of the interconnected graphite nanocubes and paraffin in step 2) is 95 parts by weight of paraffin when the graphite nanocubes are 5 parts by weight.
상기 3)단계에서 흑연 나노 큐브와 파라핀 혼합물을 트로이달 형태로 압축하여 준비한다. 이때 외경 및 내경의 비는 외경이 7 일 때 내경이 3.04이다. 샘플의 두께는 1 내지 4.5 mm이나, 바람직하게는 2.45 mm이다.In step 3), the mixture of graphite nanocubes and paraffin is compressed into a toroidal shape and prepared. At this time, the ratio of the outer diameter to the inner diameter is 3.04 for the inner diameter when the outer diameter is 7. The thickness of the sample is 1 to 4.5 mm, but is preferably 2.45 mm.
본 발명의 다른 형태에 따라 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 이용한 리튬-황 전지의 기능성 분리막으로 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a functional separator for a lithium-sulfur battery using interconnected graphite nanocubes is provided.
상기 리튬-황 전지의 기능성 분리막 제조 방법은 1) 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 합성하는 단계, 2) 상기 상호 연결된 흑연 나노 큐브와 도전재 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, 3) 상기 슬러리를 닥터 블레이드를 이용하여 폴리프로필렌 (PP) 분리막에 코팅하는 단계 및 4) 상기 코팅된 분리막을 진공하에서 건조시키는 단계를 포함한다.The method for manufacturing a functional separator of a lithium-sulfur battery includes 1) synthesizing interconnected graphite nanocubes, 2) preparing a slurry by mixing the interconnected graphite nanocubes, a conductive material and a binder, 3) preparing the slurry coating a polypropylene (PP) separator using a doctor blade; and 4) drying the coated separator under vacuum.
상기 1)단계의 상호 연결된 흑연 나노 큐브는 먼저 언급한 상호 연결된 흑연 나노 큐브 합성법을 이용해 합성한다.The interconnected graphite nanocubes of step 1) are synthesized using the above-mentioned interconnected graphite nanocube synthesis method.
상기 2)단계의 상호 연결된 흑연 나노 큐브와 도전재 및 바인더의 중량비는 상호 연결된 흑연 나노 큐브가 8 중량부 일 때 도전재는 1 중량부이고, 바인더는 1 중량부이다. 혼합물을 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 용액에 분산시키면서 점도를 조절하여 슬러리를 제조한다.In step 2), when the interconnected graphite nanocubes are 8 parts by weight, the conductive material is 1 part by weight and the binder is 1 part by weight. A slurry is prepared by adjusting the viscosity while dispersing the mixture in a N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution.
상기 3)단계의 닥터블레이드를 이용하여 폴리프로필렌(PP) 분리막 위에 슬러리를 10 um 두께로 코팅한다.Using the doctor blade of step 3), the slurry is coated on a polypropylene (PP) separator to a thickness of 10 μm.
상기 4)단계의 코팅된 분리막을 60도의 진공오븐에서 건조시킨다.The coated separator in step 4) is dried in a vacuum oven at 60 degrees.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.
실시예 1.Example 1.
1.37 g의 멜라민(Melamine)을 40ml의 증류수에 용해한 후, 0.42 g의 니켈 질산 6 수화물(Nickel nitrate hexahydrate)와 0.3 g의 수산화나트륨(Sodium hydroxide)을 혼합한다. 이 혼합물을 초음파 분산기로 3분간 분산하여 멜라민 및 알파-니켈 하이드록사이드(α-Ni(OH)2)가 반응한 화합물을 얻는다. 상기 혼합물을 9000 rpm에서 10분간 원심 분리기에서 분리하여 미반응이온을 제거하고 침전물을 얻는다. 이때 샘플명은 α-Ni(OH)2-Mel이다.After dissolving 1.37 g of melamine in 40 ml of distilled water, 0.42 g of nickel nitrate hexahydrate and 0.3 g of sodium hydroxide are mixed. This mixture is dispersed for 3 minutes in an ultrasonic disperser to obtain a compound in which melamine and alpha-nickel hydroxide (α-Ni(OH) 2 ) react. The mixture was separated in a centrifuge at 9000 rpm for 10 minutes to remove unreacted ions and to obtain a precipitate. At this time, the sample name is α-Ni(OH) 2 -Mel.
실시예 2.Example 2.
상기 실시예 1에서 얻은 침전물을 40 ml 증류수에 넣고 85도의 대류오븐에서 5시간 숙성한다. 혼합물을 100도에서 열처리하여, 녹색의 분말을 얻는다. 이때 샘플명은 β-Ni(OH)2-Mel이다.The precipitate obtained in Example 1 was put into 40 ml of distilled water and aged for 5 hours in a convection oven at 85 degrees. The mixture is heat-treated at 100 degrees to obtain a green powder. At this time, the sample name is β-Ni(OH) 2 -Mel.
실시예 3.Example 3.
상기 실시예 2에서 수득한 분말을 박스 퍼니스를 이용해 질소 분위기에서 분당 5℃씩 승온하여 목표온도 330℃까지 승온한다. 이때 샘플명은 Ni@N-IGN_330 이다.The powder obtained in Example 2 was heated at a rate of 5°C per minute in a nitrogen atmosphere using a box furnace to reach a target temperature of 330°C. At this time, the sample name is Ni@N-IGN_330.
실시예 4.Example 4.
상기 실시예 3과 동일하게 수행하되 상기 목표 온도는 목표온도 440℃이고, 이때 샘플명은 Ni@N-IGN_440 이다.It is performed in the same manner as in Example 3, but the target temperature is 440° C., and the sample name is Ni@N-IGN_440.
실시예 5.Example 5.
상기 실시예 4과 동일하게 수행하되 상기 목표 온도는 목표온도 600℃이고, 이때 샘플명은 Ni@N-IGN_600 이다.It is performed in the same manner as in Example 4, but the target temperature is 600° C., and the sample name is Ni@N-IGN_600.
실시예 6.Example 6.
상기 실시예 5과 동일하게 수행하되 상기 목표 온도는 목표온도 900℃이고, 이때 샘플명은 Ni@N-IGN_900 이다.It is performed in the same manner as in Example 5, but the target temperature is 900° C., and the sample name is Ni@N-IGN_900.
실시예 7.Example 7.
