KR20240022152A - Manufacturing method of conductive material for secondary battery and conductive material prepared therefrom - Google Patents

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Abstract

흑연(graphite)으로부터 산화 그래핀(graphene oxide; GO)을 형성하고, 이를 열처리하여 수 μm 직경을 가지는 팽창 그래핀을 제조하는 팽창 그래핀 제조단계; 및 상기 팽창 그래핀 제조단계에서 제조된 팽창 그래핀과 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 하이브리드(hybrid)하여 분말(powder) 형태의 도전재를 제조하는 도전재 제조단계; 를 포함하는 이차전지용 도전재의 제조 방법, 이로부터 제조된 도전재 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다. An expanded graphene manufacturing step of forming graphene oxide (GO) from graphite and heat-treating it to produce expanded graphene with a diameter of several μm; And a conductive material manufacturing step of manufacturing a conductive material in powder form by hybridizing the expanded graphene prepared in the expanded graphene manufacturing step and carbon nanotubes; A method for manufacturing a conductive material for a secondary battery comprising a conductive material, a conductive material manufactured therefrom, and a secondary battery containing the same are provided.

Description

이차전지용 도전재의 제조방법 및 이로부터 제조된 도전재{MANUFACTURING METHOD OF CONDUCTIVE MATERIAL FOR SECONDARY BATTERY AND CONDUCTIVE MATERIAL PREPARED THEREFROM}Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries and conductive materials manufactured therefrom {MANUFACTURING METHOD OF CONDUCTIVE MATERIAL FOR SECONDARY BATTERY AND CONDUCTIVE MATERIAL PREPARED THEREFROM}

본 발명은 이차전지용 도전재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 도전재에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 그래핀 플레이크 및 탄소나노튜브가 하이브리드된 도전재에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a conductive material for secondary batteries and a conductive material manufactured therefrom, and more specifically, to a conductive material in which graphene flakes and carbon nanotubes are hybridized.

이차전지(예컨대, 리튬이온 이차전지)는 고출력, 고에너지 특성으로 인해 소형화 및 경량화된 각종 전자기기, 하이브리드 자동차, 전기자동차 등의 주된 에너지원으로 주목받고 있다.Secondary batteries (e.g., lithium-ion secondary batteries) are attracting attention as a main energy source for various miniaturized and lightweight electronic devices, hybrid vehicles, and electric vehicles due to their high output and high energy characteristics.

이차전지는 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 주성분으로 하는 양극 및 음극과, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해액으로 이루어진다.A secondary battery consists of a positive electrode and a negative electrode mainly composed of an electrode active material, a binder, and a conductive material, and a separator and electrolyte solution interposed between the positive electrode and the negative electrode.

음극의 경우, 음극 활물질로 흑연계열(천연흑연, 인조흑연)이 사용되어 왔으나 낮은 전기 용량의 한계를 가지고 있어, 이러한 한계를 극복하기 위한 소재로서 실리콘 계열 물질을 사용하려는 시도가 계속되고 있다. In the case of the negative electrode, graphite-based materials (natural graphite, artificial graphite) have been used as negative electrode active materials, but they have limitations in low electric capacity, and attempts to use silicon-based materials as a material to overcome these limitations are continuing.

이러한 실리콘계 음극 활물질은 앞서 언급한 흑연계열 대비 약 10배 정도의 이론적 전기용량(4200 mAh/g)을 확보할 수 있으나, 실리콘은 충전 및 방전 과정에 의해 400 % 이상의 부피 팽창 및 수축이 발생하게 된다. 이와 같은 실리콘의 큰 부피 변화는 결과적으로 셀 내구성 저하를 야기하였다.This silicon-based anode active material can secure a theoretical electric capacity (4200 mAh/g) that is about 10 times that of the graphite-based material mentioned above, but silicon undergoes volume expansion and contraction of more than 400% during the charging and discharging process. . This large change in the volume of silicon ultimately caused a decrease in cell durability.

