KR20240008090A - Ion battery electrode material and synthesizing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 벌크(Bulk) POM을 rGO/PPy 표면에 수나노 사이즈로 균일하게 분포시킨 층상 구조로 제조함으로써 율속, 용량발현, 안전성 및 에너지 밀도를 종래기술의 이온 배터리에 비해 현저히 향상시킨 이온 배터리 전극 물질 및 이온 배터리 전극 물질 합성 방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention, the rate, capacity development, safety and energy density are significantly improved compared to conventional ion batteries by manufacturing bulk POM in a layered structure uniformly distributed in several nanometer sizes on the surface of rGO/PPy. Provided is an improved ionic battery electrode material and a method for synthesizing the ionic battery electrode material.
Description
본 발명은 이온 배터리에 관한 것으로서, 율속, 용량발현, 안전성 및 에너지 밀도를 향상시키는 이온 배터리 전극 물질 및 이온 배터리 전극 물질 합성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to ion batteries, and to ion battery electrode materials and methods for synthesizing ion battery electrode materials that improve rate, capacity development, safety, and energy density.
현재 화석 연료의 소비증가와 그로 인한 기후 변화, 대기 오염 및 환경 문제들을 야기하고 있기 때문에 지속 가능한 개발을 유지하기 위하여 새로운 에너지 저장장치의 개발이 필수적이다.Currently, the consumption of fossil fuels is increasing, causing climate change, air pollution, and environmental problems, so the development of new energy storage devices is essential to maintain sustainable development.
종래기술의 에너지 저장 소재 중 하나인 슈퍼 커패시터는 높은 전력 밀도와 긴 사이클 수명의 특성을 가지고 있지만, 낮은 에너지 밀도라는 단점을 갖고 있다.Super capacitors, one of the energy storage materials in the prior art, have the characteristics of high power density and long cycle life, but have the disadvantage of low energy density.
또한, 종래기술의 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 갖고 있지만, 갈수록 수요가 증가하면서 매장된 리튬이 고갈되고 있고, 잘못 취급하는 경우에는 심각한 안전 문제를 야기할 수 있다.In addition, conventional lithium-ion batteries have high energy density, but as demand increases, stored lithium is being depleted, and if handled incorrectly, it can cause serious safety problems.
따라서 슈퍼 커패시터보다 높은 에너지 밀도를 가지면서, 리튬을 대체할 수 있는 값싸고 안전한 새로운 에너지 저장 소재를 개발할 필요가 있다.Therefore, there is a need to develop a new, cheap and safe energy storage material that can replace lithium while having a higher energy density than a supercapacitor.
그 대안으로 수계 배터리를 사용하며, 값싸고 친환경적인 아연 이온 배터리, 슈퍼 커패시터, 나트륨 이온 배터리, 마그네슘 이온 배터리 등과 같은 이온 배터리가 각광을 받고 있다.As an alternative, water-based batteries are used, and cheap and eco-friendly ion batteries such as zinc ion batteries, super capacitors, sodium ion batteries, and magnesium ion batteries are attracting attention.
그러나 종래기술의 이온 배터리용 전극 소재는 율속, 용량발현, 안전성 등이 낮고, 낮은 에너지 밀도로 인해 상용화에 걸림돌이 되고 있다.However, electrode materials for ion batteries in the prior art have low rate, capacity development, and safety, and low energy density, which is an obstacle to commercialization.
따라서 이온 배터리의 상용화를 위해 율속, 용량발현, 안전성 및 에너지 밀도가 향상된 이온 배터리 전극 소재의 개발이 요구된다.Therefore, for commercialization of ion batteries, the development of ion battery electrode materials with improved rate, capacity development, safety, and energy density is required.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 벌크(Bulk) POM을 rGO/PPy 표면에 수나노 사이즈로 균일하게 분포시킨 층상 구조로 제조함으로써 율속, 용량발현, 안전성 및 에너지 밀도를 종래기술의 이온 배터리에 비해 현저히 향상시킨 이온 배터리 전극 물질 및 이온 배터리 전극 물질 합성 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.One embodiment of the present invention to solve the problems of the prior art described above is to manufacture bulk POM in a layered structure in which bulk POM is uniformly distributed in a multi-nano size on the surface of rGO/PPy, thereby improving rate performance, capacity development, safety, and energy. The technical problem to be solved is to provide an ion battery electrode material and a method of synthesizing an ion battery electrode material whose density is significantly improved compared to that of conventional ion batteries.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체)가 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층) 상에 나노 폴리옥소메탈레이트(POM)가 균일하게 분산되어 형성되는 폴리옥소메탈레이트 층(polyoxometalated 층, POM 층)이 위치되도록 복수로 적층된 다층 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 및 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체)이고, 상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체가, 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층); 상기 rGO 층 상에 적층되는 폴리피롤 층(PPy 층); 및 상기 PPy 층 상에 나노 폴리옥소메탈레이트(POM)가 균일하게 분산되어 형성되는 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, in one embodiment of the present invention, a reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate layered composite (rGO/PPy/POM layered composite) is formed on a reduced graphene oxide layer (rGO layer). A multi-layer reduced graphene oxide polypyrrole and polyoxometalate stacked composite (L-rGO/ PPy/POM stacked composite), and the rGO/PPy/POM stacked composite includes a reduced graphene oxide layer (rGO layer); A polypyrrole layer (PPy layer) laminated on the rGO layer; and a polyoxometallate layer (POM layer) formed by uniformly dispersing nano-polyoxometalate (POM) on the PPy layer.