KR20230173825A - Manufacturing method of carbon-based material and current collector for lithium secondary battery coated with the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소계 물질의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 탄소계 물질을 코팅한 집전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명의 제조방법으로 제조된 탄소계 물질을 리튬이차전지용 집전체에 적용하여 전지의 제반 성능을 향상시키고 리튬 덴드라이트 성장을 억제할 수 있는 발명에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon-based material and a current collector coated with the carbon-based material produced by the production method. More specifically, the carbon-based material produced by the production method of the present invention is applied to a current collector for a lithium secondary battery. It relates to an invention that can be applied to improve battery performance and suppress lithium dendrite growth.
Description
본 발명은 탄소계 물질의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 탄소계 물질을 코팅한 집전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명의 제조방법으로 제조된 탄소계 물질을 리튬이차전지용 집전체에 코팅하여 전지의 제반 성능을 향상시키고 리튬 덴드라이트 성장을 억제할 수 있는 발명에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon-based material and a current collector coated with the carbon-based material produced by the production method. More specifically, the carbon-based material produced by the production method of the present invention is applied to a current collector for a lithium secondary battery. It relates to an invention that can improve overall battery performance and inhibit lithium dendrite growth by coating on .
리튬이차전지는 기존에 존재하던 이차전지(납축전지, 니켈수소)와 비교했을 때 에너지 저장 용량과 수명이 훨씬 뛰어나다.Lithium secondary batteries have much better energy storage capacity and lifespan compared to existing secondary batteries (lead acid batteries, nickel hydride batteries).
상기 리튬이차전지의 적용분야는 휴대용 기기뿐 아니라 전기자동차까지 확대되고 있다. 구체적으로, 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차는 점차 리튬이온전지를 사용하는 전기자동차로 대체되고 있으며, 전기자동차가 완전히 상용화된다면 화석연료로 인한 공기오염과 지구온난화가 줄어들 수 있고, 장기적으로 인간이 살아가는 환경을 보존하는데 큰 의미가 있을 것이다. 또한 풍력, 태양광 등 신재생시스템에 반드시 필요한 에너지저장시스템(ESS)에도 리튬이온전지가 적용되고 있다.The application field of the lithium secondary battery is expanding not only to portable devices but also to electric vehicles. Specifically, internal combustion engine vehicles using fossil fuels are gradually being replaced by electric vehicles using lithium-ion batteries, and if electric vehicles are fully commercialized, air pollution and global warming caused by fossil fuels can be reduced, and in the long run, human It will be of great significance in preserving the environment in which we live. In addition, lithium-ion batteries are also being applied to energy storage systems (ESS), which are essential for new and renewable systems such as wind power and solar power.
이와 같이, 다양한 활용처에 사용되고 있는 리튬이차전지의 에너지 밀도 향상을 위한 차세대 리튬이차전지로서 리튬 금속전지가 개발되었다.In this way, lithium metal batteries have been developed as next-generation lithium secondary batteries to improve the energy density of lithium secondary batteries used in various applications.
상기 리튬 금속전지는 음극재로 리튬 금속을 사용하여, 전지의 방전 시 음극의 리튬 금속이 전자를 잃고 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 전지의 충전 시 리튬 이온이 전해질을 통해 음극으로 이동하여 음극 활물질에 저장되는 전기화학적인 반응을 이용하는 전지이다. 이는, 음극재로 흑연 등을 사용하는 상용 리튬이온전지에 비하여, 이론적으로 매우 높은 에너지 용량을 가지는 이점이 있다.The lithium metal battery uses lithium metal as a negative electrode material. When the battery is discharged, the lithium metal in the negative electrode loses electrons and moves to the positive electrode through the electrolyte, and when the battery is charged, lithium ions move to the negative electrode through the electrolyte and become the negative electrode active material. It is a battery that uses electrochemical reactions stored in . This has the advantage of theoretically having a very high energy capacity compared to commercial lithium ion batteries that use graphite or the like as a negative electrode material.
그러나, 상기 리튬 금속전지는, 리튬 금속 음극재를 사용함에 따라서 충방전 시 음극재인 리튬 금속 표면에 덴드라이트(Dendrite)가 생성되는 문제가 있다. 덴드라이트는 리튬 금속 표면에서부터 나뭇가지 모양으로 쌓이는 결정체로 리튬이온의 이동을 방해하여 충방전 효율 저하와 단락 발생, 수명 단축 등의 문제를 초래한다.However, as the lithium metal battery uses a lithium metal negative electrode material, there is a problem in that dendrites are generated on the surface of the lithium metal negative electrode material during charging and discharging. Dendrites are crystals that accumulate in the shape of tree branches on the surface of lithium metal and interfere with the movement of lithium ions, resulting in problems such as reduced charging and discharging efficiency, short circuits, and shortened lifespan.
따라서, 음극재로서 리튬 금속을 사용하는 리튬 금속전지를 상용하기 위해서는 덴드라이트 발생 문제를 해결하기 위한 과제가 남아있다.Therefore, in order to commercialize lithium metal batteries using lithium metal as a negative electrode material, there remains a task of solving the problem of dendrite generation.
본 발명의 제1 해결 과제는 탄소계 물질의 입자 형상 및 입자 크기 조절이 가능한 신규한 탄소계 물질의 제조방법을 제공하는데 있다.The first problem of the present invention is to provide a novel method for producing a carbon-based material capable of controlling the particle shape and particle size of the carbon-based material.
본 발명의 제2 해결과제는 탄소계 물질의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 탄소게 물질을 코팅한 리튬이차전지용 집전체를 제공하는데 있다.The second problem of the present invention is to provide a method for producing a carbon-based material and a current collector for a lithium secondary battery coated with the carbon material produced by the method.
본 발명의 제3 해결과제는 리튬 금속을 음극으로 사용하는 리튬 금속전지의 성능을 개선하고, 덴드라이트 성장을 억제하여 전지의 제반 성능을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 집전체를 제공하는데 있다.The third problem of the present invention is to provide a current collector for a lithium secondary battery that can improve the performance of a lithium metal battery using lithium metal as a negative electrode and improve the overall performance of the battery by suppressing dendrite growth.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood by the following description and will be more clearly understood by the examples of the present invention. Additionally, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present invention can be realized by means and combinations thereof as set forth in the claims.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention
(A) 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물 및 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 제조하는 단계; 및(A) preparing a basic carbon nitride precursor composition and an acidic carbon nitride precursor composition; and
(B) 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 방식으로 투입하여 반응하는 단계를 포함하는, 탄소계 물질 제조방법을 제공한다.(B) providing a method for producing a carbon-based material, including the step of adding the acidic carbon nitride precursor composition to the basic carbon nitride precursor composition in a dropwise manner and reacting the acidic carbon nitride precursor composition.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물과 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물은 0 ℃ 내지 20 ℃, 또는 5℃ 내지 18 ℃에서 반응하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the acidic carbon nitride precursor composition and the basic carbon nitride precursor composition may react at 0°C to 20°C, or 5°C to 18°C.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물은 염기성 작용기를 가지는 탄소 질화물 전구체를 포함하며, 상기 염기성 작용기는 아민기, 이민기, 아마이드기, 아지드기, 질산염기 또는 암모늄기로 이루어진 군에서 1종이상 선택되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the basic carbon nitride precursor composition includes a carbon nitride precursor having a basic functional group, and the basic functional group is a group consisting of an amine group, an imine group, an amide group, an azide group, a nitrate group, or an ammonium group. One or more types may be selected from .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물은 산성 작용기를 가지는 탄소 질화물 전구체를 포함하며, 상기 산성 작용기는 하이드록시기, 카르복실기, 에스테르기, 포스핀기, 인산기, 포스포닉산기 또는 술폰산기로 이루어진 군에서 1종이상 선택되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the acidic carbon nitride precursor composition includes a carbon nitride precursor having an acidic functional group, wherein the acidic functional group is a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, a phosphine group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, or a sulfonic acid group. One or more types may be selected from the group consisting of groups.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제조된 탄소계 물질의 입자 크기(직경)는 500 nm 내지 50㎛이며, BET 표면적은 50 m2/g 내지 120 m2/g이고, 기공 크기는 10 내지 30 nm이며, 기공의 부피는 0.2 내지 0.6 cm3/g인 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the particle size (diameter) of the prepared carbon-based material is 500 nm to 50 ㎛, the BET surface area is 50 m 2 /g to 120 m 2 /g, and the pore size is 10 to 120 m 2 /g. It is 30 nm, and the pore volume may be 0.2 to 0.6 cm 3 /g.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 Meanwhile, in order to achieve the above object, the present invention
(A) 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물 및 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 제조하는 단계; 및(A) preparing a basic carbon nitride precursor composition and an acidic carbon nitride precursor composition; and
(B) 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 방식으로 투입하여 반응하는 단계에 의해 제조된 탄소계 물질이 코팅된 코팅층을 포함하는 리튬이차전지용 집전체를 제공한다.(B) A current collector for a lithium secondary battery including a coating layer coated with a carbon-based material prepared by reacting the acidic carbon nitride precursor composition to the basic carbon nitride precursor composition in a dropwise manner.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소계 물질을 코팅하는 단계는 상기 탄소계 물질 및 바인더를 포함하는 코팅용 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 코팅용 조성물을 금속 박막층의 적어도 일면에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, coating the carbon-based material includes preparing a coating composition including the carbon-based material and a binder; And it may include coating the coating composition on at least one surface of the metal thin film layer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 스테인리스 스틸로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal may be one or two or more alloys selected from the group consisting of copper, aluminum, nickel, titanium, and stainless steel.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅용 조성물의 점도는 0.05 내지 0.2 g/ml로 제어된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the viscosity of the coating composition may be controlled to 0.05 to 0.2 g/ml.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅층의 두께는 1 내지 10 ㎛ 인 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the thickness of the coating layer may be 1 to 10 ㎛.