이에, 실리콘과 다양한 소재의 복합하여 이차전지의 충전 및 방전과정에서 그 부피변화를 완화시키기 위한 연구가 다각도로 이루어지고 있다. 이러한 연구의 일환으로, 대한민국 등록특허공보 제10-1613518호(“탄소-실리콘 복합 전극 물질 및 이의 제조방법”, 출원일: 2014.08.25., 등록일:2016.04.12.), 대한민국 등록특허공보 제10-1898110호(“활성탄-실리콘 복합체를 포함하는 리튬이차전지용 활물질 및 그 제조방법”, 출원일: 2016.08.31., 등록일:2018.09.06.) 등이 제시된 바 있다. Accordingly, research is being conducted from various angles to alleviate volume changes during the charging and discharging process of secondary batteries by combining silicon with various materials. As part of this research, Republic of Korea Patent Publication No. 10-1613518 (“Carbon-silicon composite electrode material and manufacturing method thereof”, application date: 2014.08.25., registration date: 2016.04.12.), Republic of Korea Patent Publication No. 10 -1898110 (“Active material for lithium secondary battery containing activated carbon-silicon composite and manufacturing method thereof”, application date: 2016.08.31., registration date: 2018.09.06.), etc. have been presented.

한편, 음극의 경우, 음극 활물질에 포함된 탄소계 물질 자체의 전도도가 높아 도전재의 역할을 병행할 수 있지만, 충/방전을 진행함에 따라 음극 활물질이 리튬 이온과 반응하면서 전자 전도 통로가 불안정해 지는 경우가 있으므로, 이를 보완하기 위한 별도의 도전재를 포함해야 한다. 이러한 도전재는 전극에 소량만 사용되지만 이차전지의 성능을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다. Meanwhile, in the case of the negative electrode, the carbon-based material contained in the negative electrode active material itself has high conductivity, so it can serve as a conductive material in parallel. However, as charging/discharging progresses, the negative electrode active material reacts with lithium ions and the electron conduction path becomes unstable. In some cases, a separate conductive material must be included to supplement this. Although these conductive materials are used in electrodes only in small amounts, they play a very important role in improving the performance of secondary batteries.

도전재는 현재 양산제품으로 Super-P(carbon black)가 있으며, 최근탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)인 MWCNT(multi-wall CNT)가 사용되고 있는 추세이다. 그리고, 그 연구 개발 소재로서 그래핀(graphene)이 제시된 바 있다.The current mass-produced conductive material is Super-P (carbon black), and recently, MWCNT (multi-wall CNT), a carbon nanotube (CNT), is being used. And, graphene has been proposed as a research and development material.

이때, 탄소나노튜브는 6개의 탄소가 육각 형태로 말려진 지름 수 nm 크기의 튜브 형상을 가지며, 우수한 전기적, 기계적 특성과 열적 안정성, 그리고 흡착과 수송 특성을 가지고 있기 때문에 다른 음극 재료 특히, 실리콘계 음극 활물질이 적용된 이차전지에 도전재로서 첨가하면 충/방전 시 실리콘의 큰 부피 변화를 방지할 수 있어, 실리콘계 음극 활물질이 적용된 이차전지의 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.At this time, carbon nanotubes have a tube shape with a diameter of several nm in which six carbon atoms are rolled up in a hexagonal shape, and have excellent electrical and mechanical properties, thermal stability, and adsorption and transport characteristics, so they can be used as other cathode materials, especially silicon-based cathodes. When added as a conductive material to a secondary battery to which an active material is applied, a large volume change of silicon can be prevented during charging/discharging, thereby improving the capacity and lifespan characteristics of a secondary battery to which a silicon-based anode active material is applied.

또한, 그래핀은 우수한 전기적 특성, 전하 이동도 및 비표면적으로 인해서 이차전지의 음극을 구성하는 재료로 적합한 물질로 평가되고 있다. Additionally, graphene is evaluated as a suitable material for forming the negative electrode of secondary batteries due to its excellent electrical properties, charge mobility, and specific surface area.

최근에는 이 두 물질을 하이브리드하여 두 탄소 물질 특성의 상승효과를 구현하여 투명전극, 반도체, 이차전지 등에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다.Recently, attempts have been made to hybridize these two materials to realize the synergistic effect of the properties of the two carbon materials and apply them to transparent electrodes, semiconductors, secondary batteries, etc.