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 그래핀 옥사이드(GO, graphene oxide)를 용매에 분산시켜 그래핀 옥사이드 용액을 생성하는 단계; 상기 그래핀 옥사이드 용액에 폴리 피롤 모노머(PPy, Poly pyrrole monomer)를 혼합한 후 분산시켜 그래핀 옥사이드 층과 폴리피롤 층이 적층된 그래핀 옥사이드 폴리피롤 적층 복합체(GO/PPy 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계; 상기 GO/PPy 적층 복합체 용액에 폴리옥소메탈레이트 전구체(polyoxometalated precursor, POM 전구체)를 혼합하여 반응시키는 것에 의해 상기 그래핀 옥사이드 층을 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층)으로 변환하고, 상기 폴리피롤 층(PPy 층)의 상부에 균일하게 분산된 나노 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)이 적층된 층상 구조의 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계; 및 상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 교반하여 rGO/PPy/POM 적층 복합체가 복수로 적층된 층상 구조의 다층 rGO/PPy/POM 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention includes dispersing graphene oxide (GO, graphene oxide) in a solvent to produce a graphene oxide solution; Mixing poly pyrrole monomer (PPy) in the graphene oxide solution and dispersing it to produce a graphene oxide polypyrrole stacked composite (GO/PPy stacked composite) solution in which a graphene oxide layer and a polypyrrole layer are stacked. ; The graphene oxide layer is converted into a reduced graphene oxide layer (rGO layer) by mixing and reacting a polyoxometalated precursor (POM precursor) with the GO/PPy layered composite solution, and the polypyrrole layer ( Producing a solution of a reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometallate layered composite (rGO/PPy/POM layered composite) with a layered structure in which a nano polyoxometalate layer (POM layer) is uniformly dispersed on top of a PPy layer). step; And the rGO/PPy/POM stacked composite solution is stirred to produce a multilayer rGO/PPy/POM stacked composite (L-rGO/PPy/POM stacked composite) solution with a layered structure in which a plurality of rGO/PPy/POM stacked composites are stacked. A method for manufacturing an ion battery electrode material is provided, comprising the steps of:
상기 POM 전구체의 상기 POM은, Aa(BCbOc) 구조를 가지며, 상기 A는 주기율표 1족 원소(예, H, Li, Na, K, Rb, Cs 등), 2족 원소(예, Mg, Ca 등), 전이금속(예, Co, V, Fe, Cu, Fe 등), NH4 및 리간드(ligand)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종이고, 상기 B는 이종원소(예, N, B, S, P 등), Al 및 Ni로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종이고, 상기 C는 Mo, V 및 W로 이루어지는 군에서 선택되는 1종이고, 상기 a는 0 내지 15 범위의 수이고, 상기 b는 6 내지 368 범위의 수이고, 상기 c는 0 내지 110 범위의 수일 수 있다.The POM of the POM precursor has the structure A a (BC b O c ), where A is a group 1 element of the periodic table (e.g. H, Li, Na, K, Rb, Cs, etc.), a group 2 element (e.g. Mg, Ca, etc.), transition metals (e.g., Co, V, Fe, Cu, Fe, etc.), NH 4 , and a ligand, and B is a heterogeneous element (e.g., N, B, S, P, etc.), Al and Ni, C is a member selected from the group consisting of Mo, V and W, and a is a number ranging from 0 to 15, The b may be a number ranging from 6 to 368, and the c may be a number ranging from 0 to 110.
상기 그래핀 옥사이드 용액 생성 단계의 상기 그래핀 옥사이드의 분산은, 1 내지 3 시간 동안 소니케이션(sonication)을 진행하여 수행되는 것일 수 있다.Dispersion of the graphene oxide in the step of generating the graphene oxide solution may be performed by sonication for 1 to 3 hours.
상기 GO/PPy 적층 복합체 용액을 생성하는 단계의 상기 PPy의 분산은, 0.2 내지 1 시간 동안 교반하여 수행되는 것일 수 있다.The dispersion of the PPy in the step of generating the GO/PPy layered composite solution may be performed by stirring for 0.2 to 1 hour.
상기 층상 구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 생성하는 단계의 상기 교반은, 20 내지 28 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.The stirring in the step of generating the L-rGO/PPy/POM layered composite solution of the layered structure may be performed for 20 to 28 hours.
상기 GO, PPy 및 POM은 무게 비율이 2 ~ 3 : 9 ~ 10 : 87 ~ 89일 수 있다.The GO, PPy, and POM may have a weight ratio of 2 to 3:9 to 10:87 to 89.
본 발명의 실시예는 벌크(Bulk) POM을 rGO/PPy 표면에 수나노 사이즈로 균일하게 분포시킨 층상 구조로 제조함으로써 율속, 용량발현, 안전성 및 에너지 밀도를 종래기술의 이온 배터리에 비해 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.The embodiment of the present invention significantly improves rate, capacity development, safety, and energy density compared to conventional ion batteries by manufacturing bulk POM in a layered structure uniformly distributed in several nanometer sizes on the surface of rGO/PPy. Provides effect.
또한, 본 발명의 실시예는 다수의 전자 반응을 내포하는 POM을 아연 저장 호스트로 사용함으로써 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.In addition, embodiments of the present invention provide the effect of realizing high energy density by using POM, which contains multiple electronic reactions, as a zinc storage host.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 이온 배터리 전극 물질인 다층 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 및 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체)(1)의 적층도이다.
도 2는 도 1의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)인 이온 배터리 전극 물질의 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2의 이온 배터리 전극 물질의 제조 방법의 단계별 생성되는 복합체를 나타내는 도면이다.
도 4는 상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 생성하는 단계의 (a) 5h (b) 10h (c) 20h (d) 40h 교반 시간별 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)의 SEM 이미지이다.
도 5는 (a) 구형 나노 파티클을 갖는 rGO/PPy/POM 복합체의 SEM 이미지이다.
도 6은 (a) PPy/POM 적층 복합체, (b) rGO 및 (c) 상용 POM 파우더의 SEM 이미지다.
도 7은 (a-d) 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)와 (e-h) rGO/Ppy/POM 적층 복합체의 율속에 따른 CV 곡선 및 전기화학 운동성 우수성 비교 그래프 이다.
도 8은 층상구조 L-rGO/Ppy/POM 적층 복합체(1)와 도 6에서 제시한 PPy/POM 적층 복합체, rGO 및 상용 POM 샘플의 (a) CV커브 (b) GCD 커브 비교 그래프이다.Figure 1 is a stacking diagram of a multilayer reduced graphene oxide polypyrrole and polyoxometalate stacked composite (L-rGO/PPy/POM stacked composite) (1), which is an ion battery electrode material.
