KR20230043661A - Manufacturing Method of Carbon Nano Tube Electrode For Lithium-sulfur Battery And Sulfur Deposited Carbon Nano Tube Cathode, And Lithium-sulfur Battery Comprising The Same - Google Patents

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Abstract

A method for manufacturing a carbon nanotube electrode structure for supporting sulfur is disclosed. The present invention provides a method for manufacturing a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, including the steps of: (a) growing carbon nanotubes on a substrate to form a carbon nanotube array in which a plurality of carbon nanotubes are arranged; and (b) opening an end of the carbon nanotubes of the array and forming defects on the surface of the carbon nanotubes of the array.

Description

리튬 황 전지용 탄소나노튜브 및 황 담지 탄소나노튜브 양극의 제조방법, 이에 의해 제조된 탄소나노튜브 양극을 포함하는 리튬 황 전지{Manufacturing Method of Carbon Nano Tube Electrode For Lithium-sulfur Battery And Sulfur Deposited Carbon Nano Tube Cathode, And Lithium-sulfur Battery Comprising The Same}Manufacturing Method of Carbon Nano Tube Electrode For Lithium-sulfur Battery And Sulfur Deposited Carbon Nano Tube Cathode, And Lithium-sulfur Battery Comprising The Same}

본 발명은 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 전극의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 황 담지용 탄소나노튜브 전극 구조체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a carbon nanotube (CNT) electrode, and more particularly, to a method for manufacturing a carbon nanotube electrode structure for supporting sulfur.

웨어러블(Wearable) 시장이 점차 확대되면서, 다양한 크기와 형태를 갖는 플렉시블(Flexible) 기기의 발전 또한 가속화되고 있다. 이에, 각종 모바일 디바이스 및 EV(Electric Vehicle), ESS(Energy Storage System) 등에도 적용할 수 있는 형태의 고밀도 에너지를 갖는 플렉시블 전지의 개발이 시급한 실정이다.As the wearable market gradually expands, the development of flexible devices having various sizes and shapes is also accelerating. Accordingly, there is an urgent need to develop flexible batteries having high-density energy that can be applied to various mobile devices, EVs (Electric Vehicles), and ESSs (Energy Storage Systems).

현재까지 플렉시블 전지는 전지의 유연성 확보를 위해, 박막형, 종이/섬유형 케이블형 등으로 개발되었으나, 에너지 밀도가 낮고 내구성이 약하며 용량이 제한적인 등의 문제가 있었다.Until now, flexible batteries have been developed in thin film, paper/fiber, cable, etc. to secure flexibility of batteries, but have problems such as low energy density, poor durability, and limited capacity.

따라서, 플레시블 기기에 적용하기 위한 유연성을 유지하면서 고밀도, 고용랑 전지를 제조하기 위해, 집전체의 두께 및 무게를 최소화하려는 시도가 있었으나, 집전체의 두께가 얇아지면서 전해액 및 주변 전지 구성 물질에 영향을 미쳐 전지의 열화현상을 가속화시키는 문제가 있었다.Therefore, in order to manufacture a high-density, high-flux battery while maintaining flexibility for application to flexible devices, attempts have been made to minimize the thickness and weight of the current collector, but as the thickness of the current collector becomes thinner, the electrolyte and surrounding battery constituent materials There was a problem of accelerating the deterioration of the battery by affecting it.

또한, 플렉시블 전지에서 유연성 확보를 위해 탄소계 물질인 CNT(Carbon Nano Tube), CNF(Carbon Nano Fiber), 그래핀(Graphene) 등을 집전체로 사용하는 연구가 보고되고 있으나, 탄소계 물질을 집전체로 사용하는 경우는 전극의 기계적 강도가 약해 대면적화하거나 상용화하기에는 어려움이 있다.In addition, studies using carbon-based materials such as CNT (Carbon Nano Tube), CNF (Carbon Nano Fiber), and graphene as current collectors have been reported to secure flexibility in flexible batteries, but carbon-based materials are used as current collectors. When used as a whole, the mechanical strength of the electrode is weak, so it is difficult to commercialize or use it in a large area.

한편, 이론 용량이 큰 리튬이차전지용 양극 활물질로 황을 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 리튬-황 전지를 플레시블 기기에 적용하기 위해 집전체의 함량을 줄이고 도전재의 함량을 높일 경우, 전도성이 낮은 황 기반 양극 활물질로 인해 충방전 시 전자 전달이 원활하지 않아 고성능 확보가 어려운 문제가 있었다. 또한, 황을 양극 활물질로 사용할 경우, 산화-환원 반응 시 황이 전해질로 유출되어 전지 수명이 열화될 뿐 아니라, 황의 환원 물질인 리튬 폴리설파이드가 용출되어 분리막을 투과하여 음극쪽으로 넘어가면서 음극으로 사용하는 리튬금속 표면에서 비가역 반응 물질인 최종 고체상태의 단분자(Li2S2, Li2S)로 산화되거나 산소와의 반응을 통한 Li2O 내지 전해액 물질의 분해산물과의 반응을 통한 리튬황화합물을 생성하여 반응에 참여 가능한 황과 리튬의 양을 고갈 시킴으로써 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제점이 있었다.On the other hand, research on the use of sulfur as a cathode active material for lithium secondary batteries with large theoretical capacity is being actively conducted. Due to the low sulfur-based cathode active material, it is difficult to secure high performance due to poor electron transfer during charging and discharging. In addition, when sulfur is used as a cathode active material, not only does sulfur flow into the electrolyte during the oxidation-reduction reaction, which deteriorates battery life, but also lithium polysulfide, a reducing material of sulfur, is eluted and passes through the separator to the anode, which is used as an anode. On the surface of lithium metal, lithium sulfur compounds are oxidized to final solid-state single molecules (Li 2 S 2 , Li 2 S), which are irreversible reactants, or Li 2 O through reaction with oxygen or reaction with decomposition products of electrolyte materials. There was a problem in that the amount of sulfur and lithium that can be generated and participate in the reaction is depleted, so that they can no longer participate in the electrochemical reaction.

더구나, 최근 전지의 용량이 증가함에 따라 전지의 경량화와 충전시 요구되는 빠른 충전속도를 재현할 수 있는 전극 소재 및 전극 구조에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다. 이에 다양한 종류의 차세대 전지 중 리튬-황 전지의 활용성이 대두됨에 따라 리튬-황 전지의 성능을 개선 시킬 수 있는 전극 구조체에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.Moreover, as the capacity of batteries has recently increased, interest in electrode materials and electrode structures that can reproduce the fast charging speed required for lightening batteries and charging is increasing. Accordingly, as the utilization of lithium-sulfur batteries among various types of next-generation batteries has emerged, development of electrode structures capable of improving the performance of lithium-sulfur batteries has been continuously conducted.

USUS 2013-00651282013-0065128 AA KRKR 10-169805210-1698052 BB KRKR 10-2019-009840110-2019-0098401 AA

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 황을 안정적으로 담지할 수 있는 리튬-황 전지용 탄소나노튜브(CNT) 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a carbon nanotube (CNT) electrode for a lithium-sulfur battery capable of stably supporting sulfur.

또한, 본 발명은 황의 환원 물질인 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제할 수 있는 리튬-황 전지용 탄소나노튜브 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a carbon nanotube electrode for a lithium-sulfur battery capable of suppressing the elution of lithium polysulfide, which is a sulfur reducing material.

또한, 본 발명은 CNT 기반의 황 담지체의 표면을 개질하여 리튬-황 전지의 고질적인 전기화학적 반응 상의 문제점을 해결하는 리튬-황 전지용 탄소나노튜브 양극을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a carbon nanotube positive electrode for a lithium-sulfur battery that solves the problem of the electrochemical reaction of a lithium-sulfur battery by modifying the surface of a CNT-based sulfur carrier.