본 발명은 이러한 시도 중 하나로 그래핀과 탄소나노튜브를 하이브리드하여 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 이차 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 도전재를 제조하되, 상용화 관점에서 가격경쟁력을 확보할 수 있는 기술을 제안하고자 한다.As one of these attempts, the present invention proposes a technology that hybridizes graphene and carbon nanotubes to produce a conductive material that can improve the performance of secondary batteries containing silicon-based anode active materials, while securing price competitiveness from a commercialization perspective. I want to do it.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 이차 전지의 성능을 향상시키면서도 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 이차전지용 도전재의 제조방법 및 이로부터 제조된 도전재를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is intended to solve the above-described problems, and its purpose is to provide a method for manufacturing a conductive material for secondary batteries that can secure price competitiveness while improving the performance of secondary batteries containing a silicon-based anode active material, and a conductive material manufactured therefrom. there is.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법은, 흑연(graphite)으로부터 산화 그래핀(graphene oxide; GO)을 형성하고, 이를 열처리하여 수 μm 직경을 가지는 팽창 그래핀을 제조하는 팽창 그래핀 제조단계; 및 상기 팽창 그래핀 제조단계에서 제조된 팽창 그래핀과 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 하이브리드(hybrid)하여 분말(powder) 형태의 도전재를 제조하는 도전재 제조단계; 를 포함할 수 있다.To achieve this purpose, a method of manufacturing a conductive material for secondary batteries according to an embodiment of the present invention involves forming graphene oxide (GO) from graphite and heat-treating it to form expanded graphene with a diameter of several μm. Expanded graphene manufacturing step of manufacturing pins; And a conductive material manufacturing step of manufacturing a conductive material in powder form by hybridizing the expanded graphene prepared in the expanded graphene manufacturing step and carbon nanotubes; may include.

이때, 상기 탄소나노튜브는, TMWCNT(Thin multi wall carbon nanotube)일 수 있다. At this time, the carbon nanotube may be a thin multi wall carbon nanotube (TMWCNT).

그리고, 상기 팽창 그래핀 제조단계는, 상기 흑연이 산화되며 산화 흑연을 형성하도록 강산(strong acid) 및 산화제(oxidizing agent)를 포함하는 혼합액에 상기 흑연을 투입하여 화학 처리하는 화학 처리 단계; 상기 화학 처리 단계에서 화학 처리된 처리물인 산화 흑연 현탁액을 초음파 분산기(sonicator)에 위치시키고, 층간 거리가 증가한 산화 흑연이 층 분리가 발생하면서 일부 박리되며 산화 그래핀을 형성하도록 2 시간 내지 5 시간 동안 초음파를 인가하는 초음파 처리 단계; 상기 초음파 처리단계에서 처리된 처리물인 산화 그래핀을 감압여과 방식으로 필터링하되, 중성이 될 때까지 증류수를 부어 중화하는 필터링-중화 단계; 상기 필터링-중화 단계를 거쳐 수득된 그래핀을 60 ℃ 내지 100 ℃ 의 온도에서 12 시간 이상 건조시키는 건조 단계; 및 팽창 그래핀을 형성하도록 상기 건조 단계에서 건조된 그래핀을 0.5 시간 내지 2 시간 동안 열처리하는 열처리 단계; 를 포함하며, 상기 팽창 그래핀은 5 μm 이하의 직경을 가지며, 적어도 2층 이상의 층을 가지는 다층 그래핀일 수 있다.In addition, the expanded graphene manufacturing step includes a chemical treatment step of chemically treating the graphite by adding it to a mixed solution containing a strong acid and an oxidizing agent so that the graphite is oxidized and forms oxidized graphite; In the chemical treatment step, the graphite oxide suspension, which is a chemically treated product, is placed in an ultrasonic disperser, and the graphite oxide with an increased interlayer distance is partially exfoliated as layer separation occurs, and is stirred for 2 to 5 hours to form graphene oxide. An ultrasonic treatment step of applying ultrasonic waves; A filtering-neutralization step of filtering the graphene oxide treated in the ultrasonic treatment step by vacuum filtration and neutralizing it by pouring distilled water until it becomes neutral; A drying step of drying the graphene obtained through the filtering-neutralization step at a temperature of 60 ℃ to 100 ℃ for more than 12 hours; and a heat treatment step of heat treating the graphene dried in the drying step for 0.5 to 2 hours to form expanded graphene. It includes, and the expanded graphene has a diameter of 5 μm or less and may be multilayer graphene having at least two or more layers.

여기서, 상기 산화제는 중크롬산칼륨, 크롬산, 질산, 과산화수소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Here, the oxidizing agent may include at least one of potassium dichromate, chromic acid, nitric acid, and hydrogen peroxide.