FIG. 2 is a flow chart showing the process of manufacturing the ion battery electrode material, which is the L-rGO/PPy/POM layered composite (1) of FIG. 1.
FIG. 3 is a diagram showing a composite produced in each step of the method for manufacturing the ion battery electrode material of FIG. 2.
Figure 4 shows the layered structure of the L-rGO/PPy/POM layered composite (1) by stirring time for (a) 5h (b) 10h (c) 20h (d) 40h in the step of generating the rGO/PPy/POM layered composite solution. This is an SEM image.
Figure 5 is (a) an SEM image of rGO/PPy/POM composite with spherical nanoparticles.
Figure 6 is an SEM image of (a) PPy/POM layered composite, (b) rGO, and (c) commercial POM powder.
Figure 7 is a graph comparing the CV curve and electrochemical mobility excellence of (ad) layered L-rGO/PPy/POM layered composite (1) and (eh) rGO/Ppy/POM layered composite according to rate.
Figure 8 is a comparative graph of (a) CV curve (b) GCD curve of the layered L-rGO/Ppy/POM stacked composite (1) and the PPy/POM stacked composite shown in Figure 6, rGO, and commercial POM samples.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this means not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes cases where it is. In addition, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but that other components can be added, unless specifically stated to the contrary.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. 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 features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
본 발명의 실시예의 설명에서 '나노 복합체(composite)'란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적, 화학적으로 서로 다른 상(phase)을 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다.In the description of an embodiment of the present invention, 'nanocomposite' refers to a material that combines two or more materials to form physically and chemically different phases while exhibiting more effective functions.
본 발명의 실시예의 설명에서 '할로우 스피어(hollow sphere) 구조'는 'MoO2 로드(rod)' 또는 'S 로드' 등의 로드들이 결합되어 형성된 내부가 빈 구형 구조'를 의미한다.In the description of an embodiment of the present invention, 'hollow sphere structure' means 'a spherical structure with an empty interior formed by combining rods such as MoO 2 rods' or 'S rods'.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 이온 배터리 전극 물질(양극재)인 층상 구조의 다층 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 및 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체)(1)의 적층도이다.Figure 1 is a stacking diagram of a multilayer reduced graphene oxide polypyrrole and polyoxometalate stacked composite (L-rGO/PPy/POM stacked composite) (1) with a layered structure, which is an ion battery electrode material (anode material).
도 1과 같이, 상기 층상 구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)는, 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체)가 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층) 상에 나노 폴리옥소메탈레이트(POM)가 균일하게 분산되어 형성되는 폴리옥소메탈레이트 층(polyoxometalated 층, POM 층)이 위치되도록 복수로 적층 구성될 수 있다.As shown in Figure 1, the L-rGO/PPy/POM stacked composite (1) of the layered structure is a reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate stacked composite (rGO/PPy/POM stacked composite) composed of a reduced graphene oxide layer ( The polyoxometalate layer (POM layer), which is formed by uniformly dispersing nano-polyoxometalate (POM) on the rGO layer, may be stacked in multiple layers.
상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체는, 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층)(12), The rGO/PPy/POM layered composite includes a reduced graphene oxide layer (rGO layer) (12),
상기 rGO 층(12) 상에 적층되는 폴리피롤 층(PPy 층)(13) 및 상기 PPy 층() 상에 나노 폴리옥소메탈레이트(POM)가 균일하게 분산되어 형성되는 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)(15)을 포함하여 구성될 수 있다.A polypyrrole layer (PPy layer) 13 laminated on the rGO layer 12 and a polyoxometallate layer (POM layer) formed by uniformly dispersing nano-polyoxometalate (POM) on the PPy layer. )(15).
상기 POM 전구체의 상기 POM은, Aa(BCbOc) 구조를 가질 수 있다.The POM of the POM precursor may have an Aa(BCbOc) structure.
여기서, 상기 A는 주기율표 1족 원소(예, H, Li, Na, K, Rb, Cs 등), 2족 원소(예, Mg, Ca 등), 전이금속(예, Co, V, Fe, Cu, Fe 등), NH4 및 리간드(ligand)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종일 수 있다.Here, A is a group 1 element of the periodic table (e.g. H, Li, Na, K, Rb, Cs, etc.), a group 2 element (e.g. Mg, Ca, etc.), a transition metal (e.g. Co, V, Fe, Cu) , Fe, etc.), NH4, and a ligand.
상기 B는 이종원소(예, N, B, S, P 등), Al 및 Ni로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종일 수 있다.The B may be a type selected from the group consisting of heterogeneous elements (eg, N, B, S, P, etc.), Al, and Ni.
상기 C는 Mo, V 및 W로 이루어지는 군에서 선택되는 1종일 수 있다.The C may be a type selected from the group consisting of Mo, V, and W.
상기 a는 0 내지 15 범위의 수이고, 상기 b는 6 내지 368 범위의 수이고, 상기 c는 0 내지 110 범위의 수일 수 있다. 상기 GO, PPy 및 POM은 무게 비율이 2 ~ 3 : 9 ~ 10 : 87 ~ 89일 수 있다.A may be a number ranging from 0 to 15, b may be a number ranging from 6 to 368, and c may be a number ranging from 0 to 110. The GO, PPy, and POM may have a weight ratio of 2 to 3:9 to 10:87 to 89.
도 2는 도 1의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)인 이온 배터리 전극 물질의 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도 3은 도 2의 이온 배터리 전극 물질의 제조 방법의 단계별 생성되는 복합체를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a flow chart showing the process of manufacturing the ion battery electrode material, which is the L-rGO/PPy/POM layered composite (1) of FIG. 1, and FIG. 3 is a step-by-step production of the manufacturing method of the ion battery electrode material of FIG. 2. This is a drawing showing the complex.