본 발명은 음극; The present invention is a cathode;
양극 및anode and
상기 음극과 양극 사이에 형성된 분리막을 포함하고, It includes a separator formed between the cathode and the anode,
상기 음극의 집전체는 상술한 리튬이차전지용 집전체이며, 이 때 음극은 리튬 금속인 리튬이차전지를 제공할 수 있다.The current collector of the negative electrode is the current collector for a lithium secondary battery described above, and in this case, a lithium secondary battery in which the negative electrode is lithium metal can be provided.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.The means for solving the above problems do not enumerate all the features of the present invention. The various features of the present invention and its advantages and effects can be understood in more detail by referring to the specific examples below.
본 발명에 따르면, 금속 박막층의 적어도 일면에 본 발명의 제조방법으로 제조된 탄소계 물질이 코팅된 집전체를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a current collector in which at least one surface of a metal thin film layer is coated with a carbon-based material manufactured by the manufacturing method of the present invention.
특히, 본 발명의 제조방법으로 제조된 탄소계 물질은 다공성 구형의 물성을 가지고, 이로 인해 리튬의 부피 팽창과 리튬 덴드라이트의 성장을 효과적으로 억제함으로써, 리튬 금속전지의 제반 성능을 향상시킬 수 있다. In particular, the carbon-based material produced by the manufacturing method of the present invention has porous spherical physical properties, and thus can effectively suppress the volume expansion of lithium and the growth of lithium dendrites, thereby improving the overall performance of the lithium metal battery.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the above-described effects, specific effects of the present invention are described below while explaining specific details for carrying out the invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소계 물질의 제조방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 g-C3N4가 코팅된 집전체의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 합성된 g-C3N4의 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따라 합성된 g-C3N4의 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 반쪽 전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 전지의 전기화학실험 결과를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a flow chart of a method for manufacturing a carbon-based material according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of a current collector coated with gC 3 N 4 according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a FE-SEM photograph of gC 3 N 4 synthesized according to an example of the present invention.
Figure 4 shows a FE-SEM photograph of gC 3 N 4 synthesized according to a comparative example of the present invention.
Figure 5 is a schematic diagram showing the structure of a half cell manufactured in one embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the results of electrochemical testing of a battery manufactured in one embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면과 설명을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세히 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 방법 중에서 바람직한 실시 방법에 대한 것이며, 본 발명이 하기의 도면과 설명만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the principles of preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and description. However, the drawings shown below and the description below are for preferred implementation methods among various methods for effectively explaining the characteristics of the present invention, and the present invention is not limited to the drawings and description below.
한편, 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Meanwhile, terms such as first or second may be used to describe various components, but these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, and are intended to indicate the presence of one or more other features or numbers, It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art. Terms as defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in this specification, should not be interpreted in an idealized or overly formal sense. No.
도 1은 본 발명에 따른 탄소계 물질의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면 본 발명은, 1 is a flowchart showing a method for producing a carbon-based material according to the present invention. Referring to Figure 1, the present invention,
(A) 염기성 탄소 질화 전구체 조성물 및 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 제조하는 단계; 및 (A) preparing a basic carbon nitride precursor composition and an acidic carbon nitride precursor composition; and
(B) 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 (Dropwise) 방식으로 투입하여 반응하는 단계를 포함하는 탄소계 물질의 제조방법을 제공한다.(B) providing a method for producing a carbon-based material including the step of adding the acidic carbon nitride precursor composition to the basic carbon nitride precursor composition in a dropwise manner and reacting the acidic carbon nitride precursor composition.
또한, 본 발명은 In addition, the present invention
(A) 염기성 탄소 질화 전구체 조성물 및 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 제조하는 단계; 및 (A) preparing a basic carbon nitride precursor composition and an acidic carbon nitride precursor composition; and
(B) 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 (Dropwise) 방식으로 투입하여 반응하는 단계에 의해 제조된 탄소계 물질을 금속 박막층 일면에 코팅한 리튬이차전지용 집전체를 제공한다.(B) A current collector for a lithium secondary battery is provided in which one surface of a metal thin film layer is coated with a carbon-based material prepared by reacting the basic carbon nitride precursor composition with the acidic carbon nitride precursor composition in a dropwise manner. .
이하, 본 발명의 도면과 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings and examples of the present invention.
1. 염기성 탄소 질화 전구체 조성물 및 산성 탄소 질화 전구체 조성물 제조 단계1. Steps for producing basic carbon nitride precursor composition and acidic carbon nitride precursor composition
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체와 산성탄소 질화물 전구체는 각각 탄소와 질소로 구성된 고리형의 방향족 구조를 가지는 화합물일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the basic carbon nitride precursor and the acidic carbon nitride precursor may each be a compound having a cyclic aromatic structure composed of carbon and nitrogen.
이 때, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물은 염기성 작용기를 가지는 탄소 질화물 전구체를 포함할 수 있고, 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물은 산성 작용기를 가지는 탄소 질화물 전구체를 포함할 수 있다.At this time, the basic carbon nitride precursor composition may include a carbon nitride precursor having a basic functional group, and the acidic carbon nitride precursor composition may include a carbon nitride precursor having an acidic functional group.
여기서 염기성 작용기는 예를 들어, 아민기, 이민기, 아마이드기, 아지드기, 질산염기 또는 암모늄기를 포함할 수 있고, 구체적인 예로서, 아민기일 수 있으며, 상기 산성 작용기는 히드록시기, 카르복실기, 에스테르기, 포스핀기, 인산기, 포스포닉산기 또는 술폰산기를 포함할 수 있고, 구체적인 예로서는, 히드록시기일 수 있다.Here, the basic functional group may include, for example, an amine group, an imine group, an amide group, an azide group, a nitrate group, or an ammonium group. As a specific example, it may be an amine group, and the acidic functional group may include a hydroxy group, a carboxyl group, an ester group, It may include a phosphine group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, or a sulfonic acid group, and a specific example may be a hydroxy group.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물은 염기성 작용기를 가지는 염기성 탄소 질화물 전구체와 용매가 혼합된 조성물일 수 있고, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체는 예를 들어, 탄소와 질소의 방향족 고리 구조에 아민기를 작용기로 가지는 멜라민일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the basic carbon nitride precursor composition may be a mixture of a basic carbon nitride precursor having a basic functional group and a solvent, and the basic carbon nitride precursor may include, for example, an aromatic ring of carbon and nitrogen. It may be melamine, which has an amine group as a functional group in its structure.
한편, 염기성 탄소 질화물 전구체와 혼합되는 용매는 예를 들어, 탄소수 1 내지 3의 알코올, 아세토나이트릴, 디알킬로프아미드 및 디알킬설폭사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 구체적인 예로서, 상기 용매는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)일 수 있다.On the other hand, the solvent mixed with the basic carbon nitride precursor may include, for example, one or more selected from the group consisting of alcohols having 1 to 3 carbon atoms, acetonitrile, dialkylovamide, and dialkyl sulfoxide, and specific As an example, the solvent may be dimethyl sulfoxide (DMSO).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물은 산성 작용기를 가지는 산성 탄소 질화물 전구체와 용매가 혼합된 조성물일 수 있고, 상기 산성 탄소 질화물 전구체는 예를 들어, 탄소와 질소의 방향족 고리 구조에 히드록시기를 작용기로 가지는 시아누르산(cyanuric acid)일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the acidic carbon nitride precursor composition may be a mixture of an acidic carbon nitride precursor having an acidic functional group and a solvent, and the acidic carbon nitride precursor may include, for example, an aromatic ring of carbon and nitrogen. It may be cyanuric acid, which has a hydroxy group as a functional group in its structure.
한편, 산성 탄소 질화물 전구체와 혼합되는 용매는 예를 들어, 탄소수 1 내지 3의 알코올, 아세토나이트릴, 디알킬로프아미드 및 디알킬설폭사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 구체적인 예로서, 상기 용매는 디메틸설폭사이드 (dimethyl sulfoxide, DMSO)일 수 있다.Meanwhile, the solvent mixed with the acidic carbon nitride precursor may include, for example, one or more selected from the group consisting of alcohols having 1 to 3 carbon atoms, acetonitrile, dialkylovamide, and dialkyl sulfoxide, and specific As an example, the solvent may be dimethyl sulfoxide (DMSO).