또한, 본 발명은 전술한 탄소나노튜브 양극의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing the above-described carbon nanotube anode.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법에 있어서, (a) 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시켜 복수의 탄소나노튜브가 배열된 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 어레이의 탄소나노튜브의 말단을 개구하고, 상기 어레이의 탄소나노튜브 표면에 결함을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method for manufacturing a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, (a) growing carbon nanotubes on a substrate to form a carbon nanotube array in which a plurality of carbon nanotubes are arranged. doing; and (b) opening ends of the carbon nanotubes of the array and forming defects on the surface of the carbon nanotubes of the array.

본 발명에서 상기 단계 (b)는 상기 탄소나노튜브 표면을 산소 플라즈마에 노출하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, step (b) may include exposing the surface of the carbon nanotube to oxygen plasma.

또한, 상기 단계 (a)는, 탄소 전구체, 수소 전구체 및 산소 전구체를 포함하는 소스 가스에 의한 PE-CVD 단계를 포함할 수 있다. In addition, the step (a) may include a PE-CVD step using a source gas containing a carbon precursor, a hydrogen precursor, and an oxygen precursor.

본 발명에서 상기 단계 (b)는 산소 전구체를 소스 가스로 하는 플라즈마로 상기 탄소나노튜브의 말단을 개구하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, the step (b) may include opening the ends of the carbon nanotubes with plasma using an oxygen precursor as a source gas.

또한, 상기 단계 (b)는 산소 전구체를 소스 가스로 하는 플라즈마로 탄소나노튜브 표면에 COOH 작용기를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, the step (b) may include forming COOH functional groups on the surface of the carbon nanotubes using plasma using an oxygen precursor as a source gas.

본 발명은 (c) 상기 탄소나노튜브 어레이에 황을 기상 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 기상 증착 단계는 진공 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 단계 (c)에서 황은 인접하는 탄소나노튜브들 사이에서 유도 쌍극자를 형성하여 물리 흡착할 수 있다. 또한, 상기 단계 (c)에서 황은 탄소나노튜브에 화학 흡착할 수 있다. The present invention may further include (c) vapor-depositing sulfur on the carbon nanotube array. At this time, the vapor deposition step is preferably performed in a vacuum atmosphere. In addition, in step (c), sulfur may be physically adsorbed by forming an induced dipole between adjacent carbon nanotubes. In addition, in the step (c), sulfur may be chemically adsorbed to the carbon nanotubes.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 도전성 기판; 상기 기판에 직접 접촉하며 기판 상방으로 성장한 복수의 탄소나노튜브가 배열된 탄소나노튜브 어레이; 및 상기 탄소나노튜브 어레이를 충진하는 황을 포함하고, 상기 황은 상기 탄소나노튜브들 사이의 간극에서 상기 탄소나노튜브의 표면 작용기에 의하여 유도 쌍극자를 형성하여 물리 흡착하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극을 제공한다. In order to achieve the above other technical problem, the present invention is a conductive substrate; a carbon nanotube array in which a plurality of carbon nanotubes that directly contact the substrate and grow upward on the substrate are arranged; and sulfur filling the carbon nanotube array, wherein the sulfur is physically adsorbed by forming an induced dipole by a surface functional group of the carbon nanotube in a gap between the carbon nanotubes. A nanotube electrode is provided.

본 발명에서 상기 탄소나노뉴브 전극의 상기 표면 작용기는 COOH를 포함하는 것이 바람직하다. In the present invention, the surface functional group of the carbon nanotube electrode preferably includes COOH.

본 발명에 따르면, 전지의 유연성을 유지하면서 고에너지밀도 및 고용량을 가지며, 플렉서블 전지로 유용하게 사용될 수 있는 3차원 전극 구조체를 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to provide a three-dimensional electrode structure that has high energy density and high capacity while maintaining the flexibility of the battery and can be usefully used as a flexible battery.

또한, 본 발명에 따르면, 황을 활물질로 하는 CNT 기반의 종래의 전극에 비하여 CNT의 표면을 제어함으로써 황과의 결합력을 향상시켜 리튬-황 전지의 성능을 극대화 시킬 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, compared to conventional CNT-based electrodes using sulfur as an active material, by controlling the surface of the CNT, it is possible to improve the bonding force with sulfur, thereby maximizing the performance of the lithium-sulfur battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체를 제작하는 과정을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 전극 구조체에 대한 라만분광법 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 표면 처리 여부 및 황 삽입 함량에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체를 관찰한 SEM 사진, TEM 사진 및 TGA 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 전극 구조체의 전기화학특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 전극 구조체로 제조된 전극의 전극 저항을 알아보기 위해 EIS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체로 제조된 전지 샘플을 150 사이클 충방전한 이후 전해액 내의 황의 함량을 측정한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체로 제조된 코인 셀을 150 사이클 충방전한 이후 리튬 음극 표면을 XPS 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체의 황 담지 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram schematically showing a carbon nanotube electrode structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a process of manufacturing a carbon nanotube electrode structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the results of Raman spectroscopy analysis on a carbon nanotube electrode structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the results of SEM, TEM, and TGA analysis of a carbon nanotube electrode structure observed according to surface treatment and sulfur insertion content according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the results of evaluating the electrochemical characteristics of a three-dimensional electrode structure according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the results of EIS analysis to determine the electrode resistance of an electrode made of a three-dimensional electrode structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a photograph and a graph showing the results of measuring the sulfur content in the electrolyte solution after charging and discharging a battery sample made of a carbon nanotube electrode structure according to an embodiment of the present invention for 150 cycles.
8 is a graph showing the results of XPS analysis of the surface of a lithium anode after charging and discharging a coin cell made of a carbon nanotube electrode structure according to an embodiment of the present invention for 150 cycles.
9 is a view for explaining a sulfur supporting mechanism of a carbon nanotube electrode structure according to an embodiment of the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체를 모식적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically showing a carbon nanotube electrode structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 탄소나노튜브 전극 구조체(100)는 도전성 기판(110)과 상기 도전성 기판 상의 복수의 탄소나노튜브(120)가 배열된 어레이 구조체이다. 개별 탄소나노튜브(120)의 외표면 및/또는 내표면에는 황(sulfur, 130)이 증착되어 있다. Referring to FIG. 1 , the carbon nanotube electrode structure 100 is an array structure in which a conductive substrate 110 and a plurality of carbon nanotubes 120 on the conductive substrate are arranged. Sulfur 130 is deposited on the outer and/or inner surfaces of the individual carbon nanotubes 120 .

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(120)는 집전체와 같은 도전성 기판(110)과 직접 전기적으로 접촉하고 있으므로 전기적으로 양호한 전도성을 갖는다. 이를 위하여 상기 탄소나노튜브(120) 어레이는 상기 도전성 기판 상에서 직접 성장된 것이 바람직하다. 도전성 기판에서의 탄소나노튜브의 직접 성장 방법에 대해서는 후술한다. As shown in FIG. 1 , the carbon nanotubes 120 have good electrical conductivity because they are in direct electrical contact with a conductive substrate 110 such as a current collector. To this end, it is preferable that the carbon nanotube 120 array is directly grown on the conductive substrate. A method of directly growing carbon nanotubes on a conductive substrate will be described later.

한편, 상기 탄소나노튜브 전극 구조체(100)는 소정 간격으로 배열된 탄소나노튜브(120)의 어레이로 구성된다. 이 때, 상기 탄소나노튜브는 약 1~10 nm의 직경을 가질 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브 사이의 간격은 바람직하게는 0.1~100 nm일 수 있다. Meanwhile, the carbon nanotube electrode structure 100 is composed of an array of carbon nanotubes 120 arranged at predetermined intervals. At this time, the carbon nanotubes may have a diameter of about 1 to 10 nm. In addition, the spacing between the carbon nanotubes may be preferably 0.1 to 100 nm.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극 구조체를 제작하는 과정을 모식적으로 도시한 도면이다. 2 is a diagram schematically illustrating a process of manufacturing a carbon nanotube electrode structure according to an embodiment of the present invention.