상기 실시예 6과 동일하게 수행한 후, 상기 목표 온도에 도달한 샘플을 900℃에서 3시간 동안 추가로 열처리한다. 열처리하여 얻은 탄화물의 구조체 외부에 존재하는 니켈 금속 입자를 제거하기 위해 1M 염산 (HCl) 용액으로 80℃에서 3시간 식각하는 과정을 수행하고, 이때 샘플명은 Ni@N-IGN이다.After the same procedure as in Example 6, the sample reaching the target temperature was additionally heat-treated at 900° C. for 3 hours. In order to remove the nickel metal particles present on the outside of the carbide structure obtained by heat treatment, an etching process was performed at 80 ° C. for 3 hours with a 1M hydrochloric acid (HCl) solution, and the sample name was Ni@N-IGN.
실시예 8.Example 8.
상기 실시예 7을 통해 얻은 Ni@N-IGN 5 wt%와 파라핀 95 wt%를 혼합한다. 혼합물을 압축기를 이용하여 외경이 7 mm, 내경이 3.04 mm 그리고 두께가 2.45 mm 인 트로이달 모양의 샘플을 제작하여 전자파 차폐 재료를 제조한다.5 wt% of Ni@N-IGN obtained in Example 7 and 95 wt% of paraffin were mixed. Using the mixture, a toroidal-shaped sample having an outer diameter of 7 mm, an inner diameter of 3.04 mm, and a thickness of 2.45 mm was prepared using a compressor to prepare an electromagnetic wave shielding material.
실시예 9.Example 9.
상기 실시예 7을 통해 얻은 Ni@N-IGN와 도전재 (Super P) 및 바인더 (Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 8:1:1의 중량비로 N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 용액에 분산시키면서 점도를 조절하여 슬러리를 제조한다. 만들어진 슬러리를 폴리프로필렌 (PP) 분리막 위에 코팅한 후, 60도 진공오븐에 넣어 진공상태에서 12 시간 유지하여 건조한다. 위 과정을 통해 리튬-황 배터리의 기능성 분리막을 제조한다.N-methyl-2-pyrrolidone (N-Methyl- A slurry is prepared by adjusting the viscosity while dispersing in a 2-pyrrolidone, NMP) solution. After coating the prepared slurry on a polypropylene (PP) separator, put it in a vacuum oven at 60 degrees and hold it in a vacuum state for 12 hours to dry it. Through the above process, a functional separator for a lithium-sulfur battery is prepared.
실시예 10.Example 10.
Ketjen Black과 황을 7:3으로 혼합한 후 155℃에서 12시간 열처리하여 제조한 양극 활물질과 도전재 (Super P) 및 바인더 (carboxymethyl cellulose, CMC)를 중량비 8:1:1로 증류수에 분산시키면서 점도를 조절하여 슬러리를 제조한다. 제조한 슬러리를 알루미늄 포일에 코팅한 후 진공 분위기에서 건조하여 리튬-황 전지의 양극을 준비하였다. 드라이 룸 내에서 제조된 양극과 리튬 금속을 음극으로하여 코인 셀을 제조하였고, 상기 실시예 9에서 제조한 기능성 분리막을 사용하였다. After mixing Ketjen Black and sulfur at a ratio of 7:3 and heat-treating at 155℃ for 12 hours, the cathode active material, conductive material (Super P), and binder (carboxymethyl cellulose, CMC) were dispersed in distilled water at a weight ratio of 8:1:1. A slurry is prepared by adjusting the viscosity. After coating the prepared slurry on aluminum foil, it was dried in a vacuum atmosphere to prepare a positive electrode for a lithium-sulfur battery. A coin cell was manufactured using a positive electrode and lithium metal as a negative electrode prepared in a dry room, and the functional separator prepared in Example 9 was used.
비교예 1.Comparative Example 1.
상기 실시예 8과 동일하게 수행하되, 두께를 1 내지 4.5 mm로 조절하여 수행한다.It is carried out in the same manner as in Example 8, but the thickness is adjusted to 1 to 4.5 mm.
비교예 2.Comparative Example 2.
상기 실시예 9와 동일하게 수행하되, 실시예 7에 의해 제조된 상호 연결된 흑연 나노 큐브 대신 단일벽 탄소 나노 튜브 (Single-wall carbon nanotube, SWCNT) 및 다중벽 탄소 나노 튜브 (Multi-wall carbon nanotube, MWCNT )를 이용하여 수행한다.Performed in the same manner as in Example 9, but instead of the interconnected graphite nanocubes prepared in Example 7, single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-wall carbon nanotubes (Multi-wall carbon nanotubes, MWCNT ) is used.
비교예 3.Comparative Example 3.
상기 실시예 10과 동일하게 수행하되, 실시예 9에 의해 제조된 상호 연결된 흑연 나노 큐브 기능성 분리막 대신 비교예 2에 의해 제조된 단일벽 탄소 나노 튜브 (Single-wall carbon nanotube, SWCNT), 다중벽 탄소 나노 튜브 (Multi-wall carbon nanotube, MWCNT) 기능성 분리막 및 기본 폴리프로필렌 (PP) 분리막을 이용하여 수행한다.Performed in the same manner as in Example 10, but instead of the interconnected graphite nanocube functional separator prepared in Example 9, single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) prepared in Comparative Example 2, multi-walled carbon It is performed using a multi-wall carbon nanotube (MWCNT) functional separator and a basic polypropylene (PP) separator.
시험예 1.Test Example 1.
멜라민(Melamine)과 실시예 1 및 2에서 제조한 샘플에 대한 X-선 회절분석, 라만 분석 및 XPS 분석을 진행하였다.X-ray diffraction analysis, Raman analysis, and XPS analysis were performed on melamine and the samples prepared in Examples 1 and 2.
상기 각 샘플의 X-선 회절 패턴은 Ni 베타 필터된 CuKa 방사선 (λ=0.154 nm)을 이용하는 X-선 회절기 (G.N.R. Europe 600)을 이용해 분석되었으며, 라만 분광법은 라만 현미경 (Ramanforce, Nanophoton)을 이용해 진행되었다. XPS (K-Alpha, Thermo Fisher)은 각 샘플의 화학적 조성을 분석하기 위해 진행하였다.The X-ray diffraction pattern of each sample was analyzed using an X-ray diffractometer (G.N.R. Europe 600) using Ni beta-filtered CuKa radiation (λ = 0.154 nm), and Raman spectroscopy was performed using a Raman microscope (Ramanforce, Nanophoton). proceeded using XPS (K-Alpha, Thermo Fisher) was performed to analyze the chemical composition of each sample.
결과는 도 1에 도시하였다.The results are shown in Figure 1.