이때, 상기 화학 처리 단계에서 상기 혼합액은 염소산나트륨 및 질산이 1 : 3.5 비율로 혼합되고, 상기 흑연은 상기 흑연 대비 38 내지 40 배 용량을 가지는 상기 혼합액에 투입될 수 있다.At this time, in the chemical treatment step, sodium chlorate and nitric acid are mixed in the mixed solution at a ratio of 1:3.5, and the graphite can be added to the mixed solution having a capacity 38 to 40 times that of the graphite.

그리고, 상기 열처리 단계는, 상기 그래핀을 공기(air) 분위기에서 250 ℃ 내지 300 ℃의 온도로 열처리할 수 있다.In addition, in the heat treatment step, the graphene may be heat treated at a temperature of 250 ° C to 300 ° C in an air atmosphere.

또한, 상기 도전재 제조단계는, 상기 열처리 단계를 통해 형성된 팽창 그래핀 및 상기 탄소나노튜브의 사이즈가 감소되도록 분쇄하되, 상기 팽창 그래핀에서 층 분리되며 형성된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 균일하게 분산되며 하이브리드 되도록 물리적 힘을 인가하는 하이브리드 단계; 및 상기 하이브리드 단계에서 하이브리드된 상기 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브를 60 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 12 시간 이상 건조시켜 분말 형태의 도전재를 수득하는 도전재 수득 단계; 를 포함할 수 있다.In addition, the conductive material manufacturing step is to crush the expanded graphene and the carbon nanotubes formed through the heat treatment step to reduce the size, and to ensure that the graphene flakes and carbon nanotubes formed by layer separation from the expanded graphene are uniform. A hybrid step of applying physical force to disperse and hybridize; and a conducting material obtaining step of drying the graphene flakes and carbon nanotubes hybridized in the hybrid step at a temperature of 60° C. to 100° C. for more than 12 hours to obtain a conductive material in powder form; may include.

여기서, 상기 하이브리드 단계는, 바스켓 밀(basket mill)을 통해 상기 팽창 그래핀 및 탄소나노튜브의 사이즈가 감소되도록 분쇄하되, 상기 팽창 그래핀에서 층 분리되며 형성된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 분산되며 상호 간에 작용하는 인력에 의해 상기 탄소나노튜브가 상기 그래핀 플레이크에 결합되도록 비드(beed)를 이용해 밀링(milling)하는 밀링 단계; 및 고압 균질기(High pressure homogenizer)를 통해 상기 밀링 단계에서 밀링 처리된 상기 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 균질화하는 균질화 단계; 를 포함할 수 있다.Here, in the hybrid step, the expanded graphene and carbon nanotubes are pulverized through a basket mill to reduce the size, and the graphene flakes and carbon nanotubes formed by layer separation from the expanded graphene are dispersed. A milling step of milling the carbon nanotubes using beads so that the carbon nanotubes are bonded to the graphene flakes by mutual attraction; and A homogenization step of homogenizing the graphene flakes and carbon nanotubes milled in the milling step through a high pressure homogenizer so that they are uniformly dispersed; may include.

이때, 상기 밀링 단계는, 2500 내지 3500 rpm의 속도로 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다. At this time, the milling step may be performed for 1 to 3 hours at a speed of 2500 to 3500 rpm.

그리고, 상기 균질화 단계는, 800 bar 이상의 압력에서 3 회 이상 반복(pass) 수행될 수 있다.Additionally, the homogenization step may be repeated three or more times at a pressure of 800 bar or higher.

한편, 상술한 이차전지용 도전재의 제조 방법으로 도전재를 제조할 수 있다. Meanwhile, the conductive material can be manufactured using the method for manufacturing the conductive material for secondary batteries described above.

또한, 상술한 이차전지용 도전재의 제조 방법을 통해 제조된 도전재를 포함하는 음극 및 상기 음극을 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다.In addition, a negative electrode containing a conductive material manufactured through the above-described method of manufacturing a conductive material for a secondary battery and a secondary battery including the negative electrode can be provided.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the following effects are achieved.

첫째, 활성탄과 혼합 시 도전성을 증가시키기 위해 활성탄보다 작은 사이즈인 5 μm 미만의 균일한 그래핀 플레이크를 제조하되, 다층 그래핀으로 형성함에 따라 공정 과정 수행에 따라 수반되는 비용을 절감할 수 있다.First, in order to increase conductivity when mixed with activated carbon, uniform graphene flakes of less than 5 μm, which are smaller than activated carbon, are manufactured, but by forming them with multilayer graphene, the costs associated with the process can be reduced.