도 2 및 도 3과 같이, 상기 이온 배터리 전극 물질의 제조 방법은, 그래핀 옥사이드 용액을 생성하는 그래핀 옥사이드 용액 생성 단계(S10), 그래핀 옥사이드 폴리피롤 적층 복합체(GO/PPy 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계(S20), 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계(S30), 층상 구조의 다층 rGO/PPy/POM 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계(S40) 및 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체를 수득하는 단계(S50)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in Figures 2 and 3, the method for producing the ion battery electrode material includes a graphene oxide solution generating step (S10) of generating a graphene oxide solution, and a graphene oxide polypyrrole layered composite (GO/PPy layered composite) solution. Step of generating (S20), step of generating a solution of reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate stacked composite (rGO/PPy/POM stacked composite) (S30), multilayer rGO/PPy/POM stacked composite of layered structure (L- rGO/PPy/POM stacked composite) may include generating a solution (S40) and obtaining an L-rGO/PPy/POM stacked composite (S50).
상기 그래핀 옥사이드 용액을 생성하는 그래핀 옥사이드 용액 생성 단계(S10)는 그래핀 옥사이드(GO, graphene oxide)를 용매에 분산시켜 그래핀 옥사이드 용액을 생성하는 단계일 수 있다.The graphene oxide solution generating step (S10) may be a step of generating a graphene oxide solution by dispersing graphene oxide (GO) in a solvent.
상기 용매는 증류수, 탈이온수, 에탄올 또는 메탄올 등일 수 있다.The solvent may be distilled water, deionized water, ethanol, or methanol.
상기 그래핀 옥사이드 용액 생성 단계(S10)의 상기 그래핀 옥사이드(GO)의 분산은, 1 내지 3 시간 동안 소니케이션(sonication)을 진행하여 수행되는 것일 수 있다.The dispersion of the graphene oxide (GO) in the graphene oxide solution generating step (S10) may be performed by sonication for 1 to 3 hours.
상기 그래핀 옥사이드 용액 생성 단계(S10)에서 상기 소니케이션에 의해 상기 GO가 판상 층 구조의 그래핀 옥사이드 층(GO 층)(11)으로 형성될 수 있다.In the graphene oxide solution generating step (S10), the GO may be formed into a graphene oxide layer (GO layer) 11 with a plate-like layer structure by the sonication.
상기 GO/PPy 적층 복합체 용액을 생성하는 단계(S20)는 상기 그래핀 옥사이드 용액에 폴리 피롤 모노머(PPy, Poly pyrrole monomer)를 혼합한 후 분산시켜 GO 층(11) 상부에 폴리피롤 층(PPy 층)(13)이 적층된 GO/PPy 적층 복합체(20) 용액을 생성하는 단계일 수 있다.In the step of generating the GO/PPy stacked composite solution (S20), polypyrrole monomer (PPy, Poly pyrrole monomer) is mixed and dispersed in the graphene oxide solution to form a polypyrrole layer (PPy layer) on top of the GO layer 11. (13) may be a step of producing a laminated GO/PPy layered composite (20) solution.
상기 GO/PPy 적층 복합체 용액을 생성하는 단계의 상기 PPy의 분산은, 0.2 내지 1 시간 동안 교반하여 수행되는 것일 수 있다.The dispersion of the PPy in the step of generating the GO/PPy layered composite solution may be performed by stirring for 0.2 to 1 hour.
상기 PPy의 분산에 의해 상기 GO 층(11) 상부에 PPy 층(13)이 적층되어 GO/PPy 적층 복합체(20)을 형성한다.By dispersing the PPy, a PPy layer 13 is stacked on top of the GO layer 11 to form a GO/PPy stacked composite 20.
상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 생성하는 단계(S30)는, 상기 GO/PPy 적층 복합체(20) 용액에 폴리옥소메탈레이트 전구체(polyoxometalated precursor, POM 전구체)를 혼합하여 반응시키는 것에 의해 상기 그래핀 옥사이드 층(11)을 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층)(12)으로 변환하고, 상기 PPy 층(13)의 상부에 균일하게 분산된 나노 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)(15)이 적층된 층상 구조의 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체)(30) 용액을 생성하는 단계일 수 있다.The step (S30) of generating the rGO/PPy/POM stacked composite solution is performed by mixing and reacting a polyoxometalated precursor (POM precursor) with the GO/PPy stacked composite (20) solution. The pin oxide layer 11 is converted into a reduced graphene oxide layer (rGO layer) 12, and a nano polyoxometalate layer (POM layer) 15 is uniformly dispersed on top of the PPy layer 13. This may be a step of generating a solution of a reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate layered composite (rGO/PPy/POM layered composite) (30) with a stacked layered structure.
상기 층상 구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 생성하는 단계(S40)는 상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체(30) 용액을 교반하여 rGO/PPy/POM 적층 복합체(30)가 복수로 적층된 층상 구조의 다층 rGO/PPy/POM 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체)(1) 용액을 생성하는 단계일 수 있다. In the step (S40) of generating the L-rGO/PPy/POM stacked composite solution of the layered structure, the rGO/PPy/POM stacked composite (30) solution is stirred to form a plurality of rGO/PPy/POM stacked composites (30). This may be a step of generating a solution of a multilayer rGO/PPy/POM layered composite (L-rGO/PPy/POM layered composite) (1) with a stacked layered structure.
상기 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 생성하는 단계(S40)의 상기 교반은 20 내지 28 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.The stirring in the step (S40) of generating the L-rGO/PPy/POM layered composite solution may be performed for 20 to 28 hours.
상기 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 생성하는 단계(S40)의 상기 교반에 의해 rGO/PPy/POM 적층 복합체(30)가 POM 층(15)의 상부에 rGO 층(12)이 위치되도록 복수가 적층되어 층상 구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)을 생성한다.By stirring in the step (S40) of generating the L-rGO/PPy/POM layered composite solution, the rGO/PPy/POM layered composite 30 is positioned so that the rGO layer 12 is positioned on top of the POM layer 15. Multiple layers are stacked to produce the L-rGO/PPy/POM stacked composite (1) with a layered structure.