도 2의 (a)를 참조하면, 도전성 금속 기판(110)이 제공된다. 본 발명에서 도전성 금속 기판(110)으로는 Al, Ni, Si, W으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 금속 또는 그 합금이 사용될 수 있다. 또한, 상기 도전성 금속 기판으로는 스테인레스 스틸이 사용될 수도 있다. Referring to (a) of FIG. 2 , a conductive metal substrate 110 is provided. In the present invention, one metal selected from the group consisting of Al, Ni, Si, and W or an alloy thereof may be used as the conductive metal substrate 110 . Also, stainless steel may be used as the conductive metal substrate.

본 발명에서 상기 도전성 금속 기판(110)은 다공성 기판일 수 있으며, 다공성 기판의 제조를 위하여 통상의 에칭법이 사용될 수 있다. 예컨대, 산촉매, 산화제 및 정제수를 포함하는 용액으로 기판을 화학적 에칭함으로써 기판 표면 또는 내부에 다공성 기공 구조를 수행될 수 있다. 이 때, 산촉매로는 질산(HNO3) 또는 황산(H2SO4)이 사용될 수 있다. In the present invention, the conductive metal substrate 110 may be a porous substrate, and a conventional etching method may be used for manufacturing the porous substrate. For example, a porous pore structure may be formed on or inside the substrate by chemically etching the substrate with a solution containing an acid catalyst, an oxidizing agent, and purified water. At this time, nitric acid (HNO 3 ) or sulfuric acid (H 2 SO 4 ) may be used as the acid catalyst.

다음, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 기판 상에 탄소나노튜브 성장을 위한 촉매층(122)을 형성한다. 상기 촉매층(122)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 최소한 1종의 금속 또는 그 금속의 합금을 포함할 수 있다. 또한, 상기 촉매층(122)은 기판 사이에 Al층과 같은 버퍼층(도시하지 않음)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 촉매층(122)은 용액 적하 방식 또는 전자빔 증착, 스퍼터 등의 방식으로 형성될 수 있다. Next, as shown in (b) of FIG. 2, a catalyst layer 122 for growing carbon nanotubes is formed on the substrate. The catalyst layer 122 may include at least one metal selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), titanium (Ti), and iron (Fe), or an alloy of the metal. In addition, the catalyst layer 122 may further include a buffer layer (not shown) such as an Al layer between substrates. The catalyst layer 122 may be formed by a solution dropping method, electron beam evaporation, or sputtering.

다음, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 촉매층이 형성된 기판 상에 탄소나노튜브(120)를 성장시킨다(c). 이 때, 탄소나노튜브 구조체는 촉매층이 형성된 기판 전체에 걸쳐 전면적으로 성장된 복수의 CNT 어레이로 구성된다. 본 발명에서 탄소나노튜브는 기판의 표면에 수직 또는 거의 수직한 방향으로 주상(기둥 형상)으로 성장한다. 다만, 본 발명에서 '수직'이 90°이외의 경사각으로 성장된 것을 배제하는 것은 아니다.Next, as shown in (c) of FIG. 2, carbon nanotubes 120 are grown on the substrate on which the catalyst layer is formed (c). At this time, the carbon nanotube structure is composed of a plurality of CNT arrays grown over the entire substrate on which the catalyst layer is formed. In the present invention, the carbon nanotubes grow in a columnar shape (pillar shape) in a direction perpendicular or almost perpendicular to the surface of the substrate. However, in the present invention, 'vertical' does not exclude growth at an inclination angle other than 90°.

본 발명에서 CNT 구조체의 형성에는 PE-CVD와 같은 기상증착 방식이 사용될 수 있다. 이 때, C2H2 와 같은 탄소 전구체와 수소 가스(H2) 및 산소 가스(O2)가 소스 가스로 사용될 수 있고, 500~800℃의 온도 및 500~800W 출력의 플라즈마를 형성함으로써 CNT를 성장시킬 수 있다. In the present invention, a vapor deposition method such as PE-CVD may be used to form the CNT structure. At this time, a carbon precursor such as C 2 H 2 , hydrogen gas (H 2 ), and oxygen gas (O 2 ) may be used as a source gas, and a CNT plasma is formed at a temperature of 500 to 800° C. and an output of 500 to 800 W. can grow.

이 과정에서 탄소나노튜브 성장은 다음과 같은 과정을 통해 이루어질 수 있다. 탄소를 포함하는 탄화수소 가스 분자들이 촉매 금속 입자 표면으로 흡착(Adsorption)되어 분해(Decomposition)되고, 분해된 탄소 원자들이 촉매 내로 용해(Dissolution)되어 확산(Diffusion) 되면서 그래파이트 층(Graphite-like layer)들이 침출(Precipitation)되어 성장기판 표면 위로 성장된다. In this process, carbon nanotube growth may be achieved through the following process. Hydrocarbon gas molecules containing carbon are adsorbed to the surface of the catalyst metal particle for decomposition, and the decomposed carbon atoms are dissolved and diffused into the catalyst to form a graphite-like layer. It is leached and grown on the surface of the growth substrate.

본 발명에서 상기 어레이를 구성하는 CNT는 단층벽 나노튜브(single walled nanotube, SWNT), 다중벽 나노튜브(multi-walled nanotube, MWNT), 다발형 나노튜브(rope nanotube)일 수 있으나, 표면 결함의 형성에 유리하다는 측면에서 MWCNT인 것이 바람직하다.In the present invention, the CNTs constituting the array may be single walled nanotubes (SWNTs), multi-walled nanotubes (MWNTs), or rope nanotubes, but surface defects MWCNTs are preferred from the viewpoint of being advantageous in formation.

이 때, CNT의 성장에 있어서, 기판의 두께에 따라 촉매 표면에 전달되는 열전달 속도가 달라 촉매와 CNT 소스 가스의 반응 콘트롤 형태가 달라지기 때문에 적절한 두께의 기판을 선정하는 것이 중요하다. 예시적으로, 40~70μm 두께의 기판 상에서 600℃이하의 낮은 성장 온도 범위는 성장속도의 제어가 가능하게 한다. At this time, in the growth of CNTs, it is important to select a substrate with an appropriate thickness because the rate of heat transfer to the catalyst surface varies depending on the thickness of the substrate and the reaction control form between the catalyst and the CNT source gas varies. Illustratively, a low growth temperature range of 600° C. or less on a substrate having a thickness of 40 μm to 70 μm enables control of the growth rate.

이어서, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 CNT 말단의 촉매층을 제거하여 CNT의 말단을 개구한다. 이 과정에는 산처리법, 연소법 또는 레이저 트리밍법(laser trimming) 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. Then, as shown in (d) of FIG. 2, the catalyst layer at the end of the CNT is removed to open the end of the CNT. Various methods such as acid treatment, combustion, or laser trimming may be used for this process.

일례로, 본 발명은 CNT의 말단을 플라즈마 처리함으로써 개구하는 방법을 사용할 수 있다. 플라즈마 장치 내에서 플라즈마 형성을 위한 소스로 산소 가스(O2)를 사용하게 되면, 생성된 O2 플라즈마는 CNT 말단의 팁 부분에 걸치게 되며 CNT 말단의 탄소는 산소와 반응하여 CO2로 제거되므로 말단 탄소의 제거와 함께 촉매층도 제거될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, CNT 말단의 개구는 CNT 성장을 위한 소스 가스 중에 O2 가스만을 사용함으로써, PE-CVD 성장 장치에서 CNT 성장의 후속 공정으로 구현될 수 있다. For example, in the present invention, a method of opening CNTs by plasma-treating them may be used. When oxygen gas (O 2 ) is used as a source for plasma formation in the plasma device, the generated O 2 plasma spans the tip of the CNT end, and the carbon at the end of the CNT reacts with oxygen to be removed as CO 2 . Along with the removal of the terminal carbon, the catalyst layer may also be removed. According to one embodiment of the present invention, the opening at the end of the CNT may be implemented as a subsequent process of CNT growth in a PE-CVD growth apparatus by using only O 2 gas among source gases for CNT growth.