2. 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 (Dropwise) 방식으로 투입하는 단계 2. Dropwise adding the acidic carbon nitride precursor composition to the basic carbon nitride precursor composition.
본 발명의 탄소계 물질을 제조하는 방법은 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물과 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 반응하여 최종 탄소계 물질을 제조하는 단계를 포함한다.The method for producing a carbon-based material of the present invention includes reacting the basic carbon nitride precursor composition and the acidic carbon nitride precursor composition to produce a final carbon-based material.
구체적으로, 본 발명의 탄소계 물질 제조방법은 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하(Dropwise) 방식으로 투입함으로써 반응이 진행될 수 있다. Specifically, in the method for producing a carbon-based material of the present invention, the reaction can be carried out by dropping the acidic carbon nitride precursor composition into the basic carbon nitride precursor composition.
종래에는 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 단순 투입(pouring)하는 방식으로 반응을 진행하여 탄소계 물질을 합성하였는데, 본 발명에서는 특정 속도로 적하(dropwise) 방식으로 투입하는 경우, 최종 생성물의 입자 크기, 형상 및 비표면적 등을 제어할 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르렀다.In the past, carbon-based materials were synthesized by simply pouring an acidic carbon nitride precursor composition into a basic carbon nitride precursor composition. However, in the present invention, when pouring dropwise at a specific rate, the final The present invention was developed after discovering that the particle size, shape, and specific surface area of the product could be controlled.
특히, 적하(dropwise) 방식으로 투입하는 전구체 조성물을 산성 탄소 질화물 전구체 조성물로 한정하는 경우, 3차원 구형의 형상을 가지는 다공성 입자(탄소계 물질)를 최종 생성물로 확보할 수 있었다 (도 3 및 도 4 비교).In particular, when the precursor composition added in a dropwise manner was limited to an acidic carbon nitride precursor composition, porous particles (carbon-based material) having a three-dimensional spherical shape could be secured as the final product (FIGS. 3 and 3 4 comparison).
또한, 본 발명에서는, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물과 산성 탄소 질화물 전구체 조성물의 반응이 0 ℃ 내지 20 ℃, 또는 5℃ 내지 18 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다. Additionally, in the present invention, the reaction between the basic carbon nitride precursor composition and the acidic carbon nitride precursor composition is characterized in that it is carried out at 0°C to 20°C, or 5°C to 18°C.
상술한 온도 범위, 즉 상온 미만의 상대적으로 낮은 온도 범위 내에서 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물과 산성 탄소 질화물 전구체 조성물이 반응하고, 적하 방식으로 투입하는 전구체 조성물을 산성 탄소 질화물 전구체 조성물로 한정하는 경우, 최종 생성되는 탄소계 물질을 3차원 구형 입자로 제조할 수 있어, 목적하는 리튬 덴드라이트 성장 억제와 전지의 성능 향상 효과를 최대로 발휘할 수 있도록 구조가 제어된 탄소계 물질을 제조할 수 있다.If the basic carbon nitride precursor composition and the acidic carbon nitride precursor composition react within the above-described temperature range, that is, a relatively low temperature range below room temperature, and the precursor composition added dropwise is limited to the acidic carbon nitride precursor composition, the final The resulting carbon-based material can be manufactured into three-dimensional spherical particles, making it possible to manufacture a carbon-based material with a controlled structure to maximize the desired effects of inhibiting lithium dendrite growth and improving battery performance.
한편, 본 발명의 탄소계 물질 제조방법은 (C) 상기 반응을 통해 생성된 반응 생성물을 건조시켜 분체를 제조하는 단계; 및 (D) 상기 분체를 질소 분위기 하에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the method for producing a carbon-based material of the present invention includes the steps of (C) drying the reaction product generated through the reaction to produce a powder; and (D) heat treating the powder under a nitrogen atmosphere.
상기 반응을 통해 생성된 반응 생성물을 건조시켜 분체를 제조하는 단계는, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 투입하여 적정 온도에서 반응시켜 제조된 반응 생성물을 1 시간 내지 4 시간동안 정적(static) 상태로 체류시키고, 원심 분리시킨 후, 탈이온수와 알코올류 용액으로 1회 내지 5회 세척한 후에 수행될 수 있다.In the step of drying the reaction product produced through the reaction to produce a powder, the reaction product prepared by adding an acidic carbon nitride precursor composition to the basic carbon nitride precursor composition and reacting at an appropriate temperature is statically stored for 1 to 4 hours. It can be performed after remaining in a (static) state, centrifuging, and washing 1 to 5 times with deionized water and alcohol solution.
이와 같이, 체류, 원심 분리, 세척 단계를 거치는 경우, 반응 생성물로서 목적하는 탄소계 물질을 포함하는 침전물을 효과적으로 얻을 수 있다.In this way, when retention, centrifugation, and washing steps are performed, a precipitate containing the desired carbon-based material can be effectively obtained as a reaction product.
상기 과정을 통해 얻은 반응 생성물은 건조를 통해 분체로 제조할 수 있다. 상기 건조 단계는 40 ℃ 내지 100 ℃ 또는 50 ℃ 내지 70 ℃에서 12 시간 내지 48 시간 또는 12 시간 내지 36 시간 동안 수행될 수 있다.The reaction product obtained through the above process can be manufactured into powder through drying. The drying step may be performed at 40°C to 100°C or 50°C to 70°C for 12 hours to 48 hours or 12 hours to 36 hours.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분체를 질소 분위기 하에서 열처리하는 단계는, 비활성 가스 분위기 하에서, 450 ℃ 내지 600 ℃에서 2 시간 내지 6시간 동안 1.8 ℃/min 내지 2.6 ℃/min으로 승온시키는 방법으로 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step of heat treating the powder in a nitrogen atmosphere includes raising the temperature to 1.8 ℃/min to 2.6 ℃/min for 2 to 6 hours at 450 ℃ to 600 ℃ in an inert gas atmosphere. It can be performed as:
구체적인 예로서, 상기 분체를 질소 분위기 하에서 열처리하는 단계는, 질소 분위기 하에서, 500 ℃ 내지 600 ℃에서 3 시간 내지 5 시간 동안 2 ℃ /min 내지 2.5 ℃/min으로 승온시키는 방법으로 수행될 수 있다. 이 경우, 목적하는 크기 및 구조의 탄소계 물질을 제조할 수 있다.As a specific example, the step of heat treating the powder under a nitrogen atmosphere may be performed by raising the temperature to 2°C/min to 2.5°C/min for 3 to 5 hours at 500°C to 600°C under a nitrogen atmosphere. In this case, a carbon-based material of the desired size and structure can be manufactured.
3. 탄소계 물질의 물성3. Physical properties of carbon-based materials
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소계 물질은 탄소 질화물(carbonnitride), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 플러렌(fullerene), 탄소나노입자(carbon nanoparticle), 탄소나노와이어(carbon nanowire), 천연흑연, 인조 흑연, 팽창흑연, 활성탄 및 탄소섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 구체적인 예로서, 상기 탄소계 물질은 탄소 질화물일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon-based material is carbon nitride, graphene, carbon nanotube, fullerene, carbon nanoparticle, carbon nanowire ( carbon nanowire), natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, activated carbon, and carbon fiber. As a specific example, the carbon-based material may be carbon nitride.
상기 탄소 질화물은 구체적인 예로서, 상기 탄소 질화물은 그래파이트형 탄소 질화물(graphitic carbon nitride, g-C3N4)을 포함할 수 있다. 상기 그래파이트형 탄소 질화물은 질소를 포함하는 탄소물질로서, 탄소와 질소가 교대로 배열되면서 그래핀과 유사한 육각형 고리가 2차원으로 펼쳐진 편층 구조를 갖는 이원화합물이다.As a specific example, the carbon nitride may include graphitic carbon nitride (g-C3N4). The graphite-type carbon nitride is a carbon material containing nitrogen, and is a binary compound having a two-dimensional layered structure in which carbon and nitrogen are arranged alternately and hexagonal rings similar to graphene are spread out in two dimensions.