상기 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체를 수득하는 단계(S50)는 상기 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1) 용액을 원심분리기를 이용해 합성된 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1) 침전물을 얻고 상층 액이 맑아질 때까지 수차례 용매를 이용해 세척한 후, 진공 상태에서 3일간 동결 건조하여 용매를 제거하여 상기 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)를 수득하는 단계일 수 있다.The step of obtaining the L-rGO/PPy/POM layered composite (S50) is the L-rGO/PPy/POM layered composite (1) synthesized by centrifuging the L-rGO/PPy/POM layered composite (1) solution. ) Obtain the precipitate, wash it with a solvent several times until the supernatant becomes clear, and then freeze-dry in vacuum for 3 days to remove the solvent to obtain the L-rGO/PPy/POM layered composite (1). You can.
상기 동결건조 과정에서 먼저 용매를 액체질소를 이용하여 저온에서 액체에서 고체로 얼린 다음, 저압에서 기상으로 승화시킴으로써 분말 상태의 층상 구조의 L-rGO/PPyPOM 적층 복합체(1)가 제조될 수 있다.In the freeze-drying process, the solvent is first frozen from a liquid to a solid at low temperature using liquid nitrogen, and then sublimated to a gas phase at low pressure, thereby producing the L-rGO/PPyPOM layered composite (1) in a powder state.
상기 제조된 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)는 상기 도 1에서 설명한 동일한 구성 및 조성비를 가지는 것으로서 그 상세한 설명은 생략한다.The prepared L-rGO/PPy/POM layered composite (1) has the same composition and composition ratio as described in FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted.
<실험예><Experimental example>
그래핀 옥사이드(GO)를 용매인 탈이온수에 넣고 1시간 동안 소니케이션을 수행하여 분산시켜 그래핀 옥사이드(GO) 용액(용액 A)를 제조하였다. Graphene oxide (GO) was added to deionized water as a solvent and dispersed by sonication for 1 hour to prepare a graphene oxide (GO) solution (solution A).
상기 용액 A에 폴리피롤 모노머(Poly pyrrole monomer)를 혼합한 후 30분 동안 교반(stirring)을 진행하여 그래핀 옥사이드 층(GO 층)(11)의 상부에 폴리피롤 층(PPy 층)(13)이 적층된 GO/PPy 적층 복합체(20) 용액(용액 B)을 제조하였다.Polypyrrole monomer was mixed with the solution A and stirred for 30 minutes to form a polypyrrole layer (PPy layer) (13) on top of the graphene oxide layer (GO layer) (11). A GO/PPy layered composite (20) solution (solution B) was prepared.
폴리옥소메탈레이트 중 몰리브덴(Mo)을 포함하는 H3PMo12O40 산(Phosphomolybrid acid)을 용액 B에 혼합한 후 24시간 동안 교반하여 분산 및 층상 구조로 자기조립 되도록 하여 그래핀 옥사이드 층(GO 층)(11)을 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층)(12)으로 변환하고, 상기 PPy 층(13)의 상부에 균일하게 분산된 나노 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)(15)이 적층된 층상 구조의 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체)(30)를 생성한 후, rGO/PPy/POM 적층 복합체(30)가 복수의 층으로 적층되도록 하여 다층 환원 그래핀 옥사이드 층 폴리피롤 층 폴리옥소메탈레이트 층 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체)(1) 용액(용액 C)을 제조하였다. 상기 L은 층이 순차적으로 적층된 것을 표시한 것으로서 Layer-by Layer를 의미한다.Among polyoxometalates, H 3 PMo 12 O 40 acid (Phosphomolybrid acid) containing molybdenum (Mo) was mixed with solution B and stirred for 24 hours to self-assemble into a dispersed and layered structure to form a graphene oxide layer (GO). layer) (11) is converted into a reduced graphene oxide layer (rGO layer) (12), and a nano polyoxometalate layer (POM layer) (15) uniformly dispersed on top of the PPy layer (13) is stacked. After creating a reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate stacked composite (rGO/PPy/POM stacked composite) (30) with a layered structure, the rGO/PPy/POM stacked composite (30) is stacked in a plurality of layers. A multilayer reduced graphene oxide layer, polypyrrole layer, and polyoxometalate layer layered composite (L-rGO/PPy/POM layered composite) (1) solution (solution C) was prepared. The L indicates that the layers are sequentially stacked and means Layer-by Layer.
도 4는 상기 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1) 용액(용액 C)을 생성하는 단계의 (a) 5h (b) 10h (c) 20h (d) 40h 교반 시간별 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)의 SEM 이미지이다.Figure 4 shows the layered structure L-rGO/ This is an SEM image of the PPy/POM layered composite (1).
도 4와 같이, 교반이 진행될수록 rGO/PPy/POM 적층 복합체(30)가 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)로 생성되는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Figure 4, it was confirmed that as the stirring progressed, the rGO/PPy/POM stacked composite (30) was formed into a layered L-rGO/PPy/POM stacked composite (1).
이후, 원심분리기를 이용해 상기 용액 C로부터 합성된 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1) 침전물을 얻고 상층액이 맑아질 때까지 수차례 용매를 이용해 세척하였다.Afterwards, the precipitate of L-rGO/PPy/POM layered composite (1) synthesized from solution C was obtained using a centrifuge and washed several times with solvent until the supernatant became clear.
상기 합성된 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1) 침전물을 진공 상태에서 3일간 동결 건조하여 용매를 제거하였다.The precipitate of the synthesized L-rGO/PPy/POM layered composite (1) was freeze-dried in vacuum for 3 days to remove the solvent.
상기 동결건조 과정에서 먼저 증류수를 액체질소를 이용하여 저온에서 액체에서 고체로 얼린 다음, 저압에서 기상으로 승화시킴으로써 분말 상태의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)를 제조하였다.In the freeze-drying process, distilled water was first frozen from liquid to solid at low temperature using liquid nitrogen, and then sublimated to gas phase at low pressure to prepare the L-rGO/PPy/POM layered composite (1) in powder state.