상기 도 1은 상호 연결된 흑연 나노 큐브 전구체의 성장 거동을 분석하기 위해 질소가 풍부한 유기 전구체인 멜라민과 실시예 1 및 2에서 제조한 샘플인 α-Ni(OH)2-Mel과 β-Ni(OH)2-Mel에 대하여 X-선 회절분석, 라만 분석 및 XPS 분석을 진행한 결과이다.1 shows melamine, a nitrogen-rich organic precursor, and samples prepared in Examples 1 and 2, α-Ni(OH) 2 -Mel and β-Ni(OH), to analyze the growth behavior of interconnected graphite nanocube precursors. ) 2 -Mel is the result of X-ray diffraction analysis, Raman analysis and XPS analysis.
상기 도 1a를 참조하면, 세 샘플 모두 멜라민의 특징적인 피크가 나타났으며, 이는 멜라민이 전구체 준비 과정에서 변하지 않고 원래 구조를 유지했음을 알 수 있다. 실시예 1의 α-Ni(OH)2-Mel 샘플에서 α-Ni(OH)2의 특징적인 피크가 33.8 ° 및 60.3 °에서 관찰되었으며, 이는 (101) 및 (110) 면에 해당한다. 이를 통해 니켈 질산 6 수화물과 NaOH 반응 결과 α-Ni(OH)2가 합성되었음을 나타낸다. 또한 실시예 2의 β-Ni(OH)2-Mel 샘플에서는 33.7 °, 38.8 °, 52.8 ° 및 59.7 °에서 서로 다른 특성 피크를 보였으며, 이는 β-Ni(OH)2의 (100), (101), (102) 및 (110) 면에 해당한다. 이를 통해 실시예 2의 5시간 숙성 과정에서 α-Ni(OH)2이 β-Ni(OH)2로 노화되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 1A, all three samples showed characteristic peaks of melamine, indicating that melamine maintained its original structure without changing during the preparation of the precursor. In the α-Ni(OH) 2 -Mel sample of Example 1, characteristic peaks of α-Ni(OH) 2 were observed at 33.8 ° and 60.3 °, which correspond to the (101) and (110) planes. This indicates that α-Ni(OH) 2 was synthesized as a result of the reaction between nickel nitrate hexahydrate and NaOH. In addition, the β-Ni(OH) 2 -Mel sample of Example 2 showed different characteristic peaks at 33.7 °, 38.8 °, 52.8 ° and 59.7 °, indicating that β-Ni(OH) 2 (100), ( 101), (102) and (110) planes. Through this, it can be seen that α-Ni(OH) 2 was aged to β-Ni(OH) 2 in the 5-hour aging process of Example 2.
상기 도 1b를 참조하면, Raman 분석결과 3500-3700cm-1 범위에서 실시예 1의 α-Ni(OH)2-Mel은 표면 ν(OH)가 우세한 반면, 실시예 2의 β-Ni(OH)2-Mel은 벌크 ν(OH)만을 나타낸다. 이러한 라만 스펙트럼의 변화로부터 노화 단계에서 α-Ni(OH)2 구조에서 물 분자와 음이온이 제거되어 상전이가 발생되었음을 알 수 있다. 또한 실시예 2의 β-Ni(OH)2-Mel에서 1000-1100cm-1 범위의 NO3 -에 해당하는 특성 피크가 사라지지 않음을 통해 구조에서 빠져나온 NO3 -가 제거되지 않고 멜라민에 결합되어 있음을 나타낸다.Referring to FIG. 1b, Raman analysis shows that α-Ni(OH) 2 -Mel of Example 1 is dominated by surface ν(OH) in the range of 3500-3700 cm -1 , whereas β-Ni(OH) of Example 2 2 -Mel represents bulk ν(OH) only. From the changes in the Raman spectrum, it can be seen that a phase transition occurred as water molecules and anions were removed from the α-Ni(OH) 2 structure in the aging step. In addition, the characteristic peak corresponding to NO 3 - in the range of 1000-1100cm-1 in β-Ni(OH) 2 -Mel of Example 2 does not disappear, so that NO 3 - escaped from the structure is not removed and bound to melamine indicates that it is
상기 도 1c를 참조하면, 멜라민 (Melamine)과 실시예 2의 β-Ni(OH)2-Mel의 XPS N1s 분석 결과 실시예 2의 β-Ni(OH)2-Mel에서 멜라민에서 관측되는 -NH2 및 -N=에 해당하는 피크 외에도 -N+H= 및 NO3 -의 추가 피크가 관측된다. 이 결과로부터 노화 단계에서 빠져나온 NO3 - 이온이 양성화된 멜라민과 반응하여 멜라민-NO3 - 가교를 형성하였음을 알 수 있다.Referring to FIG. 1c, as a result of XPS N1s analysis of melamine and β-Ni(OH) 2 -Mel of Example 2, -NH observed in melamine in β-Ni(OH) 2 -Mel of Example 2 In addition to peaks corresponding to 2 and -N=, additional peaks of -N + H= and NO 3 - are observed. From this result, it can be seen that the NO 3 - ions released in the aging step reacted with the protonated melamine to form melamine-NO 3 - crosslinks.
시험예 2.Test Example 2.
실시예 3 내지 6에 따라 제조된 샘플들에 대한 X-선 회절분석, 라만 분석 및 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 분석을 진행한다.X-ray diffraction analysis, Raman analysis, and transmission electron microscopy (TEM) analysis were performed on the samples prepared according to Examples 3 to 6.
상기 각 샘플의 X-선 회절 패턴은 Ni 베타 필터된 CuKa 방사선 (λ=0.154 nm)을 이용하는 X-선 회절기 (G.N.R. Europe 600)을 이용해 분석되었으며, 라만 분광법은 라만 현미경(Ramanforce, Nanophoton)을 이용해 진행한다. TEM (JEM-2100F, JEOL)은 샘플의 미세구조를 관측하기 위해 진행한다.The X-ray diffraction pattern of each sample was analyzed using an X-ray diffractometer (G.N.R. Europe 600) using Ni beta-filtered CuKa radiation (λ = 0.154 nm), and Raman spectroscopy was performed using a Raman microscope (Ramanforce, Nanophoton). proceed using TEM (JEM-2100F, JEOL) is used to observe the microstructure of the sample.
결과는 도 2 및 도 3에 도시한다.Results are shown in FIGS. 2 and 3 .