상기 그래파이트형 탄소 질화물은 다양한 CN 구조의 안정적인 동소체가 존재하고, 다른 질소-탄소 물질에 비해 질소의 함량이 많아 유효한 반응 부위를 생성할 수 있어 전자 도너/엑셉터(donor/acceptor)가 증가된다. 게다가, 질소의 농도는 전해질과 함께 습윤을 부양하여 물질 전달의 효율을 개선하고 많은 부가적인 유사-용량(pseudo-capacitance)을 제공한다. 나아가, 그래파이트형 탄소 질화물은 라멜라 구조(lamellar structure) 특성에 의해 잘 결정화되어 전하 이동을 촉진할 수 있으며, 그래핀과 비교하여, 복잡한 후처리 없이 직접 폴리-축합에 의해 쉽게 합성될 수 있다는 장점이 있다.The graphite-type carbon nitride has stable allotropes of various CN structures, and has a higher nitrogen content than other nitrogen-carbon materials, so it can create effective reaction sites, thereby increasing electron donors/acceptors. Additionally, the concentration of nitrogen enhances wetting with the electrolyte, improving the efficiency of mass transfer and providing much additional pseudo-capacitance. Furthermore, graphite-type carbon nitride can be well crystallized due to its lamellar structure characteristics to promote charge transfer, and compared to graphene, it has the advantage of being easily synthesized by direct poly-condensation without complicated post-processing. there is.
이러한 그래파이트형 탄소 질화물을 이용하여 본 발명에 따른 집전체에 코팅층을 형성함으로써, 탄소 질화물 중 질소의 높은 리튬 친화도로 인해 리튬이 전착될 때의 활성자리(active site)로 작용하여 과전압을 낮출 수 있으며, 탄소질화물의 높은 비표면적에 따른 활성 자리 제공 증가로 인해 리튬 이온의 플럭스 분포를 안정화시켜 균일한 리튬 전착을 유도할 수 있고, 특히 구형의 탄소 질화물의 높은 기공도로 인해 리튬을 저장할 수 있는 공간을 제공함으로써 리튬의 부피팽창을 억제하고 덴드라이트 성장을 억제할 수 있어 이를 이용하여 제조되는 리튬이차전지, 특히 리튬 금속전지의 성능을 개선할 수 있다.By forming a coating layer on the current collector according to the present invention using this graphite-type carbon nitride, the overvoltage can be reduced by acting as an active site when lithium is electrodeposited due to the high affinity of nitrogen in carbon nitride for lithium. , the increased provision of active sites due to the high specific surface area of carbon nitride can stabilize the flux distribution of lithium ions, leading to uniform lithium electrodeposition, and in particular, the high porosity of spherical carbon nitride creates a space for storing lithium. By providing this, the volume expansion of lithium can be suppressed and dendrite growth can be suppressed, thereby improving the performance of lithium secondary batteries manufactured using it, especially lithium metal batteries.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 최종 탄소계 물질의 BET 비표면적은 30 m2/g 내지 120 m2/g, 바람직하게는 50 m2/g 내지 120 m2/g 더 바람직하게는 85 m2/g 내지 120 m2/g일 수 있다. 특히, 상온 미만의 온도 범위 내에서 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물과 산성 탄소 질화물 전구체 조성물이 반응하고, 적하 방식으로 투입하는 전구체 조성물을 산성 탄소 질화물 전구체 조성물로 한정하는 경우 BET 비표면적을 증가시킬 수 있다 (표 1 참고).The BET specific surface area of the final carbon-based material prepared according to the production method of the present invention is 30 m 2 /g to 120 m 2 /g, preferably 50 m 2 /g to 120 m 2 /g, more preferably 85 m 2 /g. It may be 2 /g to 120 m 2 /g. In particular, if the basic carbon nitride precursor composition and the acidic carbon nitride precursor composition react within a temperature range below room temperature, and the precursor composition introduced dropwise is limited to the acidic carbon nitride precursor composition, the BET specific surface area can be increased ( (see Table 1).
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소계 물질의 평균 입자 크기는 500 nm 내지 50 ㎛ 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 더 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 탄소계 물질의 평균 입자 크기가 더 작을수록, 금속 박막층에 코팅 시 탄소계 물질의 분산성이 향상되어 전지 제조의 공정성이 향상될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the average particle size of the carbon-based material may be 500 nm to 50 ㎛, preferably 1 ㎛ to 20 ㎛, more preferably 1 ㎛ to 10 ㎛. As the average particle size of the carbon-based material becomes smaller, the dispersibility of the carbon-based material improves when coated on a metal thin film layer, thereby improving the processability of battery manufacturing.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소계 물질은 크기가 20 nm 내지 30 nm인 기공을 포함하며, 상기 기공의 부피는 0.2 cm3/g 내지 0.6 cm3/g, 바람직하게는 0.2 cm3/g 내지 0.5 cm3/g 더 바람직하게는 0.2 cm3/g 내지 0.4 cm3/g 일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소계 물질은 전구체의 결합 구조로 인하여 기공의 크기가 조절될 수 있고, 그 중, 상기 범위 내의 크기를 갖는 기공의 부피가 0.2 cm3/g 내지 0.4 cm3/g으로 형성될 경우 리튬을 효과적으로 저장하여 덴드라이트 형성을 억제하는 효과가 있으며, 0.2 cm3/g 보다 작게 형성될 경우 제한적인 공간으로 인해 덴드라이트가 생성되는 문제가 발 생할 수 있다.In one embodiment of the invention, the carbon-based material includes pores having a size of 20 nm to 30 nm, and the volume of the pores is 0.2 cm 3 /g to 0.6 cm 3 /g, preferably 0.2 cm 3 / g. g to 0.5 cm 3 /g, more preferably 0.2 cm 3 /g to 0.4 cm 3 /g. Specifically, the size of the pores of the carbon-based material can be adjusted due to the bonding structure of the precursor, and the volume of pores having a size within the above range will be formed from 0.2 cm 3 /g to 0.4 cm 3 /g. In this case, it has the effect of effectively storing lithium and suppressing dendrite formation, but if it is formed smaller than 0.2 cm 3 /g, problems with dendrite formation may occur due to limited space.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소계 물질이 코팅된 집전체는 음극 집전체일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 박막층의 적어도 일면에 탄소계 물질이 도포된 코팅층을 포함하는 집전체는 완전 전지(full cell)에 적용 시 음극 집전체로 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the current collector coated with the carbon-based material may be a negative electrode current collector. Specifically, a current collector including a coating layer coated with a carbon-based material on at least one surface of the metal thin film layer can be used as a negative electrode current collector when applied to a full cell.
상기 탄소계 물질이 코팅된 집전체를 음극 집전체로 사용함으로써 리튬 금속으로 인한 덴드라이트 성장을 억제하여 전지의 성능 개선시키고 안전성을 향상시킬 수 있다.By using a current collector coated with the carbon-based material as a negative electrode current collector, dendrite growth caused by lithium metal can be suppressed, thereby improving battery performance and safety.
4. 리튬이차전지용 집전체 및 리튬이차전지4. Current collector for lithium secondary battery and lithium secondary battery
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, the present invention
(A) 염기성 탄소 질화 전구체 조성물 및 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 제조하는 단계; 및 (A) preparing a basic carbon nitride precursor composition and an acidic carbon nitride precursor composition; and
(B) 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 방식으로 투입하여 반응하는 단계에 의해 제조된 탄소계 물질을 금속 박막층의 적어도 일면에 코팅한 리튬이차전지용 집전체를 제공한다.(B) A current collector for a lithium secondary battery is provided in which at least one side of a metal thin film layer is coated with a carbon-based material prepared by reacting the basic carbon nitride precursor composition with the acidic carbon nitride precursor composition in a dropwise manner.
여기서, 탄소계 물질을 금속 박막층의 적어도 일면에 코팅하는 단계는, (E) 상기 탄소계 물질, 바인더를 포함하는 코팅용 조성물을 제조하는 단계; 및 (F) 상기 코팅용 조성물을 상기 금속 박막층의 적어도 일면에 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다. 코팅용 조성물은 상술한 탄소계 물질을 바인더와 혼합하여 형성될 수 있다.Here, the step of coating a carbon-based material on at least one surface of the metal thin film layer includes (E) preparing a coating composition including the carbon-based material and a binder; and (F) coating the coating composition on at least one surface of the metal thin film layer. The coating composition can be formed by mixing the above-described carbon-based material with a binder.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플로라이드-트리클로로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌(PVdF-CTFE), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌-코-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 수계 또는 비수계(유기계) 고분자를 포함할 수 있다.The binder is polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, polyvinylpyrrolidone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride-trichloroethylene, polyvinylidene fluoride- Chlorotrifluoroethylene (PVdF-CTFE), polymethyl methacrylate, polyvinyl acetate, ethylene-co-vinyl acetate copolymer, polyethylene oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butylate, cellulose acetate propionate, cyanoethyl An aqueous solution containing at least one selected from the group consisting of pullulan, cyanoethyl polyvinyl alcohol, cyanoethyl cellulose, cyanoethyl sucrose, pullulan, carboxymethyl cellulose, acrylonitrile styrene butadiene copolymer, and polyimide. Alternatively, it may include non-aqueous (organic) polymers.