둘째, 고결정 단층 그래핀 대비 저비용으로 제조 가능한 다층 그래핀인 그래핀 플레이크와, 탄소나노튜브의 종류 중 SMWCNT 대비 저렴하면서도 MWCNT 대비 전기전도도가 높은 고결정의 TMWCNT를 하이브리드함에 따라 도전재 제조에 수반되는 비용을 절감하면서도, 이로부터 제조된 도전재는 그래핀 플레이크 층간 및 표면에 균일하게 분산된 탄소나노튜브가 전자 이동통로를 구성하며 우수한 전기적 특성을 가질 수 있다.Second, it is necessary to manufacture conductive materials by hybridizing graphene flake, which is a multi-layer graphene that can be manufactured at a lower cost than high-crystal single-layer graphene, and high-crystal TMWCNT, which is cheaper than SMWCNT among carbon nanotubes and has higher electrical conductivity than MWCNT. While reducing the cost, the conductive material manufactured from this can have excellent electrical properties as carbon nanotubes uniformly dispersed between graphene flake layers and on the surface constitute an electron transfer path.

셋째, 팽창 그래핀의 단점인 박리의 어려움을 극복하기 위해 바스켓 밀과 고압 균질기의 장비적 이점을 활용하여 팽창 그래핀(또는 그래핀 플레이크)과 탄소나노튜브에 물리적 힘을 동시에 인가하여 사이즈 조절 및 분산을 수행함으로써, 두 소재가 하이브리드된 고전도성 파우더를 제조하는 저가 공정 프로세스를 구현함에 따라 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.Third, in order to overcome the difficulty of exfoliation, which is a disadvantage of expanded graphene, the equipment advantages of the basket mill and high-pressure homogenizer are utilized to simultaneously apply physical force to expanded graphene (or graphene flakes) and carbon nanotubes to control size and By performing dispersion, price competitiveness can be secured by implementing a low-cost process for manufacturing a highly conductive powder in which the two materials are hybridized.

넷째, 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 하이브리드된 도전재는 음극 활물질 역할까지 보충해줄 수 있기에 이를 활용한 이차전지의 용량 및 수명특성을 향상시킬 수 있다. Fourth, the conductive material, which is a hybrid of graphene flakes and carbon nanotubes, can even supplement the role of the negative electrode active material, improving the capacity and lifespan characteristics of secondary batteries using it.

다섯 째, 실리콘 계 음극 활물질이 적용된 이차전지에 응용될 경우, 충/방전 시 부피 변화를 잡아주며, 우수한 전기 전도도 및 안정성을 제공할 수 있다.Fifth, when applied to a secondary battery using a silicon-based negative active material, it can control volume changes during charging/discharging and provide excellent electrical conductivity and stability.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법 중 팽창 그래핀 제조단계를 도시한 흐름도이다.
도3은 (a) 흑연과 도2에 예시된 팽창 그래핀 제조단계를 통해 제작된 (b) 팽창 그래핀 및 (c)는 도3 (b)에 예시된 팽창 그래핀을 확대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도4는 도2에 예시된 팽창 그래핀 제조단계 중 초음파 처리 단계의 초음파 분산 시간(3H, 5H)에 따라 최종적으로 제조된 팽창 그래핀을 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진으로, (a)는 초음파 분산 시간이 3 시간인 경우이며, (b)는 초음파 분산 시간이 5 시간인 경우이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법 중 도전재 제조단계를 도시한 흐름도이다.
도6은 도5에 예시된 도전재 제조단계 중 밀링 단계에서 사용되는 바스켓 밀의 분쇄 및 분산과정을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도7은 도4에 예시된 도전재 제조단계 중 밀링 단계에서 바스켓 밀에 투입된 (a) 팽창 그래핀, (b) TMWCNT 및 (c)밀링 단계와 균질화 단계를 진행한 그래핀 플레이크를 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도8은 밀링 단계에서 바스켓 밀을 통해 1차적으로 하이브리드된 그래핀 플레이크 및 TMWCNT를 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도9는 도5에 예시된 도전재 제조단계 중 균질화 단계에서 고압 균질기에 투입되어 (a)그래핀 플레이크와 TMWCNT가 최종적으로 하이브리드된 도전재 및 이의 (b) 비교 예를 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도10은 도9(a)에 제시된 도전재의 분체 전도도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a conductive material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart showing the expanded graphene manufacturing step in the manufacturing method of a conductive material for secondary batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a scanning electron microscope showing (a) graphite and (b) expanded graphene produced through the expanded graphene manufacturing steps illustrated in Figure 2, and (c) expanded graphene illustrated in Figure 3 (b). (SEM) This is a photo.
Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the expanded graphene finally manufactured according to the ultrasonic dispersion time (3H, 5H) of the ultrasonic treatment step among the expanded graphene manufacturing steps illustrated in Figure 2, (a) is a case where the ultrasonic dispersion time is 3 hours, and (b) is a case where the ultrasonic dispersion time is 5 hours.
Figure 5 is a flowchart showing the manufacturing step of a conductive material in the method of manufacturing a conductive material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a schematic diagram schematically showing the pulverization and dispersion process of the basket mill used in the milling step in the manufacturing step of the conductive material illustrated in Figure 5.
Figure 7 is a scan measuring (a) expanded graphene, (b) TMWCNT, and (c) graphene flakes that have undergone the milling and homogenization steps introduced into the basket mill in the milling step of the conductive material manufacturing step illustrated in Figure 4. This is an electron microscope (SEM) photo.
Figure 8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph measuring graphene flakes and TMWCNTs that were primarily hybridized through a basket mill in the milling step.
Figure 9 is a scanning electron microscope measuring a conductive material in which (a) graphene flakes and TMWCNTs are finally hybridized by being put into a high-pressure homogenizer in the homogenization step of the conductive material manufacturing step illustrated in Figure 5, and (b) a comparative example thereof (b) SEM) This is a photo.
Figure 10 is a graph showing the powder conductivity measurement results of the conductive material shown in Figure 9(a).