제조된 층상구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)를 위해 사용된 그래핀 옥사이드(GO)와, 폴리피롤 단량체(PPy) 및 H3PMo12O40의 무게비는 중량비율로 2.4 : 9.4 : 88.2 이다.The weight ratio of graphene oxide (GO), polypyrrole monomer (PPy), and H 3 PMo 12 O 40 used for the prepared layered L-rGO/PPy/POM laminated composite (1) was 2.4:9.4 in weight ratio. : 88.2.
아연 메탈(음극), 분리막(Glassy fiber), 전해질 및 제조된 층상구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)를 양극으로 구성하여 아연 이온 배터리를 제조하였다.A zinc ion battery was manufactured by consisting of zinc metal (cathode), separator (glassy fiber), electrolyte, and the manufactured L-rGO/PPy/POM laminate composite (1) with a layered structure as an anode.
도 5는 (a) 구형 나노 파티클을 갖는 rGO/PPy/POM 복합체의 SEM 이미지이다.Figure 5 is (a) an SEM image of rGO/PPy/POM composite with spherical nanoparticles.
상기 구형 나노 파티클을 갖는 rGO/PPy/POM 복합체(25)는 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)의 우수성을 제공하기 위한 비교 샘플로서 상기 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)와 같은 조성을 가진다.The rGO/PPy/POM composite (25) with the spherical nanoparticles is a comparative sample to provide the superiority of the L-rGO/PPy/POM layered composite (1). It has the same composition as
도 6은 (a) PPy/POM 적층 복합체, (b) rGO 및 (c) 상용 POM 파우더의 SEM 이미지다.Figure 6 is an SEM image of (a) PPy/POM layered composite, (b) rGO, and (c) commercial POM powder.
도 6의 (a) PPy/POM 적층 복합체, (b) rGO 및 (c) 상용 POM 파우더 또한 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체의 우수성을 제공하기 위한 비교 샘플이다. Figure 6 (a) PPy/POM layered composite, (b) rGO, and (c) commercial POM powder are also comparative samples to provide the superiority of L-rGO/PPy/POM layered composite.
도 7은 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)의 우수성을 비교하기 위해 도 5에서 제시한 구형 나노 파티클을 갖는 rGO/PPy/POM 복합체 비교 샘플들의 율속에 따른 CV 곡선과 전기화학 운동성을 비교한 그래프이다.Figure 7 shows CV curves and electrochemistry according to rate of the rGO/PPy/POM composite comparative samples with spherical nanoparticles presented in Figure 5 to compare the superiority of the layered structure L-rGO/PPy/POM laminated composite (1). This is a graph comparing motility.
도 7에서 (a-d)는 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)의 율속에 따른 CV 곡선 및 전기화학 운동성 우수성 비교 그래프이고, (e-h)는 구형 나노 파티클을 갖는 rGO/PPy/POM 복합체의 율속에 따른 CV 곡선 및 전기화학 운동성 우수성 비교 그래프이다.In Figure 7, (a-d) is a graph comparing the CV curve and electrochemical mobility excellence according to the rate of the layered L-rGO/PPy/POM laminated composite (1), and (e-h) is a graph of rGO/PPy/POM with spherical nanoparticles. This is a graph comparing the CV curve and electrochemical mobility excellence according to the rate of the composite.
도 7의 (a), (e)는 각각 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체의 구형 나노 파티클 rGO/PPy/POM 복합체의 율속(scan rate)에 따른 CV 곡선이며 충방전 시 각각 4개의 산화 환원반응을 확인하였다. 각 4개의 정점(peak)의 율속과 전류값을 멱 법칙(power law)에 따라 얻은 값을 정리해둔 그래프가 (b), (f)이다. b값(b value)은 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체에서 구형 나노 파티클 rGO/PPy/POM보다 높은 값을 보이며 빠른 속도의 충방전에서 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체가 우수하다. 도 7의 (a), (e) 그래프의 모든 점에 대하여 Dunn's method를 사용한 것이 도 7 (c), (g)이며 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체가 더 높은 전기용량(capacitive)을 보인다. Dunn's method를 율속별로 정리한 도 7 (d), (h)에서도 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체가 전체 용량 중 전기용량(capacitive) 기여율이 더 높다.Figures 7 (a) and (e) are CV curves according to the scan rate of the spherical nanoparticle rGO/PPy/POM composite of the layered structure L-rGO/PPy/POM stacked composite, respectively, and each of four The oxidation-reduction reaction was confirmed. (b) and (f) are graphs summarizing the rate and current values of each of the four peaks obtained according to the power law. The b value is higher in the layered structure L-rGO/PPy/POM stacked composite than in the spherical nano particle rGO/PPy/POM, and at fast charging and discharging rates, the layered structure L-rGO/PPy/POM stacked composite shows a higher value. great. Figures 7 (c) and (g) show that Dunn's method was used for all points in the graphs (a) and (e) of Figures 7, and the layered L-rGO/PPy/POM laminated composite has a higher capacitance. It looks like In Figure 7 (d) and (h), which summarizes Dunn's method by rate, the layered L-rGO/PPy/POM laminated composite has a higher capacitive contribution rate to the total capacity.
도 7과 같이, 율속에 따른 CV 곡선, 산화 및 환원 피크, 전기용량 등의 전기화학 운동성 측면에서 본 발명의 실시예의 (a-d)는 층상구조 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)가 도 5의 구형 나노 파티클을 rGO/PPy/POM 복합체에 비해 우수한 것을 확인할 수 있었다.As shown in Figure 7, in terms of electrochemical mobility such as CV curve, oxidation and reduction peak, and electric capacity depending on the rate, (a-d) of the embodiment of the present invention shows the layered structure L-rGO/PPy/POM layered composite (1). It was confirmed that the spherical nanoparticles of 5 were superior to the rGO/PPy/POM composite.
도 8은 층상구조 L-rGO/Ppy/POM 적층 복합체(1)와 도 6에서 제시한 PPy/POM 적층 복합체, rGO 및 상용 POM 샘플의 (a) CV커브 (b) GCD 커브 비교 그래프이다.Figure 8 is a comparative graph of (a) CV curve (b) GCD curve of the layered L-rGO/Ppy/POM stacked composite (1) and the PPy/POM stacked composite shown in Figure 6, rGO, and commercial POM samples.