또한, 본 발명은 CNT의 성장 이후 CNT 말단의 개구와 동시에 또는 이와 별도로 CNT의 표면에 결함을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이 과정은 CNT 표면을 플라즈마 처리함으로써 수행될 수 있고, 이 때 전술한 O2 플라즈마가 사용될 수 있다. In addition, the present invention forms defects on the surface of the CNT simultaneously with or separately from the opening at the end of the CNT after the growth of the CNT. According to one embodiment of the present invention, this process may be performed by plasma treating the surface of the CNT, and at this time, the aforementioned O 2 plasma may be used.

플라즈마 장치 내에서 플라즈마 형성을 위한 소스로 산소 가스(O2)를 사용하고, 생성된 O2 플라즈마가 CNT에 닿게 되면 CNT 표면의 말단의 촉매층의 제거와 함께 CNT 표면도 플라즈마에 노출된다. O2 플라즈마에 의해 상기 CNT 표면의 탄소는 플라즈마와 반응하며, 표면 결함이 형성된다,Oxygen gas (O 2 ) is used as a source for plasma formation in the plasma apparatus, and when the generated O 2 plasma touches the CNT, the CNT surface is also exposed to the plasma along with the removal of the catalyst layer at the end of the CNT surface. Carbon on the surface of the CNT reacts with the plasma by the O 2 plasma, and surface defects are formed.

이어서, 표면 결함이 형성된 CNT 어레이 구조체에 황을 삽입한다. 본 발명에서 황은 우선적으로 CNT 표면의 결함에 결합하는데, 그 결합 메커니즘은 다음과 같다.Subsequently, sulfur is inserted into the CNT array structure in which the surface defects are formed. In the present invention, sulfur preferentially binds to defects on the CNT surface, and the binding mechanism is as follows.

CNT 표면에 형성된 결함, 예컨대 COOH 작용기에서 탄소는 영구적인 + 극성을 나타낸다. 한편, 황 분자(S8)를 구성하는 황 원자는 공유결합을 형성하는데, 영구적인 + 극성의 탄소 분자와 접촉함에 따라 - 극성이 유도되며, 이와 같은 유도 쌍극자 상호작용(induced dipole interaction)에 의해 탄소나노튜브와 황 사이에는 강한 물리 흡착(physisorption)이 발생한다.Defects formed on the surface of CNTs, such as carbon in COOH functional groups, exhibit permanent + polarity. On the other hand, the sulfur atom constituting the sulfur molecule (S8) forms a covalent bond, and - polarity is induced as it comes into contact with the carbon molecule of permanent + polarity. Strong physisorption occurs between the nanotube and the sulfur.

후술하는 바와 같이, 이와 같은 물리흡착은 진공분위기에서 매우 강하며 황 분자는 내부 및 외부 표면에 강하게 고정될 수 있다. 특히, CNT 외표면의 결함 부분에서 황과의 물리흡착(physisorption)에 의한 결합은 매우 강하게 발생하게 되어 황의 고정이 가능하게 된다. As will be described later, such physical adsorption is very strong in a vacuum atmosphere, and sulfur molecules can be strongly fixed to the inner and outer surfaces. In particular, the bonding by physisorption with sulfur occurs very strongly at the defective part of the outer surface of the CNT, so that sulfur can be fixed.

본 발명에서 탄소나노튜브 내부 및/또는 외부에 황을 고정하는 방법은 진공 조건 또는 가압 조건 하에서 진행될 수 있다. In the present invention, the method of fixing sulfur inside and/or outside of the carbon nanotubes may be performed under vacuum or pressurized conditions.

구체적으로, 감압 조건 하의 황 삽입은 탄소나노튜브를 포함하는 전극 구조체와 황을 서로 분리된 상태로 진공 상태의 계 내에 위치시키고, 황을 기화하여 탄소나노튜브로 유도한 후 탄소나노튜브 표면에 고정되도록 할 수 있다. 본 발명에서 상기 황의 고정은 100~200 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 200℃ 이상의 고온은 황의 분리를 초래하므로 바람직하지 않다. Specifically, sulfur insertion under reduced pressure conditions places an electrode structure including carbon nanotubes and sulfur in a system in a vacuum state in a state of being separated from each other, vaporizes sulfur, induces it into carbon nanotubes, and then fixes it on the surface of the carbon nanotubes. can be made In the present invention, the sulfur fixation is preferably performed at a temperature of 100 to 200 °C. A high temperature of 200° C. or higher is undesirable because it causes separation of sulfur.

이하에서는, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 구체예를 기재한 것이며, 하기 실시예에 기재된 사항에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되어 해석되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. The following examples describe a preferred embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited and interpreted by the matters described in the following examples.

제조예 1 : CNT 전극 구조체의 제조Preparation Example 1: Preparation of CNT electrode structure

스테인레스 스틸 기판(기판의 두께 15, 40 또는 70μm)에 촉매 용액(0.1M Fe(NO3)3ㆍ9H2O + Al(NO3)3ㆍ9H2O in Ethanol + 4wt% water)을 적하 방식으로 코팅하여 건조하여 촉매층을 형성하였다. Catalyst solution (0.1M Fe(NO 3 ) 3 ㆍ9H 2 O + Al(NO 3 ) 3 ㆍ 9H 2 O in Ethanol + 4wt% water) is dropped onto a stainless steel substrate (substrate thickness 15, 40 or 70μm) and dried to form a catalyst layer.

PE(plasma enhanced)-CVD 장치로 촉매층이 형성된 기판 상에 CNT를 성장시켰다. 이 때, 소스 가스로는 탄소 전구체로 C2H2, 여기에 H2 및 O2 가스를 사용하였다. 기판이 탑재된 챔버 온도를 500~800℃로 유지하여 안정화시키고 500~800W의 플라즈마를 형성하여 CNT를 성장시켰다. CNTs were grown on a substrate on which a catalyst layer was formed using a PE (plasma enhanced)-CVD device. At this time, as the source gas, C 2 H 2 , H 2 and O 2 gas were used as the carbon precursor. The temperature of the chamber in which the substrate was mounted was maintained at 500 to 800° C. to stabilize it, and CNTs were grown by forming a plasma of 500 to 800 W.

이로부터 40~70μm 두께의 기판 상에서 600℃이하의 낮은 온도에서 CNT 성장이 가능하고, 성장속도도 제어 가능함을 확인하였다. 또한, 촉매를 용액(solution) 형태로도 코팅이 가능함을 확인하였고, 기판의 모형에 상관없이 촉매를 코팅하여 CNT를 성장시킬 수 있음을 확인하였다. From this, it was confirmed that CNT growth is possible at a low temperature of 600 ° C or less on a substrate having a thickness of 40 to 70 μm, and the growth rate is also controllable. In addition, it was confirmed that the catalyst can be coated even in the form of a solution, and it was confirmed that CNTs can be grown by coating the catalyst regardless of the model of the substrate.

제조예 2 : 표면 처리된 CNT 구조체의 제조Preparation Example 2: Preparation of surface-treated CNT structure

제조예 1의 전극 구조체를 제조한 플라즈마 장치에서 CNT 구조체를 성장시킨 후 소스 가스로서의 전구체 물질의 공급은 중단하고 산소만 주입하여 플라즈마를 CNT 팁 말단 부분에 걸치게 하여 산소와 반응하여 CNT 끝의 탄소를 CO2로 제거하면서 촉매층을 제거하였다. 이 과정에서 기판 상의 CNT는 플라즈마에 노출되며, 플라즈마에 노출된 CNT 표면에는 다수의 결함이 형성되었다. After growing the CNT structure in the plasma device in which the electrode structure of Preparation Example 1 was manufactured, the supply of the precursor material as a source gas was stopped and only oxygen was injected so that the plasma was spread across the tip end of the CNT to react with the oxygen to form carbon at the tip of the CNT. The catalyst layer was removed while removing with CO 2 . In this process, the CNTs on the substrate were exposed to plasma, and a number of defects were formed on the surface of the CNTs exposed to the plasma.