본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.Preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings, but technical parts that are already well-known will be omitted or compressed for brevity of explanation.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법을 도시한 흐름도이다.Figure 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a conductive material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, a method of manufacturing a conductive material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may include the following steps.

1. 팽창 그래핀 제조단계<S100> 1. Expanded graphene manufacturing step <S100>

팽창 그래핀 제조단계(S100)는 흑연(graphite)으로부터 산화 그래핀(graphene oxide; GO)을 형성하고, 이를 열처리하여 수 μm 직경을 가지는 팽창 그래핀을 제조하는 단계이다.The expanded graphene manufacturing step (S100) is a step of forming graphene oxide (GO) from graphite and heat-treating it to manufacture expanded graphene with a diameter of several μm.

이하에서는, 팽창 그래핀 제조단계(S100)에 관하여 좀더 구체적으로 설명하고자 한다.Below, the expanded graphene manufacturing step (S100) will be described in more detail.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법 중 팽창 그래핀 제조단계를 도시한 흐름도이며, 도3은 (a) 흑연(Mag=10K)과 도2에 예시된 팽창 그래핀 제조단계를 통해 제작된 (b) 팽창 그래핀(Mag=5K) 및 (c)는 도3 (b)에 예시된 팽창 그래핀을 확대(Mag=10K)한 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도4는 도2에 예시된 팽창 그래핀 제조단계 중 초음파 처리 단계의 초음파 분산 시간(3H, 5H)에 따라 최종적으로 제조된 팽창 그래핀을 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진으로, (a)는 초음파 분산 시간이 3 시간인 경우(Mag=1K, 10K, 50K)이며, (b)는 초음파 분산 시간이 5 시간인 경우(Mag= 10K, 50K)이다.Figure 2 is a flowchart showing the expanded graphene manufacturing step in the manufacturing method of a conductive material for secondary batteries according to an embodiment of the present invention, and Figure 3 is a flow chart showing (a) graphite (Mag = 10K) and expanded graphene illustrated in Figure 2. (b) expanded graphene (Mag = 5K) and (c) produced through the manufacturing step are scanning electron microscope (SEM) photographs enlarged (Mag = 10K) of the expanded graphene illustrated in Figure 3 (b), Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the expanded graphene finally manufactured according to the ultrasonic dispersion time (3H, 5H) of the ultrasonic treatment step among the expanded graphene manufacturing steps illustrated in Figure 2, (a) is the case where the ultrasonic dispersion time is 3 hours (Mag=1K, 10K, 50K), and (b) is the case where the ultrasonic dispersion time is 5 hours (Mag=10K, 50K).