도 8 (a)는) CV curve를 이용한 전기화학 활성도 평가이다. 층상구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체가 다른 rGO 및 상용 POM 샘플에 비해 높은 전류 밀도를 보이며 전기화학 활성도가 우수하다. 8 (b)의 GCD 그래프 또한, CV 곡선(curve)과 같이 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체가 다른 샘플보다 높은 용량을 내는 것을 확인할 수 있다.Figure 8 (a) is an evaluation of electrochemical activity using a CV curve. The layered L-rGO/PPy/POM laminated composite shows higher current density and excellent electrochemical activity compared to other rGO and commercial POM samples. In the GCD graph in 8 (b), it can be seen that the L-rGO/PPy/POM layered composite produces higher capacity than other samples, as shown in the CV curve.
도 8로부터 본 발명의 층상구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체(1)가 도 6의 비교 샘플들과 비교하여 CV 특성 및 충방전 용량 측면에서 현저히 우수한 전기화학적 성능을 제공함을 확인할 수 있다.From Figure 8, it can be seen that the L-rGO/PPy/POM layered composite (1) of the present invention provides significantly superior electrochemical performance in terms of CV characteristics and charge/discharge capacity compared to the comparative samples of Figure 6. .
제조된 상기 층상 구조의 L-rGO/PPy/POM 복합체(30)는 층상 구조의 독특한 구조를 가지며, rGO/PPy은 전기화학적 성능을 크게 향상시키는 유사 용량성(pseudo-capacitive) 물질로 작용하기 때문에 L-rGO/PPy/POM 복합체(30)는 아연 이온 배터리, 슈퍼 커패시터, 나트륨 이온 배터리, 마그네슘 이온 배터리 등의 에너지 저장 시스템의 전극 재료로서 적용될 수 있다.The prepared L-rGO/PPy/POM composite (30) with a layered structure has a unique layered structure, and rGO/PPy acts as a pseudo-capacitive material that greatly improves electrochemical performance. The L-rGO/PPy/POM composite (30) can be applied as an electrode material for energy storage systems such as zinc ion batteries, super capacitors, sodium ion batteries, and magnesium ion batteries.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the patent claims described below, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.
1: 다층 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체)
10: 그래핀 옥사이드 층(GO 층)
12: 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층)
13: 폴리 피롤 층(PPy 층)
15: 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)
20: 그래핀 옥사이드 층과 폴리피롤 층 적층 복합체(GO/PPy 적층 복합체)
30: 환원 그래핀 옥사이드 층 폴리피롤 층 및 폴리옥소메탈레이트 층 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체)
35: 구형 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 복합체(구형 rGO/PPy/POM 복합체)
GO: 그래핀 옥사이드(graphene oxide)
rGO: 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)
PPy: 폴리 피롤(Poly Pyrole monomer)
POM: 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate)1: Multilayer reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate layered composite (L-rGO/PPy/POM layered composite)
10: Graphene oxide layer (GO layer)
12: Reduced graphene oxide layer (rGO layer)
13: Polypyrrole layer (PPy layer)
15: Polyoxometalate layer (POM layer)
20: Graphene oxide layer and polypyrrole layer layered composite (GO/PPy layered composite)
30: Reduced graphene oxide layer, polypyrrole layer and polyoxometalate layer stacked composite (rGO/PPy/POM stacked composite)
35: Spherical reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate composite (spherical rGO/PPy/POM composite)
GO: graphene oxide
rGO: reduced graphene oxide
PPy: Poly Pyrole monomer
POM: polyoxometalate
Claims (9)
상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체가,
환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층);
상기 rGO 층 상에 적층되는 폴리피롤 층(PPy 층); 및
상기 PPy 층 상에 나노 폴리옥소메탈레이트(POM)가 균일하게 분산되어 형성되는 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질.Reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate layered composite (rGO/PPy/POM layered composite) is a polyoxometal formed by uniformly dispersing nano polyoxometalate (POM) on a reduced graphene oxide layer (rGO layer). It is a multi-layer reduced graphene oxide polypyrrole and polyoxometalate stacked composite (L-rGO/PPy/POM stacked composite) in which multiple layers (polyoxometalated layer, POM layer) are laminated,
The rGO/PPy/POM layered composite,
Reduced graphene oxide layer (rGO layer);
A polypyrrole layer (PPy layer) laminated on the rGO layer; and
An ion battery electrode material comprising a polyoxometallate layer (POM layer) formed by uniformly dispersing nano-polyoxometalate (POM) on the PPy layer.
Aa(BCbOc) 구조를 가지며,
상기 A는 주기율표 1족 원소(예, H, Li, Na, K, Rb, Cs 등), 2족 원소(예, Mg, Ca 등), 전이금속(예, Co, V, Fe, Cu, Fe 등), NH4 및 리간드(ligand)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종이고,
상기 B는 이종원소(예, N, B, S, P 등), Al 및 Ni로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종이고,
상기 C는 Mo, V 및 W로 이루어지는 군에서 선택되는 1종이고,
상기 a는 0 내지 15 범위의 수이고,
상기 b는 6 내지 368 범위의 수이고,
상기 c는 6 내지 110 범위의 수
인 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질.The method of claim 1, wherein the POM is:
It has the structure A a (BC b O c ),
The A is a periodic table group 1 element (e.g. H, Li, Na, K, Rb, Cs, etc.), a group 2 element (e.g. Mg, Ca, etc.), a transition metal (e.g. Co, V, Fe, Cu, Fe) etc.), NH 4 and a ligand,
The B is a type selected from the group consisting of heterogeneous elements (e.g., N, B, S, P, etc.), Al, and Ni,
wherein C is selected from the group consisting of Mo, V and W,
where a is a number ranging from 0 to 15,
where b is a number ranging from 6 to 368,
where c is a number ranging from 6 to 110
Ionic battery electrode material characterized in that.