구체적으로, 표면처리 공정에서 진공 챔버 내의 압력은 1 x 10-1 torr 수준으로 유지하였고, O2 gas의 유량은 약 60sccm이었고, 50W의 RF(radio frequency) 전력을 인가하여 1분 동안 처리하였다. 압력 및 가스 유량 및 플라즈마 파워는 활용조건으로 다양하게 조절 가능함은 물론이다. Specifically, in the surface treatment process, the pressure in the vacuum chamber was maintained at a level of 1 x 10 -1 torr, the flow rate of O2 gas was about 60 sccm, and 50 W of RF (radio frequency) power was applied to treat for 1 minute. Of course, the pressure, gas flow rate, and plasma power can be variously adjusted according to utilization conditions.

<실시예 1><Example 1>

제조예 2에서 제조된 전극 구조체에 다음과 같은 과정을 거쳐 진공 상태에서 황을 삽입하였다. 닫힌 시스템(closed system) 내에 제조된 전극 구조체를 넣은 후, 시스템 출구(outlet)에 진공 펌프를 연결하여 시스템 내부의 압력을 낮추었다. 닫힌 시스템 외부에서 황이 담긴 용기를 가열하여 황이 기화되도록 하고, 닫힌 시스템 입구(inlet) 부분에 상기 용기와 연결된 라인을 열어 기화된 황이 압력차에 의해 삽입되도록 하였다.Sulfur was inserted into the electrode structure prepared in Preparation Example 2 in a vacuum state through the following process. After putting the fabricated electrode structure in a closed system, a vacuum pump was connected to the outlet of the system to lower the pressure inside the system. A container containing sulfur was heated outside the closed system to vaporize the sulfur, and a line connected to the container was opened at the inlet of the closed system so that the vaporized sulfur was inserted by a pressure difference.

<실시예 2 내지 4><Examples 2 to 4>

제조예 2에서 제조된 전극 구조체에 다음과 같은 과정을 거쳐 황을 삽입하였다. Sulfur was inserted into the electrode structure prepared in Preparation Example 2 through the following process.

챔버 내에 황을 담은 용기와 제조예 2의 전극 구조체를 서로 분리된 상태로 배치한 후 챔버를 진공(<10-3 torr) 상태로 유지하였다. 챔버 내부가 진공 상태가 되면 진공라인을 닫은 후 챔버의 온도를 120~180℃로 가열하여 황을 기화시키고, 전극 구조체에 황을 삽입하였다. 이 때, 챔버 내의 처리 시간을 달리하여 황의 함량을 조절하였다. 전극 구조체 전체 중량에 대하여 황 함유율이 0%인 샘플(실시예 2), 황 함유율이 48%인 샘플(실시예 3), 황 함유율이 78%인 샘플(실시예 4)을 각각 제조하였다. 이 때, 황 함량은 황 삽입 후 전극의 무게에서 황 삽입 공정 전의 전극 무게를 빼준 값으로 계산하였고, 황 함유율은 전극 집전체 위에 성장된 CNT와 삽입된 황 함량의 중량 합계에 대하여 삽입된 황 함량의 비율로 계산하였다. CNT의 중량은 CNT 성장 후의 집전체 무게에서 집전체 무게를 뺀 값으로 계산하였다. After placing the container containing sulfur and the electrode structure of Preparation Example 2 in a state separated from each other in the chamber, the chamber was maintained in a vacuum (<10 -3 torr) state. When the inside of the chamber is in a vacuum state, after closing the vacuum line, the temperature of the chamber is heated to 120 ~ 180 ℃ to vaporize sulfur, and sulfur is inserted into the electrode structure. At this time, the sulfur content was adjusted by varying the treatment time in the chamber. A sample with a sulfur content of 0% (Example 2), a sample with a sulfur content of 48% (Example 3), and a sample with a sulfur content of 78% (Example 4) were prepared with respect to the total weight of the electrode structure. At this time, the sulfur content was calculated by subtracting the weight of the electrode before the sulfur insertion process from the weight of the electrode after sulfur insertion. It was calculated as a ratio of The weight of the CNT was calculated by subtracting the weight of the current collector from the weight of the current collector after CNT growth.

<비교예><Comparative Example>

표면처리 및 황 삽입을 거치지 않은 샘플 즉 제조예 1의 CNT 구조체 샘플을 비교예 1로 하고, 표면처리를 거치지 않은 점을 제외하고는 실시예 4와 마찬가지로 78%의 황을 삽입한 샘플을 비교예 2로 하였다. The sample without surface treatment and sulfur insertion, that is, the CNT structure sample of Preparation Example 1 was taken as Comparative Example 1, and the sample with 78% sulfur inserted was used as in Example 4 except that it was not subjected to surface treatment. 2.

도 3의 a 및 b는 실시예 및 비교예의 탄소나노튜브 전극 구조체를 라만분광법을 통하여 분석한 결과를 나타낸 그래프이고, 표 1은 분석 결과를 정리한 표이다.3a and b are graphs showing the results of analyzing the carbon nanotube electrode structures of Examples and Comparative Examples through Raman spectroscopy, and Table 1 is a table summarizing the analysis results.

Figure pat00001
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먼저, 도 3의 a에서 Sample #1 및 #2는 각각 탄소나노튜브 성장 후 표면처리를 하지 않은 상태에서 황을 삽입하기 전의 샘플(비교예 1)과 탄소나노튜브 성장 후 표면처리를 하지 않은 상태에서 황을 삽입한 후의 샘플(비교예 2)이며, sample #3 및 #4는 각각 탄소나노튜브 성장 후 표면처리를 한 후 황을 삽입하기 전의 샘플(실시예 2)과 삽입 후의 샘플(실시예 4)이다. First, samples #1 and #2 in a of FIG. 3 are the sample before sulfur is inserted (Comparative Example 1) without surface treatment after carbon nanotube growth and the state without surface treatment after carbon nanotube growth, respectively. is a sample after sulfur is inserted (Comparative Example 2), and sample #3 and #4 are respectively a sample before sulfur is inserted after surface treatment after carbon nanotube growth (Example 2) and a sample after insertion (Example 2). 4) is.

도 3의 b는 탄소나노튜브를 표면 처리한 전극에 황의 함유율 0%(실시예 2), 황 함유율 ~48%(실시예 3), 황 함유율 ~78%(실시예 4)로 황 삽입한 샘플의 라만스펙트럼의 변화를 관찰한 결과그래프이다. 3b is a sample in which sulfur is inserted into an electrode surface-treated with carbon nanotubes with sulfur content of 0% (Example 2), sulfur content of ~48% (Example 3), and sulfur content of ~78% (Example 4). This is a graph of the result of observing the change of the Raman spectrum of

도 3의 a 및 표 1의 결과에서 알 수 있듯이, 표면처리를 할 경우 황과 탄소나노튜브 사이의 결합이 이루어져 carbon-sulfur 사이의 결합으로 인하여 Raman spectrum상에 C-S mode에 해당되는 1250cm-1, 1450cm-1, 2780cm-1에서 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 3의 b에서는 탄소나노튜브 성장 후 표면처리한 샘플에 황을 함량에 따라 넣었을 때 ~50%이상으로 삽입할 경우 S-S mode에 해당되는 피크가 나타나는 것을 확인하였는데, 이로부터 탄소나노튜브와의 결합이 일차적으로 모두 일어나 노출되는 표면이 없어지게 되면 황이 그 위에 쌓인다는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 탄소나노튜브 표면과의 접촉이 없는 형태로 황이 쌓이게 되면 전자전달 패스를 상실하게 되어 전지의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 되기 때문에 적절한 황과 탄소나노튜브 사이의 결합이 확보되는 것, 그리고 황의 함량이 중요한 팩터로 작용하게 된다.As can be seen from the results of a and Table 1 in Figure 3, when the surface treatment is performed, a bond between sulfur and carbon nanotubes is formed, resulting in a bond between carbon-sulfur and 1250 cm -1 corresponding to CS mode on the Raman spectrum, It was confirmed that peaks appeared at 1450 cm -1 and 2780 cm -1 . In addition, in b of FIG. 3, it was confirmed that when sulfur was added to the surface-treated sample after carbon nanotube growth according to the content, a peak corresponding to the SS mode appeared when sulfur was inserted at ~50% or more. It was confirmed that sulfur was accumulated on it when all the bonding of the primary occurred and the exposed surface disappeared. When sulfur is accumulated in a form without contact with the surface of the carbon nanotubes, the electron transfer path is lost, which acts as a factor that deteriorates the performance of the battery, so that proper bonding between sulfur and carbon nanotubes is secured, and Content will act as an important factor.