도2 내지 도4를 참조하면, 팽창 그래핀 제조단계(S100)는 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.Referring to Figures 2 to 4, the expanded graphene manufacturing step (S100) may include the following steps.

1-1. 화학 처리 단계<S110>1-1. Chemical treatment step <S110>

화학 처리 단계(S110)는 강산(strong acid) 및 산화제(oxidizing agent)를 포함하는 혼합액에 흑연을 투입하여 흑연이 산화되며 산화 흑연(graphite oxide)을 형성하도록 화학 처리하는 단계이다. 즉, 흑연을 강산과 산화제로 산화시킨 산화 흑연을 제조한다.The chemical treatment step (S110) is a chemical treatment step in which graphite is added to a mixed solution containing a strong acid and an oxidizing agent so that the graphite is oxidized and forms graphite oxide. In other words, oxidized graphite is produced by oxidizing graphite with a strong acid and an oxidizing agent.

이때, 혼합액은 염소산나트륨(sodium chlorate 98 %) 및 발연질산(fuming nitric acid 93 %)이 1 : 3.5 비율로 혼합되고, 흑연은 흑연 대비 38 내지 40 배 용량을 가지는 혼합액에 투입된다. 좀더 구체적으로, 화학 처리 단계(S110)에서 흑연 : 혼합액은 1 : 38 내지 40 비율을 가질 수 있고, 좀더 바람직하게는 1 : 38.5 비율을 가질 수 있다.At this time, the mixed solution contains sodium chlorate (98%) and fuming nitric acid (93%) in a ratio of 1:3.5, and graphite is added to the mixed solution with a capacity 38 to 40 times that of graphite. More specifically, in the chemical treatment step (S110), the graphite:mixture may have a ratio of 1:38 to 40, and more preferably, may have a ratio of 1:38.5.

1-2. 초음파 처리 단계<S120>1-2. Sonication step <S120>

초음파 처리 단계(S120)는 화학 처리 단계(S100)에서 화학 처리된 처리물인 산화 흑연 현탁액을 초음파 분산기(sonicator)에 위치시키고, 층간 거리가 증가한 산화 흑연이 층 분리가 발생하면서 일부 박리되어 산화 그래핀을 형성하도록 2 시간 내지 5시간 동안 초음파를 인가하는 단계이다. 일예로, 초음파 분산기는 특정 주파수 대역의 초음파를 일정 시간 분산시킬 수 있는 sonication water bath일 수 있다. In the ultrasonic treatment step (S120), the graphite oxide suspension, which is a chemically treated product in the chemical treatment step (S100), is placed in an ultrasonic disperser, and the graphite oxide with an increased interlayer distance is partially exfoliated as layer separation occurs, forming graphite oxide. This is the step of applying ultrasound for 2 to 5 hours to form. For example, an ultrasonic disperser may be a sonication water bath that can disperse ultrasonic waves in a specific frequency band for a certain period of time.

좀더 구체적으로 설명하면, 산화 흑연 현탁액을 비커에 담은 후, 그 비커를 초음파 분산기에 투입한다. 산화제는 탄소 구조체의 상호 작용력을 약화 즉, 층간 사이의 힘을 약하게 만들어 층간 간격이 벌어지도록 하고, 이렇게 약화된 층간 결합에 산성 물질이 침투하게 된다. 이때, 초음파 처리를 통해 팽창된 산화 흑연의 층이 일부 박리되며 흑연의 층수를 1차적으로 줄여줄 수 있다.To explain more specifically, the graphite oxide suspension is placed in a beaker and then the beaker is placed in an ultrasonic disperser. The oxidizing agent weakens the interaction force of the carbon structure, that is, weakens the force between layers, causing the gap between layers to widen, and acidic substances penetrate into this weakened interlayer bond. At this time, some of the expanded graphite oxide layers are peeled off through ultrasonic treatment, and the number of graphite layers can be primarily reduced.