상기 바인더는 상기 코팅용 조성물 100 중량부에 대하여 1 내지 50중량부 또는 10 내지 30 중량부로 혼합될 수 있다. 상기 범위 내의 바인더를 포함하는 경우, 슬러리로 형성되는 코팅층과 상기 코팅층이 형성되는 금속 박막층 간의 접착성을 향상시켜 상기 코팅층이 박리되는 것을 방지할 수 있다.The binder may be mixed in an amount of 1 to 50 parts by weight or 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the coating composition. When the binder within the above range is included, the adhesion between the coating layer formed from the slurry and the metal thin film layer on which the coating layer is formed can be improved to prevent the coating layer from peeling.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅용 조성물은 상기 탄소계 물질 및 바인더가 9:1 내지 6:4 또는 9:1 내지 7:3의 중량부로 포함할 수 있다. 이를 통해 상기 금속 박막층의 적어도 일면에 코팅층을 형성할 때, 집전체에 탄소계 물질을 결착시킴과 아울러 탄소계 물질끼리를 결착이 용이하게 할 수 있으며, 탄소계 물질을 균일하게 분산시켜 전지의 성능을 개선할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the coating composition may include the carbon-based material and the binder in a weight ratio of 9:1 to 6:4 or 9:1 to 7:3. Through this, when forming a coating layer on at least one side of the metal thin film layer, it is possible to bind the carbon-based material to the current collector and facilitate the bonding of the carbon-based materials to each other, and to uniformly disperse the carbon-based material to improve battery performance. can be improved.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매는 상기 코팅용 조성물을 구성하는 탄소계 물질, 바인더 등을 일정 수준 이상 용해시킬 수 있다면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 아세톤, 테트라히드로퓨란, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 또는 물 등이 있으며, 이들을 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.According to one embodiment of the present invention, the coating composition may further include a solvent. The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the carbon-based material, binder, etc. that constitute the coating composition to a certain level or more. For example, acetone, tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, Examples include dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), or water, and two or more of these may be used in combination.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅용 조성물의 점도는 0.01 g/mL 내지 1 g/mL, 0.01 g/mL 내지 0.5 g/mL 또는 0.05 g/mL 내지 0.2 g/mL로 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅용 조성물을 구성하는 성분들의 함량을 제어하여 상기 코팅용 조성물의 점도를 상기 범위 내로 조절할 수 있고, 상기 범위 내로 코팅용 조성물의 점도를 제어함으로써, 상기 금속 박막층의 적어도 일면에 코팅층을 형성할 때, 두께가 너무 얇아지는 것을 방지하여 탄소계 물질을 균일하게 분산시킬 수 있고, 동시에 두께가 너무 두꺼워지는 것을 방지하여 저항이 너무 높아지는 것을 막을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅층은 통상의 슬러리 코팅 방법을 통해 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the viscosity of the coating composition may be controlled to 0.01 g/mL to 1 g/mL, 0.01 g/mL to 0.5 g/mL, or 0.05 g/mL to 0.2 g/mL. . Specifically, the viscosity of the coating composition can be adjusted within the above range by controlling the content of the components constituting the coating composition, and by controlling the viscosity of the coating composition within the above range, a coating layer is formed on at least one surface of the metal thin film layer. When forming, the carbon-based material can be uniformly dispersed by preventing the thickness from becoming too thin, and at the same time, the resistance can be prevented from becoming too high by preventing the thickness from becoming too thick. According to one embodiment of the present invention, the coating layer may be formed through a typical slurry coating method.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 박막층을 형성하는 금속은, 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 스테인리스 스틸로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금일 수 있으며, 구체적인 예로서, 상기 금속 박막층은 구리박 (Cu foil)일 수 있다.Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, the metal forming the metal thin film layer may be one or two or more alloys selected from the group consisting of copper, aluminum, nickel, titanium, and stainless steel. As a specific example, The metal thin film layer may be copper foil (Cu foil).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 박막층의 두께는 5 ㎛ 내지 500 ㎛, 5 ㎛ 내지 300 ㎛ 또는 5 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다. 상기 금속 박막층의 두께가 상기 범위일 경우, 탄소계 물질의 증착이 용이하며, 전극의 면저항을 낮추는데 효과적이다.According to one embodiment of the present invention, the thickness of the metal thin film layer may be 5 ㎛ to 500 ㎛, 5 ㎛ to 300 ㎛, or 5 ㎛ to 30 ㎛. When the thickness of the metal thin film layer is within the above range, deposition of carbon-based materials is easy and is effective in lowering the sheet resistance of the electrode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅층은 탄소계 물질이 분산 도포되어 형성되는 것으로서, 상기 금속 박막층의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 코팅층은 금속 박막층의 일면에 형성될 수 있다. 상기 코팅층의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 또는 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 1 ㎛내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 코팅층의 두께가 너무 얇을 경우 금속 박막층이 드러나는 영역이 생겨 코팅층이 불균일하게 형성되고, 코팅층의 두께가 너무 두꺼울 경우 코팅층으로 인한 저항이 증가하여 전지의 성능을 저하시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the coating layer is formed by dispersing and applying a carbon-based material, and may be formed on one or both sides of the metal thin film layer. As a specific example, the coating layer may be formed on one side of the metal thin film layer. The thickness of the coating layer may be 1 ㎛ to 100 ㎛, 1 ㎛ to 50 ㎛, or 1 ㎛ to 10 ㎛. If the thickness of the coating layer is too thin, an area where the metal thin film layer is exposed occurs and the coating layer is formed non-uniformly, and if the thickness of the coating layer is too thick, resistance due to the coating layer increases, which may reduce battery performance.
5. 탄소계 물질이 코팅된 집전체를 포함하는 리튬이차전지5. Lithium secondary battery including a current collector coated with a carbon-based material
본 발명의 일 실시예에 따르면, 음극; 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 형성된 분리막을 포함하고, 상기 음극 또는 양극의 집전체는 상기 본 발명에 따른 집전체를 포함하는 리튬이차전지가 제공된다. 구체적으로 예로서, 상기 본 발명에 따른 집전체는 음극의 집전체일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a cathode; A lithium secondary battery is provided, including a positive electrode and a separator formed between the negative electrode and the positive electrode, and the current collector of the negative electrode or the positive electrode includes a current collector according to the present invention. As a specific example, the current collector according to the present invention may be a current collector of a negative electrode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극은 리튬 금속(Li metal)을 단독으로 사용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the negative electrode may use lithium metal (Li metal) alone.
또한, 상기 음극 집전체는 전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. In addition, the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, carbon on the surface of copper or stainless steel. , surface treated with nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used.
또한, 상기 음극 집전체는 경우에 따라서, 표면에 미세한 요철이 형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다.In addition, the negative electrode current collector may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics with fine irregularities formed on the surface, depending on the case.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질로서 리튬 금속을 단독으로 사용할 수 있다. 이 경우, 리튬 이온을 대규모로 방출이 가능하여 전지의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있으나, 종래에는 리튬 덴드라이트 발생으로 인한 문제로 적용에 어려움이 있었다.According to one embodiment of the present invention, lithium metal can be used alone as the negative electrode active material. In this case, lithium ions can be released on a large scale, thereby dramatically improving battery performance. However, in the past, there were difficulties in application due to problems caused by the generation of lithium dendrites.
그러나, 음극재로서 리튬 금속을 단독 사용하더라도, 본 발명에 따른 탄소계 물질을 코팅된 집전체를 사용하는 경우, 리튬 금속으로 인한 전지 성능 향상과 동시에 리튬 덴드라이트 성장 억제를 통한 안전성 개선 효과를 동시에 구현할 수 있다. However, even if lithium metal is used alone as a negative electrode material, when a current collector coated with a carbon-based material according to the present invention is used, battery performance is improved due to lithium metal and safety is improved by suppressing lithium dendrite growth. It can be implemented.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극은 집전체로서 탄소계 물질을 포함하는 코팅층을 구리박의 적어도 일면에 형성한 본 발명에 따른 집전체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 집전체의 코팅층이 형성된 일면에 상기 리튬 금속층을 형성하여 음극을 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the negative electrode may include a current collector according to the present invention in which a coating layer containing a carbon-based material is formed on at least one surface of a copper foil as a current collector. Specifically, the negative electrode can be manufactured by forming the lithium metal layer on one surface of the current collector where the coating layer is formed.
이와 같이, 구조 및 크기가 제어된 탄소계 물질이 코팅된 구리박을 음극으로 사용함으로써, 탄소계 물질을 통해 리튬 전착 시의 과전압을 낮추고 활성자리 증가를 통해 리튬 이온의 플럭스를 균일하게 제어하여 균일한 리튬전착을 유됴할 수 있으며, 리튬 전착을 위한 공간을 제공함으로써 리튬의 부피팽창을 억제해 음극에서의 리튬 덴드라이트 성장을 억제할 수 있다.In this way, by using copper foil coated with a carbon-based material with a controlled structure and size as a cathode, the overvoltage during lithium electrodeposition is lowered through the carbon-based material and the flux of lithium ions is uniformly controlled through an increase in active sites, resulting in uniform By providing space for lithium electrodeposition, volume expansion of lithium can be suppressed and lithium dendrite growth on the cathode can be suppressed.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 음극과 대향 위치한 양극은 특별히 한정하지 않으며, 공지의 전고체 전지에 사용되는 재질일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the anode located opposite the cathode is not particularly limited and may be a material used in known all-solid-state batteries.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 양극은 양극 집전체의 일면에 양극 활물질층이 형성된 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode may have a structure in which a positive active material layer is formed on one surface of a positive electrode current collector, but is not limited thereto.