상기 GO, PPy 및 POM은 무게 비율이 2 ~ 3 : 9 ~ 10 : 87 ~ 89인 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질.According to paragraph 1,
The GO, PPy and POM are ion battery electrode materials, characterized in that the weight ratio is 2 to 3: 9 to 10: 87 to 89.
상기 그래핀 옥사이드 용액에 폴리 피롤 모노머(PPy, Poly pyrrole monomer)를 혼합한 후 분산시켜 그래핀 옥사이드 층과 폴리피롤 층이 적층된 그래핀 옥사이드 폴리피롤 적층 복합체(GO/PPy 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계;
상기 GO/PPy 적층 복합체 용액에 폴리옥소메탈레이트 전구체(polyoxometalated precursor, POM 전구체)를 혼합하여 반응시키는 것에 의해 상기 그래핀 옥사이드 층을 환원 그래핀 옥사이드 층(rGO 층)으로 변환하고, 상기 폴리피롤 층(PPy 층)의 상부에 균일하게 분산된 나노 폴리옥소메탈레이트 층(POM 층)이 적층된 층상 구조의 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계; 및
상기 rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 교반하여 rGO/PPy/POM 적층 복합체가 복수로 적층된 층상 구조의 다층 rGO/PPy/POM 적층 복합체(L-rGO/PPy/POM 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질 제조 방법.Dispersing graphene oxide (GO) in a solvent to produce a graphene oxide solution;
Mixing poly pyrrole monomer (PPy) in the graphene oxide solution and dispersing it to produce a graphene oxide polypyrrole stacked composite (GO/PPy stacked composite) solution in which a graphene oxide layer and a polypyrrole layer are stacked. ;
The graphene oxide layer is converted into a reduced graphene oxide layer (rGO layer) by mixing and reacting a polyoxometalated precursor (POM precursor) with the GO/PPy layered composite solution, and the polypyrrole layer ( Producing a solution of a reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometallate layered composite (rGO/PPy/POM layered composite) with a layered structure in which a nano polyoxometalate layer (POM layer) is uniformly dispersed on top of a PPy layer). step; and
Stirring the rGO/PPy/POM stacked composite solution to produce a multilayer rGO/PPy/POM stacked composite (L-rGO/PPy/POM stacked composite) solution with a layered structure in which a plurality of rGO/PPy/POM stacked composites are stacked. A method of manufacturing an ion battery electrode material comprising the steps of:
층상 구조의 환원 그래핀 옥사이드 폴리피롤 폴리옥소메탈레이트 적층 복합체(rGO/PPy/POM 적층 복합체) 용액을 생성하는 단계의 상기 POM 전구체를 형성하는 상기 POM은,
Aa(BCbOc) 구조를 가지며,
상기 A는 주기율표 1족 원소(예, H, Li, Na, K, Rb, Cs 등), 2족 원소(예, Mg, Ca 등), 전이금속(예, Co, V, Fe, Cu, Fe 등), NH4 및 리간드(ligand)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종이고,
상기 B는 이종원소(예, N, B, S, P 등), Al 및 Ni로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종이고,
상기 C는 Mo, V 및 W로 이루어지는 군에서 선택되는 1종이고,
상기 a는 0 내지 15 범위의 수이고,
상기 b는 6 내지 368 범위의 수이고,
상기 c는 6 내지 110 범위의 수
인 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질 제조 방법.According to paragraph 4,
The POM forming the POM precursor in the step of producing a layered reduced graphene oxide polypyrrole polyoxometalate layered composite (rGO/PPy/POM layered composite) solution,
It has the structure A a (BC b O c ),
The A is a periodic table group 1 element (e.g. H, Li, Na, K, Rb, Cs, etc.), a group 2 element (e.g. Mg, Ca, etc.), a transition metal (e.g. Co, V, Fe, Cu, Fe) etc.), NH 4 and a ligand,
The B is a type selected from the group consisting of heterogeneous elements (e.g., N, B, S, P, etc.), Al, and Ni,
wherein C is selected from the group consisting of Mo, V and W,
where a is a number ranging from 0 to 15,
where b is a number ranging from 6 to 368,
where c is a number ranging from 6 to 110
A method of manufacturing an ion battery electrode material, characterized in that.
상기 그래핀 옥사이드 용액 생성 단계의 상기 그래핀 옥사이드의 분산은,
1 내지 3 시간 동안 소니케이션(sonication)을 진행하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질 제조 방법.According to paragraph 4,
Dispersion of the graphene oxide in the step of generating the graphene oxide solution,
A method of manufacturing an ion battery electrode material, characterized in that it is performed by sonication for 1 to 3 hours.
상기 GO/PPy 적층 복합체 용액을 생성하는 단계의 상기 PPy의 분산은,
0.2 내지 1 시간 동안 교반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질 제조 방법.According to paragraph 4,
The dispersion of the PPy in the step of generating the GO/PPy layered composite solution is,
A method of producing an ion battery electrode material, characterized in that it is carried out by stirring for 0.2 to 1 hour.
상기 층상 구조의 L-rGO/PPy/POM 적층 복합체 용액을 생성하는 단계의 상기 교반은,
20 내지 28 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질 제조 방법.According to paragraph 4,
The stirring in the step of generating the L-rGO/PPy/POM layered composite solution of the layered structure,
A method for producing an ionic battery electrode material, characterized in that it is carried out for 20 to 28 hours.
상기 GO, PPy 및 POM은 무게 비율이 2 ~ 3 : 9 ~ 10 : 87 ~ 89인 것을 특징으로 하는 이온 배터리 전극 물질 제조 방법.According to paragraph 4,
A method of manufacturing an ion battery electrode material, characterized in that the GO, PPy and POM have a weight ratio of 2 to 3:9 to 10:87 to 89.
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|---|---|---|---|---|
| KR20140004640A (en) | 2010-12-03 | 2014-01-13 | 아이엠알에이 아메리카, 인코포레이티드. | A rechargeable electrochemical energy storage device |
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