도 4는 본 발명의 실시예 4에 관련된 탄소나노튜브 전극 구조체에 대한 분석 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다. 4 is a photograph and a graph showing the analysis results of the carbon nanotube electrode structure related to Example 4 of the present invention.

도 4의 a 및 b는 각각 성장된 탄소나노튜브의 표면을 플라즈마 처리하기 전의 샘플(비교예 1)과 플라즈마 처리 후의 샘플(실시예 2)의 SEM 사진이고, c 및 d는 각각 표면처리 없이 황을 삽입한 샘플(비교예 2)과 표면 처리 후 황 삽입(황 함량 78%)한 샘플(실시예 4)의 SEM 사진이다. 4a and b are SEM images of a sample before plasma treatment (Comparative Example 1) and a sample after plasma treatment (Example 2), respectively, on the surface of the grown carbon nanotubes, and c and d are respectively sulfur without surface treatment. It is a SEM picture of a sample (Comparative Example 2) inserted with sulfur and a sample (Example 4) with sulfur inserted (sulfur content 78%) after surface treatment.

본 발명에서 탄소나노튜브 성장은 다음과 같은 과정을 통해 이루어 진다. 탄소를 포함하는 탄화수소 가스 분자들이 플라즈마에 의해 분해(Decomposition)되고 분해된 탄소 원자들이 촉매 내로 용해(Dissolution)되어 확산(Diffusion) 되면서 그라파이트 층(Graphite-like layer)들이 침출(Precipitation)되어 성장기판 표면 위로 성장된다. 상술한 과정에 의해 형성된 탄소나노튜브는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 흑연면이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태를 가지게 된다. 도 4의 a 및 b를 참조하면, 기판에 대하여 실질적으로 수직 방향으로 성장한 주상의 탄소나노튜브들이 조밀하게 배열되어 탄소나노튜브 다발(bundle)을 이루고 있다. In the present invention, the growth of carbon nanotubes is achieved through the following process. Hydrocarbon gas molecules containing carbon are decomposed by plasma, and the decomposed carbon atoms are dissolved and diffused into the catalyst, and graphite-like layers are leached to form the surface of the growth substrate. grow up Carbon nanotubes formed by the above-described process have hexagonal honeycomb-shaped graphite planes in which one carbon atom is bonded to three other carbon atoms, rolled into a nano-sized diameter. Referring to a and b of FIG. 4 , columnar carbon nanotubes grown in a direction substantially perpendicular to the substrate are densely arranged to form a carbon nanotube bundle.

한편, 도 4의 c 및 d에서 알 수 있는 바와 같이, 플라즈마 처리 여부에 따라 황 삽입(또는 증착) 양상이 현저히 다른 모습을 보여주고 있다. 먼저, 도 4의 c에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브 성장 후 표면처리를 하지 않은 샘플은 탄소나노튜브 표면에 황과의 결합을 위한 결함이 충분하지 않으므로, 공급된 황은 우선적으로 탄소나노튜브들 상단 부분에 축적되어 여분의 황이 탄소나노튜브 사이의 공간으로 유입되는 것을 막고 있다. 이에 따라 유입되는 황의 대부분은 탄소나노튜브 다발 상부에 쌓이게 된다. 이에 대하여, 도 4의 d에 나타난 바와 같이, 표면처리를 거친 샘플은 탄소나노튜브 사이의 공간에 황이 잘 충진된 모습을 확인할 수 있다. 도 4의 d에서 탄소나노튜브 상단에도 황 층이 형성된 것은 본 실험에서 사용된 황의 함량이 매우 높기 때문으로 이해된다. On the other hand, as can be seen from c and d of FIG. 4, the sulfur insertion (or deposition) pattern is significantly different depending on whether or not plasma treatment is performed. First, as shown in c of FIG. 4, since the sample without surface treatment after growing the carbon nanotubes has insufficient defects for bonding with sulfur on the surface of the carbon nanotubes, the supplied sulfur is preferentially applied to the top of the carbon nanotubes. It accumulates in the part and prevents excess sulfur from entering the space between the carbon nanotubes. Accordingly, most of the introduced sulfur is accumulated on the upper part of the carbon nanotube bundle. On the other hand, as shown in d of FIG. 4 , it can be confirmed that sulfur is well filled in the space between the carbon nanotubes in the surface-treated sample. It is understood that the sulfur layer formed on the top of the carbon nanotubes in FIG. 4d is because the sulfur content used in this experiment is very high.

한편, 도 4의 e 내지 h는 플라즈마 표면처리를 거친 샘플에서 탄소나노튜브 일부를 채취하여 TEM 및 EDS 분석 결과를 나타낸 사진이다. 사진을 참조하면, 탄소나노튜브 내부에까지 황이 들어가 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 도 4의 f에 나타난 바와 같이 탄소나노튜브를 이루는 탄소(C) 원소의 중앙에 선명하게 관찰되는 황(S) 성분은 탄소나노튜브의 내부로 황이 충진되었음을 보여준다. 한편, 도 4와의 비교를 위하여 탄소나노튜브 성장 후 표면처리를 하지 않은 샘플에 황을 삽입한 후 샘플에서 탄소나노튜브를 채취하여 관찰한 TEM 및 EDS 분석 사진을 도 5에 도시하였다. 도 5는 황이 탄소나노튜브 끝을 촉매인 철이 막고 있어 내부에 침투하지 못한 것을 보여주고 있다. Meanwhile, e to h of FIG. 4 are photographs showing the results of TEM and EDS analysis by taking some carbon nanotubes from samples subjected to plasma surface treatment. Referring to the photo, it was confirmed that sulfur was even inside the carbon nanotubes. That is, as shown in f of FIG. 4, the sulfur (S) component clearly observed in the center of the carbon (C) element constituting the carbon nanotubes shows that the inside of the carbon nanotubes is filled with sulfur. On the other hand, for comparison with FIG. 4 , FIG. 5 shows TEM and EDS analysis pictures observed by collecting carbon nanotubes from the sample after inserting sulfur into the sample without surface treatment after growing the carbon nanotubes. FIG. 5 shows that sulfur did not penetrate into the inside of the carbon nanotubes because the ends of the carbon nanotubes were blocked by iron, which is a catalyst.

한편, 도 4의 h는 실시예 2 및 실시예 4의 전극의 표면을 채취한 샘플과 황 소재 자체의 TGA 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4의 h를 참조하면, TGA 결과 황의 담지 능력이 탄소나노튜브의 표면처리를 통해 늘어난 것을 확인할 수 있다. Meanwhile, h in FIG. 4 is a graph showing the results of TGA analysis of the samples taken from the surfaces of the electrodes of Examples 2 and 4 and the sulfur material itself. Referring to h of FIG. 4 , as a result of the TGA, it can be confirmed that the sulfur supporting ability is increased through the surface treatment of the carbon nanotubes.

TGA 그래프를 참조하면, 180°C 부근에서부터 황이 탄소나노튜브 표면으로부터 기화하기 시작하여 무게가 줄어듬을 보여주고 있다. 또한, 그래프로부터 동일 조건에서 황 삽입 후 TGA를 측정하여 그 무게 비를 비교하였을 때 탄소나노튜브의 표면을 처리한 것과 안한 것의 무게 차이가 각각 73.2%, 5.8%임을 알 수 있다. 이를 통해 표면처리 한 샘플의 경우가 안한 샘플에 비해 황의 흡착 및 삽입이 더 원활하게 이루어 짐을 추측할 수 있다.Referring to the TGA graph, it shows that sulfur starts to vaporize from the carbon nanotube surface from around 180 ° C, and the weight decreases. In addition, it can be seen from the graph that when TGA is measured after sulfur insertion under the same conditions and the weight ratio is compared, the weight difference between the treated and untreated carbon nanotube surfaces is 73.2% and 5.8%, respectively. Through this, it can be inferred that sulfur adsorption and insertion are more smoothly performed in the case of the surface-treated sample compared to the untreated sample.