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 양극 집전체는 알루미늄박이 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel, Surface treatment with nickel, titanium, silver, etc. can be used. As a specific example, the positive electrode current collector may be aluminum foil.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질 및 바인더를 포함하고, 필요한 경우 도전재와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer includes a positive active material and a binder, and may further include additives such as a conductive material, if necessary.
상기 양극 활물질은 리튬 이차전지의 용도에 따라 달라질 수 있으며, LiNi0.8-xCo0.2AlxO2, LiCoxMnyO2, LiNixCoyO2, LiNixMnyO2, LiNixCoyMnzO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, LiMnPO4 및 Li4Ti5O12 등의 리튬 전이금속 산화물; Cu2Mo6S8, FeS, CoS 및 MiS 등의 칼코겐화물, 스칸듐, 루테늄, 티타늄, 바나듐, 몰리브덴, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 등의 산화물, 황화물 또는 할로겐화물이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로는, TiS2, ZrS2, RuO2, Co3O4, Mo6S8, V2O5 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적인 예로서, 상기 양극 활물질은 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 리튬 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.The positive electrode active material may vary depending on the use of the lithium secondary battery, LiNi 0.8-x Co 0.2 Al x O 2 , LiCo x Mn y O 2 , LiNi x Co y O 2 , LiNi x Mn y O 2 , LiNi x Co lithium transition metal oxides such as y Mn z O 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 and Li 4 Ti 5 O 12 ; Chalcogenides such as Cu 2 Mo 6 S 8 , FeS, CoS and MiS, and oxides, sulfides or halides such as scandium, ruthenium, titanium, vanadium, molybdenum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper and zinc. It may be used, and more specifically, TiS 2 , ZrS 2 , RuO 2 , Co 3 O 4 , Mo 6 S 8 , V 2 O 5 , etc. may be used, but it is not limited thereto. As a specific example, the positive electrode active material may include lithium transition metal oxide containing nickel, cobalt, and manganese.
상기 양극에 포함되는 바인더는 특별히 한정되지 않으며, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE) 등의 불소 함유 바인더가 사용될 수 있다. 상기 바인더의 함량은 양극 활물질을 고정할 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않으며, 양극 전체에 대하여 0 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다.The binder included in the positive electrode is not particularly limited, and fluorine-containing binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used. The content of the binder is not particularly limited as long as it can fix the positive electrode active material, and may be in the range of 0 to 10% by weight based on the entire positive electrode.
상기 도전재는 양극의 도전성을 향상시킬 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 니켈 분말, 산화 코발트, 산화 티탄, 카본 등을 포함할 수 있다. 카본으로는, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 흑연, 탄소 섬유 및 플러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it can improve the conductivity of the anode, and may include nickel powder, cobalt oxide, titanium oxide, carbon, etc. The carbon may include one or more selected from the group consisting of Ketjen black, acetylene black, furnace black, graphite, carbon fiber, and fullerene.
본 발명의 일 실시예에서, 분리막은 상기 음극과 상기 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. In one embodiment of the present invention, the separator separates the cathode from the anode and provides a passage for lithium ions, and any separator commonly used in lithium secondary batteries can be used.
즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태 이어도 무방하다. 구체적인 예로서, 상기 분리막으로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자가 사용될 수 있고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 코팅된 분리막을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 분리막은 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.That is, one that has low resistance to ion movement in the electrolyte and has excellent electrolyte moisturizing ability can be used. For example, it is selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be in the form of non-woven or woven fabric. As a specific example, as the separator, polyolefin-based polymers such as polyethylene and polypropylene may be used, and a separator coated with a ceramic component or polymer material may be used to ensure heat resistance or mechanical strength. Additionally, the separator may optionally be formed in a single-layer or multi-layer structure.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극, 양극 및 분리막은 별도의 케이스에 수용하고, 상기 케이스 내에는 액체 전해질을 주입할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the cathode, anode, and separator may be housed in separate cases, and a liquid electrolyte may be injected into the case.
상기 액체 전해질은 통상의 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 액체 전해질은 리튬염 및 용매를 포함할 수 있고, 필요에 따라서 첨가제를 포함할 수 있다. The liquid electrolyte may be a material used as an electrolyte in conventional lithium ion batteries. For example, the liquid electrolyte may include a lithium salt and a solvent, and may include additives as needed.
상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬이차전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질일 수 있다. The lithium salt may be a material that acts as a source of lithium ions in the battery, enables the basic operation of a lithium secondary battery, and promotes the movement of lithium ions between the anode and the cathode.
용매는 리튬염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체일 수 있다. The solvent may be an organic liquid used to dissolve the lithium salt.
첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질일 수 있다. Additives may be substances added in small amounts for a specific purpose.
이와 같은 액체 전해질은 이온들만 전극으로 이동시키고, 전자는 통과하지 못하게 하는데, 구성 성분의 종류에 따라 리튬 이온의 움직임, 속도 등을 조절할 수 있다.This liquid electrolyte moves only ions to the electrode and prevents electrons from passing through, and the movement and speed of lithium ions can be controlled depending on the type of component.
상기 리튬염은 이온화 가능한 리튬염으로서 Li+X-로 표현할 수 있다. 상기 리튬염의 음이온은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.The lithium salt is an ionizable lithium salt and can be expressed as Li + The anion of the lithium salt is not limited thereto, but for example, F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , ( CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - It may include at least one selected from the group consisting of.
상기 용매는 비수계 용매일 수 있고, 상기 비수계 용매는 예를 들어, 프로필렌카르보네이트(PC), 에틸렌카르보네이트(EC), 비닐렌카르보네이트(VC), 디에틸카르보네이트(DEC), 디메틸카르보네이트(DMC), 메틸에틸카르보네이트(MEC), 에틸메틸카르보네이트(EMC), 테트라하이드로푸란(THF), 2-메틸테트라하이드로푸란(2MeTHF), 디옥솔란(DOX), 디메톡시에탄(DME), 디에톡시에탄(DEE), γ-부티로락톤(GBL), 아세토니트릴(AN) 및 술포란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The solvent may be a non-aqueous solvent, and the non-aqueous solvent may be, for example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate (VC), diethyl carbonate ( DEC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), ethyl methyl carbonate (EMC), tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), dioxolane (DOX) ), dimethoxyethane (DME), diethoxyethane (DEE), γ-butyrolactone (GBL), acetonitrile (AN), and sulfolane.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described in detail below. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art.
제조예Manufacturing example
제조예 1Manufacturing Example 1
멜라민(Melamine) 1 g을 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide, DMSO) 40 mL에 투입하고 교반하여 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물을 제조하고, 시아누르산(Cyanuric acid) 1 g을 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO) 20 mL에 투입하고 교반하여 산성 탄소 질화물 전구체 조성물 제조하였으며, 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 (Dropwise) 방식으로 투입하고, 냉각을 통해 실험에서 생성되는 열을 제거하면서 반응하여 혼합액을 제조하였다. 이 때, 반응 온도는 약 15℃ 였다.Add 1 g of melamine to 40 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) and stir to prepare a basic carbon nitride precursor composition, and add 1 g of cyanuric acid to 40 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO). ) Added to 20 mL and stirred to prepare an acidic carbon nitride precursor composition. The acidic carbon nitride precursor composition was added dropwise to the basic carbon nitride precursor composition, and the heat generated in the experiment was removed through cooling. The reaction was performed to prepare a mixed solution. At this time, the reaction temperature was about 15°C.
상기 혼합액은 정적(static) 상태로 2 시간 동안 체류시킨 후, 원심 분리하고, 탈이온수와 에탄올을 이용하여 3 차례 세척하였다.The mixed solution was left in a static state for 2 hours, centrifuged, and washed three times using deionized water and ethanol.
그런 다음, 하얀색 침전물을 60℃에서 24 시간 동안 건조시킨 후, 질소 분위기 하에서 550 ℃의 온도에서 4 시간 동안 2.3℃/min로 승온시키면서 열처리하여 g-C3N4 입자를 제조하였다.Then, the white precipitate was dried at 60°C for 24 hours, and then heat-treated at 550°C for 4 hours under a nitrogen atmosphere while raising the temperature at 2.3°C/min to prepare gC 3 N 4 particles.
제조예 2Production example 2
상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 (Dropwise) 방식으로 투입하여 혼합액을 제조할 때, 반응 온도를 15℃ 가 아닌 25℃로 제어한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 같이 수행하여 g-C3N4 입자를 제조하였다.When preparing a mixed solution by dropping the acidic carbon nitride precursor composition into the basic carbon nitride precursor composition, the reaction temperature was controlled to 25°C instead of 15°C, as in Preparation Example 1. This was performed to prepare gC 3 N 4 particles.