상기 도 2는 β-Ni(OH)2-Mel의 온도별 탄화 거동을 살펴보기 위해 330, 440, 600 및 900℃ 단위로 열분해를 한 후, 이 샘플들에 대하여 X-선 회절분석 및 라만 분석을 진행한 결과이다.2 shows the thermal decomposition at 330, 440, 600, and 900 ° C to examine the carbonization behavior of β-Ni (OH) 2 -Mel by temperature, and then X-ray diffraction analysis and Raman analysis of these samples. is the result of running
상기 도 2a를 참조하면, 온도별 샘플의 XRD 회절 패턴 분석결과 실시예 3의 β-Ni(OH)2-Mel_330에서는 멜라민의 회절 피크가 감소한 반면 β-Ni(OH)2에 해당하는 피크가 거의 사라진다. 실시예 4의 β-Ni(OH)2-Mel_440의 패턴은 멜렘 (Melem)과 NiO의 형성을 보여준다. 실시예 5의 β-Ni(OH)2-Mel_600의 경우, 질화 탄소 (g-C3N4)는 멜렘의 중합에 의해 형성되고 NiO는 니켈 카바이드로 환원되었음을 알 수 있다. 실시예 6의 β-Ni(OH)2-Mel_900의 분석 결과에서 니켈 금속의 (111)과 (200)면에 해당하는 44.5 °와 52 ° 피크가 나타남을 통해 높은 온도에서 니켈 카바이드가 환원되어 니켈 금속이 형성을 알 수 있고, 26.5 °에서 나타나는 회절 피크로부터 고결정성을 갖는 흑연 구조가 형성되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 2a, as a result of the XRD diffraction pattern analysis of the sample at each temperature, in β-Ni(OH) 2 -Mel_330 of Example 3, the diffraction peak of melamine decreased, whereas the peak corresponding to β-Ni(OH) 2 was almost disappear The pattern of β-Ni(OH) 2 -Mel_440 in Example 4 shows the formation of Melem and NiO. In the case of β-Ni(OH) 2 -Mel_600 of Example 5, it can be seen that carbon nitride (gC 3 N 4 ) was formed by polymerization of melem and NiO was reduced to nickel carbide. As a result of the analysis of β-Ni(OH) 2 -Mel_900 in Example 6, peaks at 44.5 ° and 52 ° corresponding to the (111) and (200) planes of nickel metal appeared, indicating that nickel carbide was reduced at high temperature to nickel It can be seen that metal is formed, and it can be seen from the diffraction peak appearing at 26.5 ° that a graphite structure having high crystallinity is formed.
상기 도 2b를 참조하면, 온도별 샘플의 Raman 분석결과 실시예 3의 β-Ni(OH)2-Mel_330은 1000 cm-1 영역대에서의 triazine skeletal vibrations 와 1170-1740 cm-1 영역대에서 C-N/C=N stretching 피크가 관측되고, 응축된 멜라민 피크가 관측된다. 실시예 4의 β-Ni(OH)2-Mel_440에서는 triazine skeletal vibrations와 C-N/C=N stretching은 날카로워졌고, 멜라민에 해당하는 피크는 사라진다. 또한 NiO에 해당하는 피크가 500 cm-1에서 관측된다. 실시예 5의 β-Ni(OH)2-Mel_600의 경우 700, 1368, 1560 및 3000 cm-1 영역에 해당하는 C-C, D-, G-band가 관측된다. 또한 실시예 6의 β-Ni(OH)2-Mel_900에서 날카로운 G 및 2D 피크가 관측된다. 이로부터 고결정성 흑연이 형성되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 2b, as a result of Raman analysis of the sample at each temperature, β-Ni(OH) 2 -Mel_330 of Example 3 showed triazine skeletal vibrations in the 1000 cm -1 range and CN in the 1170-1740 cm -1 range. /C=N stretching peak is observed, and condensed melamine peak is observed. In β-Ni(OH) 2 -Mel_440 of Example 4, triazine skeletal vibrations and CN/C=N stretching became sharp, and the peak corresponding to melamine disappeared. Also, a peak corresponding to NiO is observed at 500 cm-1. In the case of β-Ni(OH) 2 -Mel_600 of Example 5, CC, D-, and G-bands corresponding to 700, 1368, 1560 and 3000 cm -1 regions are observed. Sharp G and 2D peaks are also observed in β-Ni(OH) 2 -Mel_900 of Example 6. From this, it can be seen that highly crystalline graphite was formed.
상기 도 3은 β-Ni(OH)2-Mel의 온도별 탄화 거동을 살펴보기 위해 330, 440, 600 및 900℃ 단위로 열분해를 한 후, 이 샘플들에 대하여 TEM 분석을 진행한 결과이다.3 is a result of performing TEM analysis on these samples after thermal decomposition at 330, 440, 600, and 900 ° C units to examine the carbonization behavior of β-Ni(OH) 2 -Mel by temperature.
상기 도 3a를 참조하면, 실시예 3의 β-Ni(OH)2-Mel_330은 응축된 멜라민 구조를 보인다.Referring to FIG. 3a, β-Ni(OH) 2 -Mel_330 of Example 3 shows a condensed melamine structure.
상기 도 3b를 참조하면, 실시예 4의 β-Ni(OH)2-Mel_440은 더욱 응축되어 겹쳐진 멜렘 (Melem) 시트구조가 관측된다.Referring to FIG. 3B, the β-Ni(OH) 2 -Mel_440 of Example 4 was further condensed and an overlapping melem sheet structure was observed.
상기 도 3c를 참조하면, 실시예 5의 β-Ni(OH)2-Mel_600은 둥근 검은 입자가 관측되는데, 이는 니켈 카바이드 나노 입자들이다. 또한 질화탄소 (g-C3N4)가 니켈 카바이드 나노 입자 주변으로 독특한 일차원 구조로 성장되기 시작한다.Referring to FIG. 3c, round black particles of β-Ni(OH) 2 -Mel_600 of Example 5 are observed, which are nickel carbide nanoparticles. Also, carbon nitride (gC 3 N 4 ) begins to grow in a unique one-dimensional structure around the nickel carbide nanoparticles.
상기 도 3d를 참조하면, 실시예 6의 β-Ni(OH)2-Mel_900은 질화탄소 (g-C3N4)가 모두 분해되어 전체적으로 균일한 1차원 흑연 구조가 형성된다. 1차원 흑연 구조는 큐브가 상호 연결된 구조를 보이며, 고결정성 흑연 구조를 보인다. 또한 구조 내부에 니켈 카바이드로부터 환원되어 형성된 니켈 나노 입자가 관측된다.Referring to FIG. 3D, in β-Ni(OH) 2 -Mel_900 of Example 6, all of the carbon nitride (gC 3 N 4 ) is decomposed to form a uniform one-dimensional graphite structure as a whole. The one-dimensional graphite structure shows a structure in which cubes are interconnected, and shows a highly crystalline graphite structure. Also, nickel nanoparticles formed by reduction from nickel carbide were observed inside the structure.