도 5는 본 발명의 실시예 3 및 비교예 2에 따른 3차원 전극 구조체로 제조된 셀에 대한 전기화학특성 평가를 실시한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5는 황 담지 유무에 따른 탄소나노튜브 전극의 캐퍼시티(capacity) 및 쿨롱 효율(coulombic efficiency) 및 충방전 속도에 따른 용량변화율을 비교하여 나타내고 있다. 5 is a graph showing the results of evaluating the electrochemical characteristics of cells manufactured with three-dimensional electrode structures according to Example 3 and Comparative Example 2 of the present invention. 5 shows a comparison of capacity and coulombic efficiency of carbon nanotube electrodes with and without sulfur support, and capacity change rates according to charging and discharging rates.

전지 셀은 다음의 방법으로 제조하였다. 각 실시예 또는 비교예에 따라 전극 구조체를 제조하고 2032 코인셀에 장착할 수 있는 크기의 전극으로 타발한 후 코인셀 하부 케이스에 넣고, 그 위에 분리막을 얹은 후 링형태의 절연 스페이서로 분리막 가장자리를 고정시킨 후 전해액을 충진하고 코인셀 상부 케이스 내에 Li metal을 부착한 후 상부 케이스와 하부 케이스를 프레스하여 밀봉하였다. The battery cell was manufactured in the following way. After manufacturing an electrode structure according to each Example or Comparative Example, punching out an electrode of a size that can be mounted on a 2032 coin cell, inserting it into the lower case of the coin cell, placing a separator thereon, and then wrapping the edge of the separator with a ring-shaped insulating spacer. After fixing, the electrolyte was filled, Li metal was attached to the upper case of the coin cell, and the upper case and the lower case were pressed and sealed.

도 5의 a 내지 c를 참조하면, 표면처리를 한 샘플(surface treatment(O))의 경우 formation cycle 인 첫사이클을 제외한 데이터를 기준으로 사이클 특성이 100사이클까지도 용량유지율을 88.5% 이상 유지하고 있는 반면, 표면처리가 되지 않은 샘플(surface treatment(X))의 경우엔 50% 수준으로 전지의 열화가 급속히 진행되는 결과를 볼 수 있어 표면처리로 인한 결과 값의 향상이 확실히 보여지고 있다. 또한, 도 5의 d 및 e에서 보여주는 것과 같이 충전 속도를 기반으로한 C-rate 특성평가에서도 표면처리를 한 샘플의 경우 충방전 속도를 빠르게 하여도 용량을 유지하는 비율이 훨씬 우수하게 나타나는 것으로 나타났으며, 이는 탄소나노튜브의 결함위치에서의 functional group과 황과의 결합력이 향상되어 전지의 성능을 향상시킨 것으로 볼 수 있다.Referring to a to c of FIG. 5, in the case of the surface treatment (surface treatment (O)), the cycle characteristics maintain the capacity retention rate of 88.5% or more even up to 100 cycles based on the data except for the first cycle of the formation cycle. On the other hand, in the case of the sample without surface treatment (surface treatment (X)), it can be seen that the deterioration of the battery is rapidly progressing to the 50% level, and the improvement of the result value due to the surface treatment is clearly shown. In addition, as shown in d and e of FIG. 5, even in the C-rate characteristic evaluation based on the charging rate, the rate of maintaining capacity even when the charging and discharging rate is increased is much better in the case of the surface-treated sample. It can be seen that the performance of the battery is improved because the bonding strength between the functional group and sulfur at the defect site of the carbon nanotube is improved.

도 6은 본 발명의 실시예 3 및 비교예 2에 따른 3차원 전극 구조체와 직접성장 방식의 전극구조체가 아닌 기존 슬러리 방식으로 황과 탄소나노튜브를 혼합하여 만든 전극의 전극 저항을 알아보기 위해 EIS 분석을 실행한 결과값을 나타낸 것이다Figure 6 is EIS to find out the electrode resistance of the three-dimensional electrode structure according to Example 3 and Comparative Example 2 of the present invention and the electrode made by mixing sulfur and carbon nanotubes in the conventional slurry method rather than the electrode structure of the direct growth method It shows the result of running the analysis.

도 6을 참조하면, 실시예 3의 3차원 전극 구조체로 제조된 전극(Direct write/surface treatment(O))의 경우, 비교예 2의 전극 구조체로 제조된 전극(Direct write/surface treatment(X))과 기존 슬러리 방식이 전극(S/CNT slurry)에 비해 가장 낮은 전기저항을 나타내어 본 발명의 실효성을 입증할 수 있었다.Referring to FIG. 6, in the case of the electrode (Direct write/surface treatment (O)) made of the three-dimensional electrode structure of Example 3, the electrode made of the electrode structure of Comparative Example 2 (Direct write/surface treatment (X)) ) and the existing slurry method showed the lowest electrical resistance compared to the electrode (S / CNT slurry), demonstrating the effectiveness of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예 3 및 비교예 2에 따른 3차원 전극 구조체로 제조된 셀로 전지 구성 후 150사이클의 충방전 이후 셀분해를 통한 전지내 전해액 상에 포함되어있는 황의 함량을 C-S 분석을 통해 측정한 결과를 나타내는 도면이다. 7 is a C-S analysis of the sulfur content contained in the electrolyte solution in the battery through cell disassembly after 150 cycles of charging and discharging after the battery is configured with a cell made of a three-dimensional electrode structure according to Example 3 and Comparative Example 2 of the present invention It is a diagram showing the results measured through

도 7에서 a 및 b는 셀분해 사진, c 및 d는 전해액의 사진, e는 황 함량을 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 결과에서 알 수 있듯이 결함이 없는 전극에 비해 결함을 형성한 전극에서 황의 용출이 훨씬 낮은 것을 확인할 수 있었다.In FIG. 7, a and b are photographs of cell disassembly, c and d are photographs of the electrolyte solution, and e is a graph showing the sulfur content. Referring to FIG. 7 , as can be seen from the results, it was confirmed that the elution of sulfur was much lower in the electrode with defects than in the electrode without defects.

도 8은 본 발명의 실시예 3 및 비교예 2에 따른 3차원 전극 구조체, 직접성장 방식의 전극구조체가 아닌 기존 슬러리 방식의 전극 구조체를 사용하여 코인 셀을 구성한 후 150 사이클의 충방전을 진행한 후 셀을 분해하여 리튬메탈 음극쪽 표면을 XPS 분석을 통하여 원소분석을 한 결과를 나타내는 그래프이다. 8 is a three-dimensional electrode structure according to Example 3 and Comparative Example 2 of the present invention, a coin cell is constructed using an existing slurry-type electrode structure rather than a direct-growth electrode structure, and then 150 cycles of charging and discharging are performed. After disassembling the cell, it is a graph showing the result of elemental analysis of the surface of the lithium metal anode side through XPS analysis.

도 8을 참조하면, 실시예 3의 3차원 전극 구조체를 사용한 전지의 경우 음극표면에 형성되는 전해액 부산물들이 가장 낮게 나타났다. 이와 같이 음극표면에서의 전해액 분해반응이 적게 나타나는 것은 리튬폴리설파이드의 용출이 줄어 든 것에 기인하는 것으로 보인다. Referring to FIG. 8, in the case of the battery using the three-dimensional electrode structure of Example 3, the electrolyte by-products formed on the surface of the negative electrode appeared to be the lowest. The decrease in the decomposition reaction of the electrolyte on the surface of the anode seems to be due to the decrease in the elution of lithium polysulfide.