제조예 3Production example 3
상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 (Dropwise) 방식으로 투입하여 혼합액을 제조할 때, 반응 온도를 15℃가 아닌 60 ℃로 제어한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 같이 수행하여 g-C3N4 입자를 제조하였다.When preparing a mixed solution by dropping the acidic carbon nitride precursor composition into the basic carbon nitride precursor composition, as in Preparation Example 1, except that the reaction temperature was controlled to 60 ° C. instead of 15 ° C. This was performed to prepare gC 3 N 4 particles.
비교 제조예Comparative manufacturing example
비교 제조예 1Comparative Manufacturing Example 1
멜라민(Melamine) 1 g을 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide, DMSO) 40 mL에 투입하고 교반하여 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물을 제조하고, 시아누르산(Cyanuric acid) 1 g을 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO) 20 mL에 투입하고 교반하여 산성 탄소 질화물 전구체 조성물 제조하였으며, 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 (Dropwise) 방식으로 투입하고, 냉각을 통해 실험에서 생성되는 열을 제거하면서 반응하여 혼합액을 제조하였다. 이 때, 반응 온도는 약 15℃였다.Add 1 g of melamine to 40 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) and stir to prepare a basic carbon nitride precursor composition, and add 1 g of cyanuric acid to 40 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO). ) Added to 20 mL and stirred to prepare an acidic carbon nitride precursor composition, the basic carbon nitride precursor composition was added dropwise to the acidic carbon nitride precursor composition, and the heat generated in the experiment was removed through cooling. The reaction was performed to prepare a mixed solution. At this time, the reaction temperature was about 15°C.
상기 혼합액은 정적(static) 상태로 2 시간 동안 체류시킨 후, 원심 분리하고, 탈이온수와 에탄올을 이용하여 3 차례 세척하였다.The mixed solution was left in a static state for 2 hours, centrifuged, and washed three times using deionized water and ethanol.
그런 다음, 하얀색 침전물을 60 ℃에서 24 시간 동안 건조시킨 후, 질소 분위기 하에서 550 ℃의 온도에서 4 시간 동안 2.3 ℃/min로 승온시키면서 열처리하여 g-C3N4 입자를 제조하였다.Then, the white precipitate was dried at 60°C for 24 hours, and then heat-treated at 550°C for 4 hours under a nitrogen atmosphere while raising the temperature at 2.3°C/min to prepare gC 3 N 4 particles.
비교 제조예 2Comparative Manufacturing Example 2
반응 온도를 15 ℃가 아닌 25℃로 제어한 것을 제외하고는 상기 비교 제조예 1과 동일한 방법으로 g-C3N4 입자를 제조하였다.gC 3 N 4 particles were prepared in the same manner as Comparative Preparation Example 1, except that the reaction temperature was controlled to 25°C instead of 15°C.
비교 제조예 3Comparative Manufacturing Example 3
반응 온도를 15℃가 아닌 60℃로 제어한 것을 제외하고는 상기 비교 제조예 1과 동일한 방법으로 g-C3N4 입자를 제조하였다.gC 3 N 4 particles were prepared in the same manner as Comparative Preparation Example 1, except that the reaction temperature was controlled to 60°C instead of 15°C.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
실시예 1Example 1
상기 제조예 1에서 제조된 g-C3N4 입자를 NMP와 PVdF를 혼합한 용액과 혼합하여 점도가 0.1 g/ml인 코팅용 조성물을 제조하였다. 이 때 g-C3N4와 PVdF의 질량비는 8:2 이다.The gC 3 N 4 particles prepared in Preparation Example 1 were mixed with a solution of NMP and PVdF to prepare a coating composition having a viscosity of 0.1 g/ml. At this time, the mass ratio of gC 3 N 4 and PVdF is 8:2.
그런 다음, 상기 코팅용 조성물을 구리박(Cu foil)의 일면에 도포하고, 120℃의 온도로 건조시켜 탄소계 물질 외 용매성분을 제거하여, 집전체에 탄소계 물질을 결착시킴과 아울러 탄소계 물질끼리를 결착시켜 두께가 5㎛ 인 코팅층을 형성하여 집전체를 제조하였다.Then, the coating composition is applied to one side of the copper foil (Cu foil) and dried at a temperature of 120°C to remove solvent components other than the carbon-based material, thereby binding the carbon-based material to the current collector and carbon-based material. A current collector was manufactured by binding the materials together to form a coating layer with a thickness of 5㎛.
실시예 2Example 2
제조예 2에서 제조된 g-C3N4 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.A current collector was manufactured in the same manner as Example 1, except that the gC 3 N 4 particles prepared in Preparation Example 2 were used.
실시예 3Example 3
제조예 3에서 제조된 g-C3N4 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.A current collector was manufactured in the same manner as Example 1, except that the gC 3 N 4 particles prepared in Preparation Example 3 were used.
비교예 1Comparative Example 1
비교 제조예 1에서 제조된 g-C3N4 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.A current collector was manufactured in the same manner as Example 1, except that the g-C3N4 particles prepared in Comparative Preparation Example 1 were used.
비교예 2Comparative Example 2
비교 제조예 2에서 제조된 g-C3N4 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.A current collector was manufactured in the same manner as Example 1, except that the gC 3 N 4 particles prepared in Comparative Preparation Example 2 were used.
비교예 3Comparative Example 3
비교 제조예 1에서 제조된 g-C3N4 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.A current collector was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the gC 3 N 4 particles prepared in Comparative Preparation Example 1 were used.
실험예Experiment example
실험예 1Experimental Example 1
상기 제조예 1 내지 제조예 3에서 제조된 g-C3N4 입자의 FE-SEM 이미지를 도 3에 상기 비교 제조예 1 내지 비교 제조예 3에서 제조된 g-C3N4 입자의 FE-SEM 이미지를 도 4에 각각 나타내었다. The FE-SEM images of the gC 3 N 4 particles prepared in Preparation Examples 1 to 3 are shown in Figure 3. The FE-SEM images of the gC 3 N 4 particles prepared in Comparative Preparation Examples 1 to 3 are shown in Figure 3. Each is shown in 4.
도 3, 도 4를 보면, 반응 온도 및 적하 (Dropwise) 물질의 순서에 따라서, 탄소계 물질 입자의 성장, 형태, 크기 등에 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. Looking at Figures 3 and 4, it can be seen that there are differences in the growth, shape, size, etc. of carbon-based material particles depending on the reaction temperature and the order of dropwise materials.
구체적으로, 반응 온도를 15℃로 제어한 제조예 1에서 제조된 g-C3N4 입자의 경우 약 2~3 ㎛의 크기를 가지며, 25℃로 제어한 제조예 2의 경우 약 4 ~5㎛의 크기를 가지며, 60℃로 제어한 제조예 3의 경우 8~9 ㎛의 크기를 가져, 반응 온도가 상승할수록, 제조되는 g-C3N4의 입자 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교 제조예의 경우, g-C3N4 입자가 구형의 형상으로 형성되지 않았으며, 입자 크기 역시 제조예 1 내지 3에서 제조된 탄소계 물질 보다 입자 크기가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. Specifically, the gC 3 N 4 particles prepared in Preparation Example 1 where the reaction temperature was controlled at 15°C had a size of about 2 to 3 ㎛, and in the case of Preparation Example 2 where the reaction temperature was controlled at 25°C, the particles had a size of about 4 to 5 ㎛. In the case of Preparation Example 3, which was controlled at 60°C, it had a size of 8 to 9 ㎛, and it can be seen that as the reaction temperature increases, the particle size of gC 3 N 4 produced increases. On the other hand, in the case of the comparative preparation example, the gC 3 N 4 particles were not formed in a spherical shape, and the particle size was also confirmed to be larger than that of the carbon-based material prepared in Preparation Examples 1 to 3.
실험예 2Experimental Example 2
제조예 1 내지 제조예 3 및 비교 제조예 1 내지 비교 제조예 3에서 제조된 g-C3N4 입자의 BET 비표면적과 기공의 분포를 아래와 같은 방법으로 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.The BET specific surface area and pore distribution of the gC 3 N 4 particles prepared in Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Examples 1 to 3 were measured by the method below and are shown in Table 1 below.
BET와 기공분포는 ASAP 2420 (Micromeritics, U.S.A) 장비를 이용하여 N2의 물리흡착에 의한 비표면?О? 기공부피, 기공크기 등을 측정하였다. 90℃에서 30분 동안 degassing후 200℃에서 4시간동안의 전처리 과정을 거쳐 상온에서 측정을 진행하였다.BET and pore distribution were measured using ASAP 2420 (Micromeritics, U.S.A.) equipment to determine the specific surface ?О? by physical adsorption of N2. Pore volume and pore size were measured. After degassing at 90°C for 30 minutes and pretreatment at 200°C for 4 hours, measurements were performed at room temperature.