시험예 3.Test Example 3.
상기 실시예 7에 따라 제조된 샘플에 대한 X-선 회절분석, 라만 분석, XPS 분석, 질소 등온 흡착 분석 및 투과전자현미경 (TEM) 분석을 진행한다.X-ray diffraction analysis, Raman analysis, XPS analysis, nitrogen isothermal adsorption analysis, and transmission electron microscopy (TEM) analysis were performed on the sample prepared in Example 7.
상기 각 샘플의 X-선 회절 패턴은 Ni 베타 필터된 CuKa 방사선 (λ=0.154 nm)을 이용하는 X-선 회절기 (G.N.R. Europe 600)을 이용해 분석되었으며, 라만 분광법은 라만 현미경 (Ramanforce, Nanophoton)을 이용해 진행한다. XPS 분석(K-Alpha, Thermo Fisher)은 샘플의 화학적 조성을 확인하기위해 진행하며, 질소 등온 흡착 분석은 샘플의 비표면적 및 기공 사이즈 분석을 위해 진행한다. TEM (JEM-2100F, JEOL) 분석은 샘플의 미세구조를 관측하기 위해 진행한다.The X-ray diffraction pattern of each sample was analyzed using an X-ray diffractometer (G.N.R. Europe 600) using Ni beta-filtered CuKa radiation (λ = 0.154 nm), and Raman spectroscopy was performed using a Raman microscope (Ramanforce, Nanophoton). proceed using XPS analysis (K-Alpha, Thermo Fisher) is performed to confirm the chemical composition of the sample, and nitrogen isothermal adsorption analysis is performed to analyze the specific surface area and pore size of the sample. TEM (JEM-2100F, JEOL) analysis proceeds to observe the microstructure of the sample.
결과는 도 4 및 5에 도시한다.Results are shown in Figures 4 and 5.
상기 도 4a 와 도 4b를 참조하면, 실시예 7 (Ni@N-IGN)의 X-선회절 분석을 한 결과 뾰족한 (002) 패턴이 관측됨에 따라 산 처리단계에서 구조가 무너지지 않았음을 알 수 있고, 니켈 금속의 (111)과 (200)면에 해당하는 회절 패턴이 나타남을 통해 산 처리 과정에서 구조 밖에 존재하는 니켈 금속은 제거되고 구조 내부에 존재하는 니켈 금속은 여전히 남아 있음을 알 수 있다. 또한 라만 분석 결과 G, 2D-band가 여전히 관측됨을 통해 고결정성 흑연 구조가 무너지지 않았음을 확인했다.Referring to FIGS. 4A and 4B, as a result of X-ray diffraction analysis of Example 7 (Ni@N-IGN), a sharp (002) pattern was observed, indicating that the structure did not collapse during the acid treatment step. Through the appearance of diffraction patterns corresponding to the (111) and (200) planes of nickel metal, it can be seen that nickel metal present outside the structure is removed during the acid treatment process, and nickel metal present inside the structure still remains. . In addition, as a result of Raman analysis, the G and 2D-bands were still observed, confirming that the highly crystalline graphite structure had not collapsed.
상기 도 4c를 참조하면, 실시예 7 (Ni@N-IGN)의 XPS N1s 분석 결과를 통해 질소의 함량이 3.85 at% 임을 확인했고, XPS N1s 디콘볼루션을 통해 질소 종 중에서 촉매성능이 좋은 Pyridinic N 및 Pyrrolic N이 주를 이루고 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4c, the XPS N1s analysis result of Example 7 (Ni@N-IGN) confirmed that the nitrogen content was 3.85 at%, and through XPS N1s deconvolution, Pyridinic, which has good catalytic performance among nitrogen species, was confirmed. It can be seen that N and Pyrrolic N form the main.
상기 도 4 d를 참조하면, 실시예 7 (Ni@N-IGN)의 질소 등온 흡착 곡선 및 기공 사이즈 분석을 통해 비표면적이 278.32 m2g-1이고, 대부분의 기공 사이즈가 3-4 nm로 이루어져 있음을 확인하였다. Referring to FIG. 4d, through the nitrogen isothermal adsorption curve and pore size analysis of Example 7 (Ni@N-IGN), the specific surface area was 278.32 m 2 g -1 and most of the pore sizes were 3-4 nm. It was confirmed that it was made.
상기 도 5를 참조하면, 실시예 7 (Ni@N-IGN)의 TEM 분석 결과를 통해 균일하게 형성된 일차원 상호 연결된 흑연 나노 큐브 구조가 형성되었음을 확인했다. 고해상도 TEM 이미지를 이용해 면간 거리를 측정한 결과 어두운 부분은 0.20 nm로 Ni (111)면에 해당하고 구조를 이루고 있는 껍질 부분은 0.34 nm로 C (002)면에 해당함을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it was confirmed through the TEM analysis result of Example 7 (Ni@N-IGN) that a uniformly formed one-dimensional interconnected graphite nanocube structure was formed. As a result of measuring the interplanar distance using a high-resolution TEM image, it can be seen that the dark part corresponds to the Ni (111) plane at 0.20 nm and the shell part that forms the structure corresponds to the C (002) plane at 0.34 nm.
시험예 4.Test Example 4.
상기 실시예 8 및 비교예 1에 따라 제조한 1 내지 4.5 mm 두께를 갖는 전자파 차폐 소재에 대한 유전율, 투자율 및 자기 손실 (Reflection loss, RL)을 측정하였다. 실시예 8 및 비교예 1의 전자파 차폐 소재들은 전도성 물질의 유전율과 투자율은 직접 측정할 수 없기 때문에, 절연 파라핀과 Ni@N-IGN을 혼합하여 전자파 차폐 소재를 제작하였다.Permittivity, magnetic permeability, and magnetic loss (Reflection loss, RL) of the electromagnetic wave shielding material having a thickness of 1 to 4.5 mm prepared according to Example 8 and Comparative Example 1 were measured. Since the electromagnetic wave shielding materials of Example 8 and Comparative Example 1 cannot directly measure the permittivity and magnetic permeability of the conductive material, the electromagnetic wave shielding materials were prepared by mixing insulating paraffin and Ni@N-IGN.
분석결과는 도 6 및 도 7에 도시한다.The analysis results are shown in FIGS. 6 and 7 .