또한, 본 발명의 3차원 전극 구조체는 CNT 내부에 황을 포집(trapping)하여 충방전시 생성되는 폴리설파이드(polysulfide), 예를 들어, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S3를 고정하여 외부 노출을 줄여줌으로써 Li-S의 고질적인 문제인 셔틀 효과(shuttling effect)를 감소시켜 사이클 유지율을 높일 수 있음을 확인하였다.In addition, the three-dimensional electrode structure of the present invention traps sulfur inside the CNT to generate polysulfide during charging and discharging, for example, Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , By fixing Li 2 S 3 to reduce external exposure, it was confirmed that the cycle retention rate could be increased by reducing the shuttle effect, which is a chronic problem of Li—S.

상술한 황 삽입 메커니즘 단계를 이하 도 9를 참조하여 구체적으로 설명한다.The above sulfur insertion mechanism step will be described in detail with reference to FIG. 9 below.

도 9에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 내에 황을 삽입할 경우, 우선적으로 탄소나노튜브와 황 간의 유도 쌍극자 상호작용(induced dipole interaction)으로 인해 탄소나노튜브와 황사이의 물리흡착(physisorption)이 진공분위기에서 강하게 일어나게 된다. 이 흡착은 용액 방식의 흡착에 비해 탄소나노튜브의 내/외부 표면에 황을 강하게 고정될 수 있다. 특히, 탄소나노튜브 외부에는 결함부분에서 황과의 물리흡착(physisorption) 결합이 훨씬 강하게 일어나게되어 황화(sulfidication)를 통한 결합(binding)이 이루어져 황의 고정이 가능하게 된다. 또한, 상술한 바와 같이 다공성 금속 폼 및 금속박막의 표면에 성장된 탄소나노튜브 내부/외부에 황을 고정할 경우, 전자의 전달율을 높이는 효과를 나타낸다. 이렇게 전자 전달율이 좋아지게 되면 전지 제조 후 충방전시 일어나는 전기화학반응 메커니즘상에서 리튬 폴리설파이드(lithium poly sulfide)의 용융상태에서 화학흡착(chemisorption)이 탄소나노튜브와 일어나게 되어 더 강한 결합을 형성하여 셔틀 효과(shuttle effect)를 억제 할 수 있게 된다.As shown in FIG. 9, when sulfur is inserted into carbon nanotubes, physisorption between carbon nanotubes and sulfur is preferentially caused by induced dipole interaction between carbon nanotubes and sulfur in vacuum. rises strongly in the atmosphere. This adsorption can strongly fix sulfur on the inner/outer surfaces of the carbon nanotubes compared to solution-type adsorption. In particular, physisorption bonding with sulfur occurs much stronger at the defect part outside the carbon nanotube, so that binding through sulfidication is performed, enabling sulfur to be fixed. In addition, as described above, when sulfur is fixed inside/outside the carbon nanotubes grown on the surface of the porous metal foam and the metal thin film, the electron transfer rate is increased. When the electron transfer rate improves in this way, chemisorption occurs with the carbon nanotubes in the molten state of lithium polysulfide on the electrochemical reaction mechanism that occurs during charging and discharging after battery manufacturing, forming a stronger bond to shuttle You can suppress the shuttle effect.

100 : 3차원 전극 구조체
110 : 기판
120 : 탄소나노튜브
130 : 황
100: three-dimensional electrode structure
110: substrate
120: carbon nanotube
130: sulfur

Claims (11)

리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법에 있어서,
(a) 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시켜 복수의 탄소나노튜브가 배열된 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계; 및
(b) 상기 어레이의 탄소나노튜브의 말단을 개구하고, 상기 어레이의 탄소나노튜브 표면에 결함을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
In the method for manufacturing a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery,
(a) growing carbon nanotubes on a substrate to form a carbon nanotube array in which a plurality of carbon nanotubes are arranged; and
(b) opening the ends of the carbon nanotubes of the array and forming defects on the surface of the carbon nanotubes of the array.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)는 상기 탄소나노튜브 표면을 산소 플라즈마에 노출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein step (b) comprises exposing the surface of the carbon nanotubes to oxygen plasma.
제2항에 있어서,
상기 단계 (a)는,
탄소 전구체, 수소 전구체 및 산소 전구체를 포함하는 소스 가스에 의한 PE-CVD 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to claim 2,
In the step (a),
A method for producing a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, comprising a PE-CVD step by a source gas containing a carbon precursor, a hydrogen precursor and an oxygen precursor.
제3항에 있어서,
상기 단계 (b)는 산소 전구체를 소스 가스로 하는 플라즈마로 상기 탄소나노튜브의 말단을 개구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to claim 3,
The method of manufacturing a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, characterized in that the step (b) comprises opening an end of the carbon nanotube with a plasma using an oxygen precursor as a source gas.
제4항에 있어서,
상기 단계 (b)는 산소 전구체를 소스 가스로 하는 플라즈마로 탄소나노튜브 표면에 COOH 작용기를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to claim 4,
The step (b) is a method for producing a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, characterized in that it comprises the step of forming a COOH functional group on the surface of the carbon nanotube with a plasma using an oxygen precursor as a source gas.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
(c) 상기 탄소나노튜브 어레이에 황을 기상 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to any one of claims 1 to 5,
(c) vapor deposition of sulfur on the carbon nanotube array.
제6항에 있어서,
상기 기상 증착은 진공 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to claim 6,
The vapor deposition method of manufacturing a carbon nanotube electrode, characterized in that carried out in a vacuum atmosphere.
제7항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 황은 인접하는 탄소나노튜브들 사이에서 유도 쌍극자를 형성하여 물리 흡착하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to claim 7,
In step (c), sulfur is physically adsorbed by forming an induced dipole between adjacent carbon nanotubes.
제7항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 황은 탄소나노튜브에 화학 흡착하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극의 제조 방법.
According to claim 7,
Method for producing a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, characterized in that in step (c), sulfur is chemically adsorbed to the carbon nanotube.
도전성 기판;
상기 기판에 직접 접촉하며 기판 상방으로 성장한 복수의 탄소나노튜브가 배열된 탄소나노튜브 어레이; 및
상기 탄소나노튜브 어레이를 충진하는 황을 포함하고,
상기 황은 상기 탄소나노튜브들 사이의 간극에서 상기 탄소나노튜브의 표면 작용기에 의하여 유도 쌍극자를 형성하여 물리 흡착하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극.
conductive substrate;
a carbon nanotube array in which a plurality of carbon nanotubes that directly contact the substrate and grow upward on the substrate are arranged; and
Including sulfur filling the carbon nanotube array,
The carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, characterized in that the sulfur is physically adsorbed by forming an induced dipole by the surface functional group of the carbon nanotube in the gap between the carbon nanotubes.
제10항에 있어서,
상기 표면 작용기는 COOH를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 전지용 탄소나노튜브 전극.
According to claim 10,
The surface functional group is a carbon nanotube electrode for a lithium sulfur battery, characterized in that it comprises COOH.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130065128A1 (en) 2011-09-12 2013-03-14 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Encapsulated sulfur cathodes for rechargeable lithium batteries
KR101698052B1 (en) 2014-09-05 2017-01-19 한국과학기술원 Sulfur carbon nano structure, and positive electrode of lithium-sulfur battery and battery by using the same
KR20190098401A (en) 2018-02-14 2019-08-22 주식회사 엘지화학 Method for preparing positive electrode active material for lithium sulfur battery, positive electrode active material for lithium sulfur battery prepared thereby and lithium sulfur battery including the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130065128A1 (en) 2011-09-12 2013-03-14 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Encapsulated sulfur cathodes for rechargeable lithium batteries
KR101698052B1 (en) 2014-09-05 2017-01-19 한국과학기술원 Sulfur carbon nano structure, and positive electrode of lithium-sulfur battery and battery by using the same
KR20190098401A (en) 2018-02-14 2019-08-22 주식회사 엘지화학 Method for preparing positive electrode active material for lithium sulfur battery, positive electrode active material for lithium sulfur battery prepared thereby and lithium sulfur battery including the same

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