(m2/g)BETspecific surface area
( m2 /g)
상기 표 1을 참조하면, 반응 온도 및 물질의 적하 순서에 따라서 BET 비표면적과 기공 분포가 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Referring to Table 1 above, it was confirmed that the BET specific surface area and pore distribution differed depending on the reaction temperature and the order of dropping the materials.
실험예 3Experimental Example 3
리튬 덴드라이트 성장 정도 및 전지의 성능을 확인하기 위하여 상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 제조예 1 내지 3에서 제조된 집전체를 포함하는 반쪽 전지(리튬금속전지)를 제조하였다.In order to confirm the degree of lithium dendrite growth and battery performance, a half-cell (lithium metal battery) containing the current collector prepared in Examples 1 to 3 and Preparation Examples 1 to 3 was manufactured.
구체적으로,도 5과 같이, 내부에 수용부를 포함하는 본체(50)에 링 구조의 PP로 형성된 가스켓(40), 상기 실시예 1 내지 3 및 비교 제조예 1 내지 3에서 제조한 각각의 집전체(10), PP 분리막(20) 및 구리박에 리튬 금속층을 형성한 음극(30)을 위치시키고 캡(60)으로 밀봉하여 반쪽 전지를 제조하였다.Specifically, as shown in FIG. 5, a gasket 40 formed of ring-structured PP in a main body 50 including a receiving portion therein, each current collector manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Production Examples 1 to 3. (10), a PP separator (20) and a negative electrode (30) with a lithium metal layer formed on the copper foil were placed and sealed with a cap (60) to prepare a half battery.
상기와 같이 제조된 반쪽 전지를 이용하여 전지의 사이클 성능을 하기와 같은 방법으로 측정하여 표 2와 도 6에 나타내었다.Using the half-cell manufactured as above, the cycle performance of the battery was measured in the following manner and is shown in Table 2 and Figure 6.
충방전기를 이용해 반쪽전지에 1.0 mA/cm2의 전류 밀도로 1시간 동안 충전한 후 (Li-deposition), 동일한 1.0 mA/cm2의 전류밀도로 0.5 V cut-off 조건으로 방전한 후 (Li-Stripping), 동일한 과정을 반복하여 사이클 성능을 평가하였으며, 각 전지의 coulombic efficiency가 80% 이하로 떨어지는 시점의 사이클 수를 기록하여 아래 표 2에 나타내었다.After charging the half-cell using a charger/discharger at a current density of 1.0 mA/cm 2 for 1 hour (Li-deposition), discharging it at the same current density of 1.0 mA/cm 2 under 0.5 V cut-off conditions (Li-deposition) -Stripping), the same process was repeated to evaluate cycle performance, and the number of cycles at which the coulombic efficiency of each battery fell below 80% was recorded and shown in Table 2 below.
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 집전체를 포함하는 전지가 덴드라이트 성장 정도와 사이클 성능을 고려하였을 때 가장 효과가 우수한 것을 확인할 수 있었고, 비교예의 경우 전기화학 성능이 매우 열등한 것을 확인할 수 있었다.Referring to Table 2 above, it was confirmed that the battery containing the current collectors of Examples 1 to 3 was the most effective when considering the degree of dendrite growth and cycle performance, and in the case of the comparative example, the electrochemical performance was very poor. I was able to confirm.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.
10: 집전체
11: 금속 박막층
12: 코팅층
13: 탄소계 물질
20: 분리막
30: 음극
40: 가스켓
50: 본체
60: 캡10: Current collector
11: Metal thin film layer
12: Coating layer
13: Carbon-based material
20: Separator
30: cathode
40: gasket
50: body
60: cap
Claims (13)
(B) 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 방식으로 투입하여 반응하는 단계를 포함하는,
탄소계 물질 제조방법.
(A) preparing a basic carbon nitride precursor composition and an acidic carbon nitride precursor composition; and
(B) comprising adding the acidic carbon nitride precursor composition to the basic carbon nitride precursor composition in a dropwise manner to react,
Method for producing carbon-based materials.
상기 산성 탄소 질화물 전고체 조성물과 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물은 0 ℃ 내지 20 ℃, 또는 5℃ 내지 18 ℃에서 반응하는 것인, 탄소계 물질 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing a carbon-based material, wherein the acidic carbon nitride all-solid composition and the basic carbon nitride precursor composition react at 0°C to 20°C, or 5°C to 18°C.
상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물은 염기성 작용기를 가지는 탄소 질화물 전구체를 포함하며,
상기 염기성 작용기는 아민기, 이민기, 아마이드기, 아지드기, 질산염기 또는 암모늄기로 이루어진 군에서 1종이상 선택되는 것을 특징으로 하는, 탄소계 물질 제조방법.
According to paragraph 1,
The basic carbon nitride precursor composition includes a carbon nitride precursor having a basic functional group,
A method of producing a carbon-based material, characterized in that the basic functional group is one or more selected from the group consisting of an amine group, an imine group, an amide group, an azide group, a nitrate group, or an ammonium group.
상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물은 산성 작용기를 가지는 탄소 질화물 전구체를 포함하며,
상기 산성 작용기는 하이드록시기, 카르복실기, 에스테르기, 포스핀기, 인산기, 포스포닉산기 또는 술폰산기로 이루어진 군에서 1종이상 선택되는 것을 특징으로 하는, 탄소계 물질 제조방법.
In paragraph 1
The acidic carbon nitride precursor composition includes a carbon nitride precursor having an acidic functional group,
A method of producing a carbon-based material, wherein the acidic functional group is one or more selected from the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, a phosphine group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, or a sulfonic acid group.
상기 제조된 탄소계 물질의 입자 크기는 1 내지 10㎛이며,
BET 표면적은 50 m2/g 내지 120 m2/g이고,
기공크기는 20 내지 30 nm이며,
기공의 부피는 0.2 내지 0.6 cm3/g인 것인, 탄소계 물질 제조방법.
According to paragraph 1,
The particle size of the prepared carbon-based material is 1 to 10㎛,
The BET surface area is from 50 m 2 /g to 120 m 2 /g,
The pore size is 20 to 30 nm,
A method of producing a carbon-based material, wherein the pore volume is 0.2 to 0.6 cm 3 /g.
(B) 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물에 상기 산성 탄소 질화물 전구체 조성물을 적하 방식으로 투입하여 반응하는 단계에 의해 제조된 탄소계 물질이 코팅된 코팅층을 포함하는 리튬이차전지용 집전체.
(A) preparing a basic carbon nitride precursor composition and an acidic carbon nitride precursor composition; and
(B) A current collector for a lithium secondary battery comprising a coating layer coated with a carbon-based material prepared by adding the acidic carbon nitride precursor composition to the basic carbon nitride precursor composition in a dropwise manner and reacting the acidic carbon nitride precursor composition.
상기 산성 탄소 질화물 전고체 조성물과 상기 염기성 탄소 질화물 전구체 조성물은 0℃ 내지 20 ℃, 또는 5℃ 내지 18 ℃에서 반응하는 것인, 리튬이차전지용 집전체.
According to clause 6,
A current collector for a lithium secondary battery, wherein the acidic carbon nitride all-solid composition and the basic carbon nitride precursor composition react at 0°C to 20°C, or 5°C to 18°C.
상기 탄소계 물질을 코팅하는 단계는
상기 탄소계 물질 및 바인더를 포함하는 코팅용 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 코팅용 조성물을 금속 박막층의 적어도 일면에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소계 물질이 코팅된 집전체 제조방법.
According to clause 6,
The step of coating the carbon-based material is
Preparing a coating composition containing the carbon-based material and a binder; and
A method of manufacturing a current collector coated with a carbon-based material, comprising the step of coating the coating composition on at least one surface of the metal thin film layer.
상기 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 스테인리스 스틸로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금인 것인, 리튬이차전지용 집전체.
In paragraph 8
A current collector for a lithium secondary battery, wherein the metal is one or two or more alloys selected from the group consisting of copper, aluminum, nickel, titanium, and stainless steel.
상기 코팅용 조성물의 점도는 0.05 내지 0.2 g/ml로 제어된 것을 특징으로 하는, 리튬이차전지용 집전체.
According to clause 6,
A current collector for a lithium secondary battery, characterized in that the viscosity of the coating composition is controlled to 0.05 to 0.2 g/ml.
상기 코팅층의 두께는 1 내지 10 ㎛ 인 것을 특징으로 하는, 리튬이차전지용 집전체.
According to clause 6,
A current collector for a lithium secondary battery, characterized in that the thickness of the coating layer is 1 to 10 ㎛.
양극 및
상기 음극과 양극 사이에 형성된 분리막을 포함하고,
상기 음극의 집전체는 제6항에 따른 리튬이차전지용 접전체인 것인, 리튬이차전지.
cathode;
anode and
It includes a separator formed between the cathode and the anode,
A lithium secondary battery, wherein the current collector of the negative electrode is a contact material for a lithium secondary battery according to claim 6.
The lithium secondary battery of claim 12, wherein the negative electrode is lithium metal.
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