상기 도 6a를 참조하면, 실시예 8의 두께가 2.45 mm인 전자파 차폐 소재의 실수 유전율 및 허수 유전율은 각각 0.5 내지 18 GHz 주파수 영역대에서 각각 6 내지 10 및 1 내지 3 범위의 값을 보인다. 이는 EM파 흡수 필름에 적합한 값이다. 12 GHz 부근의 주파수 영역대에서 실수 유전율은 감소하고 허수 유전율은 증가하는 것이 관측된다. 이는 니켈 나노 입자와 흑연 나노 큐브 사이 계면에서의 전하 축적으로 인한 계면 분극과 다중성 구조로부터 유도되는 다중 반사로부터 나타난다.Referring to FIG. 6A, the real permittivity and imaginary permittivity of the electromagnetic wave shielding material having a thickness of 2.45 mm of Example 8 show values in the ranges of 6 to 10 and 1 to 3, respectively, in the 0.5 to 18 GHz frequency range. This is a value suitable for an EM wave absorbing film. It is observed that the real permittivity decreases and the imaginary permittivity increases in the frequency domain around 12 GHz. This results from interfacial polarization due to charge accumulation at the interface between nickel nanoparticles and graphite nanocubes and multiple reflections induced from the multilayer structure.
상기 도 6b를 참조하면, 실시예 8의 두께가 2.45 mm인 전자파 차폐 소재의 실수 투자율 및 허수 투자율은 X-밴드(8-12 GHz) 영역에 대해 각각 ~1.07 및 ~0.05 값을 보인다. 이는 구조 내부의 니켈 나노 입자의 존재로부터 기인한다. Referring to FIG. 6B, the real permeability and imaginary permeability of the electromagnetic wave shielding material having a thickness of 2.45 mm of Example 8 show values of -1.07 and -0.05, respectively, in the X-band (8-12 GHz) region. This is due to the presence of nickel nanoparticles inside the structure.
상기 도 6c를 참조하면, 자기손실은 측정된 유전율과 투자율로부터 다음의 공식으로부터 계산되었다.Referring to FIG. 6C, the magnetic loss was calculated from the measured permittivity and magnetic permeability using the following formula.
12 GHz 영역대의 실수 유전율 감소 및 높은 투자율로부터 12 GHz에서 RL 피크가 나타난다. 두께가 2.45 mm 일 때 12.1 GHz에서 -62.1 dB의 최적 RL 값을 보인다.The RL peak appears at 12 GHz from the decrease in real permittivity and high permeability in the 12 GHz region. When the thickness is 2.45 mm, the optimal RL value of -62.1 dB is shown at 12.1 GHz.
상기 도 7a를 참조하면, 실시예 8 및 비교예 1에서 제조한 1 내지 4.5 mm 두께의 전자파 차폐 소재에 대한 0.5-18 GHz 주파수 영역대의 RL 측정값을 도시한다.Referring to FIG. 7A, RL measurement values in the 0.5-18 GHz frequency range for the electromagnetic wave shielding materials having a thickness of 1 to 4.5 mm manufactured in Example 8 and Comparative Example 1 are shown.
상기 도 7b를 참조하면, 비교예 1에서 제조한 1내지 4.5 mm 두께의 전자파 파장 흡수를 다음의 1/4 파장 매칭 모델로 평가하였다.Referring to FIG. 7B, electromagnetic wave absorption of the thickness of 1 to 4.5 mm prepared in Comparative Example 1 was evaluated by the following 1/4 wavelength matching model.
여기서 tm은 EM 파장 흡수 필름의 두께, c는 광속, fm은 두께에서 최적 RL 값에 해당하는 주파수이다. 상기 도 7b에 도시된 그래프로부터 1/4 파장 매칭 모델에서 계산된 두께와 최적 RL 값이 잘 일치함을 알 수 있다.where t m is the thickness of the EM wavelength absorbing film, c is the luminous flux, and f m is the frequency corresponding to the optimal RL value in the thickness. From the graph shown in FIG. 7B, it can be seen that the thickness calculated by the 1/4 wavelength matching model and the optimal RL value are well matched.
시험예 5.Test Example 5.
상기 실시예 9에 따라 제조한 Ni@N-IGN기반 기능성 분리막의 폴리 설파이드와의 상호 작용 및 촉매능을 확인하기 위해 폴리설파이드 용액에 흡착테스트를 한 후 측정한 UV-vis spectroscopy, TEM 및 EDX 분석, XPS 및 폴리 설파이드 확산 실험을 진행하였다.UV-vis spectroscopy, TEM and EDX analysis measured after an adsorption test on a polysulfide solution to confirm the interaction and catalytic ability of the Ni@N-IGN-based functional separation membrane prepared in Example 9 with polysulfide , XPS and polysulfide diffusion experiments were conducted.
상기 수행 결과는 도 8에 도시하였다.The above results are shown in FIG. 8 .
상기 도 8a를 참조하면, 실시예 9 및 비교예 2에서 제조한 Ni@N-IGN, MWCNT 및 SWCNT기반 기능성 분리막에 대하여 폴리 설파이드 용액에 흡착테스트를 한 결과와 흡착 후 용액의 UV-vis spectroscopy를 결과를 도시하였다. 8a에 삽입된 사진을 통해 Ni@N-IGN을 포함한 용액은 흡착 테스트 후 투명해졌고, MWCNT 및 SWCNT를 포함한 용액은 폴리 설파이드와 동일하게 갈색임을 확인했다. 용액들의 UV-vis 분광 측정결과 250~300 nm 영역에서의 흡광도 비교를 통해 MWCNT 및 SWCNT에 비해 Ni@N-IGN기반 기능성 분리막의 우수한 흡착 성능을 확인하였다.Referring to FIG. 8A, the results of the adsorption test on the polysulfide solution for the Ni@N-IGN, MWCNT, and SWCNT-based functional separation membranes prepared in Example 9 and Comparative Example 2 and the UV-vis spectroscopy of the solution after adsorption Results are shown. 8a, it was confirmed that the solution containing Ni@N-IGN became transparent after the adsorption test, and the solution containing MWCNTs and SWCNTs was brown, the same as polysulfide. As a result of UV-vis spectroscopic measurement of the solutions, the superior adsorption performance of the Ni@N-IGN-based functional separator was confirmed compared to MWCNT and SWCNT through comparison of absorbance in the 250 ~ 300 nm region.
상기 도 8b를 참조하면, 실시예 9에서 제조한 Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막에 대하여 폴리 설파이드 용액에 흡착테스트를 진행한 후 측정한 분리막 TEM 및 EDX 이미지이다. 황 원소 매핑 결과를 통해 Ni@N-IGN의 표면과 내부에 폴리 설파이드가 잘 흡착되었음을 알 수 있다. 이는 Ni@N-IGN의 질소의 존재로부터 폴리 설파이드와의 표면 화학적 상호 작용이 개선되었고, 다공성 기공이 리튬 폴리설파이드 저장소로 이용되었기 때문이다.Referring to FIG. 8B , TEM and EDX images of the membrane were measured after performing an adsorption test on the polysulfide solution for the Ni@N-IGN-based functional membrane prepared in Example 9. Through the elemental sulfur mapping results, it can be seen that polysulfide is well adsorbed on the surface and inside of Ni@N-IGN. This is because the surface chemical interaction with polysulfide is improved from the presence of nitrogen in Ni@N-IGN, and the porous pores are used as lithium polysulfide reservoirs.
상기 도 8c 및 8d를 참조하면, 실시예 9에서 제조한 Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막에 대하여 폴리 설파이드 용액에 흡착테스트를 진행한 후 측정한 XPS Li 1s 및 S 2p 그래프이다. 도 8c의 Li 1s 스펙트럼은 Li-S 및 Li-N에 해당하는 54.7 및 55.7 eV에서 두 피크가 관측된다. 폴리 설파이드가 표면 질소와의 화학적 상호작용을 통해 표면에 잡혀있음을 알 수 있다. 도 8d의 S 2p 스펙트럼은 폴리설파이드에 해당하는 피크가 163.58 및 164.9 eV에 나타났으며, 두 피크 외의 thiosulfate 및 polythionate 종에 해당하는 167.3, 168.1, 168.8 및 169.9 eV 피크가 관측됨을 통해, Ni@N-IGN기반 기능성 분리막을 통해 폴리 설파이드의 표면 산화 환원 반응이 촉진되었음을 알 수 있다.Referring to FIGS. 8C and 8D , these are
상기 도 8e를 참조하면, 실시예 9에서 제조한 Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막에 대하여 폴리 설파이드 확산 실험 진행 사진이다. 가운데에 기능성 분리막을 두고 한쪽에는 폴리 설파이드 용액, 한쪽에는 증류수를 두고 확산실험을 진행하였다. 실험 진행결과 12h 경과 후에도 증류수의 색이 변하지 않음을 통해 Ni@N-IGN기반 기능성 분리막이 폴리 설파이드 용출을 효과적으로 억제함을 알 수 있다.Referring to FIG. 8E, it is a photograph of a polysulfide diffusion experiment progressing with respect to the Ni@N-IGN-based functional separator prepared in Example 9. A diffusion experiment was conducted with a functional separator in the middle, a polysulfide solution on one side, and distilled water on one side. As a result of the experiment, the color of the distilled water did not change even after 12 h, indicating that the Ni@N-IGN-based functional separation membrane effectively inhibited polysulfide elution.
시험예 6.Test Example 6.
상기 실시예 10 및 비교예 3에 따라 제조한 Ni@N-IGN, SWCNT, MWCNT 기반 기능성 분리막 및 일반 PP 분리막을 도입한 리튬-황 전지에 대한 전기화학적 특성 분석을 위해 CV test, 율속 성능 테스트, 충/방전 전압 곡선 측정 및 사이클 성능 테스트를 진행하였다. CV test, rate performance test, A charge/discharge voltage curve measurement and a cycle performance test were conducted.
상기 수행 결과는 도 9 및 도 10에 도시하였다.The performance results are shown in FIGS. 9 and 10 .
상기 도 9a를 참조하면, Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막을 도입한 리튬-황 전지의 CV 곡선에서 음극 스캔에서 두 개의 명확한 환원 피크와 양극 스캔에서 두 개의 산화 피크가 관측된다. 피크 I 및 II는 S8이 LiPS (Li2Sx, 4 ≤ x ≤ 8) 및 Li2S로 단계적으로 감소됨을 나타낸다. 양극 스캔에서 보이는 피크 III 및 IV은 단계적 산화가 진행됨을 나타낸다. 또한 높은 스캔 속도에서도 명확한 산화 환원 피크가 나타나는 것을 통해 Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막의 안정적인 전기화학적 가역성을 나타낸다.Referring to FIG. 9A, in the CV curve of the lithium-sulfur battery incorporating the Ni@N-IGN-based functional separator, two clear reduction peaks in the cathode scan and two oxidation peaks in the cathode scan are observed. Peaks I and II indicate a stepwise reduction of S8 to LiPS (LiSx, 4 ≤ x ≤ 8) and LiS. Peaks III and IV seen in the anodic scan indicate stepwise oxidation proceeding. In addition, the stable electrochemical reversibility of the Ni@N-IGN-based functional membrane is shown through the appearance of clear redox peaks even at high scan rates.
상기 도 9b를 참조하면, 일반 PP 분리막, MWCNT 및 Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막을 도입한 리튬-황 전지에 대한 전기 화학적 성능 평가를 위해 0.2 내지 5 C (1C=1672 mAg-1)에서 율속 성능 테스트를 진행한 결과이다. PP 분리막 및 MWCNT 기반의 기능성 분리막을 도입한 리튬-황 전지의 경우에는 고율에서 작동하지 않음 및 낮은 용량 특성을 보인다는 단점이 있었으나, Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막을 도입한 리튬-황 전지에서는 현저하게 향상된 비 용량, 속도 성능 및 안정적인 쿨롱 효울을 보였다. Ni@N-IGN 분리기 셀은 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4 및 5C에서 1323, 1069, 998, 914, 866, 826 및 785mAh g-1의 가장 높은 평균 비 용량을 보였다.Referring to FIG. 9B, for the evaluation of electrochemical performance of a lithium-sulfur battery incorporating a general PP separator, MWCNT and Ni@N-IGN-based functional separator, rate control at 0.2 to 5 C (1C = 1672 mAg -1 ) This is the result of the performance test. In the case of lithium-sulfur batteries using PP separators and MWCNT-based functional separators, they did not operate at high rates and showed low capacity characteristics, but in lithium-sulfur batteries using Ni@N-IGN-based functional separators It showed significantly improved specific capacity, rate performance and stable Coulombic efficiency. Ni@N-IGN separator cells showed the highest average specific capacities of 1323, 1069, 998, 914, 866, 826 and 785 mAh g-1 at 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4 and 5C.
상기 도 9c를 참조하면, Ni@N-IGN 기반 기능성 분리막을 도입한 리튬-황 전지의 전압 프로파일에서 고율에서도 반응 평탄면이 사라지지 않고 유지됨을 통해 안정적으로 반응이 진행됨을 확인할 수 있습니다.Referring to FIG. 9c, it can be confirmed that the reaction proceeds stably as the reaction flat surface is maintained without disappearing even at a high rate in the voltage profile of the lithium-sulfur battery in which the Ni@N-IGN-based functional separator is introduced.
상기 도 10을 참조하면, Ni@N-IGN 분리기 셀은 1,3 및 5C의 율속에서 진행한 300 사이클의 테스트에서 1067, 850 및 814 mAh g-1의 초기 방전 용량을 나타내었고, 각각 사이클 후에 1, 3 및 5 C에서 300 사이클 후 874, 714, 644 mAh g-1을 보존했다. 사이클 테스트를 통해 Ni@N-IGN 분리기 셀이 고율 및 오랜 사이클 후에도 셀이 안정적으로 구동됨을 보여준다.Referring to FIG. 10, the Ni@N-IGN separator cell exhibited initial discharge capacities of 1067, 850, and 814 mAh g -1 in tests of 300 cycles at rates of 1,3, and 5C, respectively, after each cycle. 874, 714, and 644 mAh g −1 were preserved after 300 cycles at 1, 3 and 5 C. Cycle tests show that the Ni@N-IGN separator cell runs stably even after high rates and long cycles.
상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.Above, a specific part of the present invention has been described in detail, and for those skilled in the art, it is clear that these specific descriptions are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (10)
2) 상기 혼합물에 니켈 질산 6수화물(Nickel nitrate hexahydrate)과 수산화나트륨(Sodium hydroxide)을 첨가 및 분산하여 분산액을 얻는 단계; 및
3) 상기 분산액을 원심 분리하여 금속-유기화합물을 얻는 단계;
4) 상기 금속-유기화합물 숙성시키는 단계;
5) 숙성된 금속-유기화합물을 90 내지 110 ℃ 온도에서 열처리하여 분말을 얻는 단계;
6) 상기 분말을 300 내지 1000 ℃ 온도까지 승온시키는 단계;
7) 상기 승온시킨 분말을 900 내지 950 ℃ 온도에서 추가 열처리하는 단계; 및
8) 상기 7) 단계에 의해 얻어진 탄화물 구조체를 염산 용액을 사용하여 식각하는 단계; 를 포함하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.1) preparing a mixture by dissolving melamine in distilled water;
2) obtaining a dispersion by adding and dispersing nickel nitrate hexahydrate and sodium hydroxide to the mixture; and
3) obtaining a metal-organic compound by centrifuging the dispersion;
4) aging the metal-organic compound;
5) obtaining a powder by heat-treating the aged metal-organic compound at a temperature of 90 to 110 °C;
6) heating the powder to a temperature of 300 to 1000 °C;
7) further heat-treating the heated powder at a temperature of 900 to 950 °C; and
8) etching the carbide structure obtained in step 7) using a hydrochloric acid solution; Method for producing interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen.
상기 2) 단계에서 니켈 질산 6수화물 및 수산화나트륨은, 상기 1) 단계의 멜라민 100 중량부일 때, 상기 니켈 질산 6수화물 40 내지 50 중량부 및 수산화나트륨 20 내지 40 중량부인 것을 특징으로 하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.According to claim 1,
Nickel nitrate hexahydrate and sodium hydroxide in step 2) are 40 to 50 parts by weight of nickel nitrate hexahydrate and 20 to 40 parts by weight of sodium hydroxide when 100 parts by weight of melamine in step 1) Nickel and nitrogen, characterized in that Method for producing interconnected graphite nanocubes comprising a.
상기 2) 단계에서 분산은 초음파 분산기로 2분 내지 4분간 분산하는 것을 특징으로 하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.According to claim 1,
The dispersion in step 2) is a method for producing interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen, characterized in that the dispersion for 2 to 4 minutes with an ultrasonic disperser.
상기 3) 단계의 원심 분리는 8500 내지 9500 rpm에서 8 내지 12 분간 진행하는 것을 특징으로 하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.According to claim 1,
The centrifugation of step 3) is a method for producing interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen, characterized in that proceeding at 8500 to 9500 rpm for 8 to 12 minutes.
상기 4) 단계의 숙성은 상기 3) 단계에 의해 제조된 금속-유기화합물을 증류수에 넣고 80 내지 90 ℃의 온도에서 4 내지 6시간 동안 숙성시키는 것을 특징으로 하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.According to claim 1,
Aging in step 4) is performed by putting the metal-organic compound prepared in step 3) in distilled water and aging it at a temperature of 80 to 90 ° C for 4 to 6 hours, characterized in that the interconnected graphite containing nickel and nitrogen. Manufacturing method of nanocubes.
상기 6) 단계의 승온은 질소기체(N2)로 충전된 퍼니스(furnace)에서 5℃/min의 속도로 300 내지 1000 ℃ 온도까지 승온시키는 것을 특징으로 하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.According to claim 1,
In step 6), the temperature is raised to a temperature of 300 to 1000 ° C at a rate of 5 ° C / min in a furnace filled with nitrogen gas (N 2 ), characterized in that the interconnected graphite nanoparticles containing nickel and nitrogen How to make cubes.
상기 7) 단계의 열처리는 2시간 내지 4시간 동안 추가로 열처리하는 것을 특징으로 하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.According to claim 1,
The heat treatment in step 7) is a method for producing interconnected graphite nanocubes containing nickel and nitrogen, characterized in that additional heat treatment for 2 to 4 hours.
상기 8) 단계의 식각은 상기 탄화물 구조체에 0.5 내지 1.5 M 염산 용액으로 75 내지 85 ℃ 온도에서 2 내지 4시간 동안 식각하여 상기 탄화물 구조체 외부에 존재하는 니켈 금속 입자를 제거하는 것을 특징으로 하는 니켈 및 질소를 포함하는 상호 연결된 흑연 나노 큐브의 제조방법.According to claim 1,
In the etching of step 8), the carbide structure is etched with a 0.5 to 1.5 M hydrochloric acid solution at a temperature of 75 to 85 ° C for 2 to 4 hours to remove nickel metal particles present on the outside of the carbide structure Nickel and A method for producing interconnected graphite nanocubes containing nitrogen.
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2021
- 2021-07-15 KR KR1020210092985A patent/KR102647488B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR102647488B1 (en) | 2024-03-13 |
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