참고로, 흑연의 화학 처리 후 본 발명이 제안하는 초음파 분산 방식 외에도 볼밀 공정을 통해 그 사이즈를 줄여볼 수 있으나, 화학 처리 즉, 산 처리를 통해 팽창하는 팽창 흑연 특성 상 볼밀 진행 시 입자에 충격이 가해지면 쪼개지지 않고, 팽창된 구조로 인해 충격을 흡수하기 때문에 팽창 전 흑연과 유사한 모습으로 돌아가게 된다. 이에, 사이즈 감소 효과를 기대할 수 없으며, 산 처리 과정으로부터 증가시킨 탄소 층간 거리가 다시 줄어들게 되는 문제점이 있다.For reference, after chemical treatment of graphite, in addition to the ultrasonic dispersion method proposed by the present invention, the size can be reduced through a ball mill process. However, due to the nature of expanded graphite that expands through chemical treatment, that is, acid treatment, there is impact on the particles during ball milling. When applied, it does not split, but absorbs shock due to its expanded structure, so it returns to an appearance similar to graphite before expansion. Accordingly, the size reduction effect cannot be expected, and there is a problem in that the distance between carbon layers increased from the acid treatment process is reduced again.

그리고, 초음파 처리 단계(S120)에서 산화 흑연 현탁액에 초음파를 인가하여 분산시키는 과정은 2 시간 내지 5 시간 동안 이루어질 수 있는데, 도4를 참조하면 최소 3시간 동안 진행하더라도 흑연의 화학 처리(에컨대, 산 처리)에 의한 팽창 및 후술할 열처리 단계에 의한 열 팽창하는데 문제없음을 확인할 수 있었다. 이에, 초음파 분산 과정은 최소 3 시간 동안 수행하는 것이 바람직할 수 있다.In addition, in the ultrasonic treatment step (S120), the process of dispersing the graphite oxide suspension by applying ultrasonic waves may be carried out for 2 to 5 hours. Referring to FIG. 4, even if it is carried out for at least 3 hours, the chemical treatment of graphite (e.g., It was confirmed that there was no problem with expansion by acid treatment) and thermal expansion by the heat treatment step to be described later. Accordingly, it may be desirable to perform the ultrasonic dispersion process for at least 3 hours.

참고로, 도4(a)는 화학 처리단계에서 산 처리 후 3 시간 동안 초음파 분산을 진행한 뒤 후술할 열처리 단계를 통해 열 팽창한 흑연(예컨대, 팽창 그래핀)을 다른 배율로 나타낸 SEM 사진이고, 도4(b)는 산 처리 후 5 시간 동안 초음파 분산을 진행한 뒤 열처리 단계를 통해 열 팽창한 흑연(예컨대, 팽창 그래핀)을 다른 배율로 나타낸 SEM 시간이다.For reference, Figure 4(a) is an SEM photograph showing graphite (e.g., expanded graphene) thermally expanded through a heat treatment step to be described later after ultrasonic dispersion for 3 hours after acid treatment in the chemical treatment step, at different magnifications. , Figure 4(b) is the SEM time showing graphite (e.g., expanded graphene) thermally expanded through a heat treatment step after ultrasonic dispersion for 5 hours after acid treatment at different magnifications.

1-3. 필터링-중화 단계<S130>1-3. Filtering-neutralization step<S130>

초음파 처리단계(120)에서 처리된 처리물인 산화 그래핀을 감압여과 방식으로 필터링하되, 중성이 될 때까지 증류수를 부어 중화하는 단계이다.This is a step in which the graphene oxide treated in the ultrasonic treatment step 120 is filtered using reduced pressure filtration, and distilled water is poured until it becomes neutral.

좀더 구체적으로 설명하면, 필터링의 경우, 여과장치세트와 아스피레이터를 사용하는데, 여과장치세트에 구비된 플라스크(flask) 또는 깔대기(funnel)에 산화 그래핀을 수용한 뒤 감압여과형식으로 진행하게 된다. 이때, 중화는 pH 시험지를 이용해 중성이 나올 때까지 산화 그래핀이 담긴 플라스크에 증류수(D.I.water)를 부어 수행될 수 있다.To be more specific, in the case of filtering, a filtration device set and an aspirator are used. Graphene oxide is placed in a flask or funnel provided in the filtration device set, and then vacuum filtration is performed. do. At this time, neutralization can be performed by pouring distilled water (DI water) into the flask containing graphene oxide until neutrality appears using a pH test paper.

즉, 필터링-중화 단계(S130)는 팽창된 산화 그래핀을 세정하고 이를 수득하는 단계이다. That is, the filtering-neutralization step (S130) is a step of cleaning and obtaining the expanded graphene oxide.

1-4. 건조 단계<S140>1-4. Drying step<S140>

건조 단계(S140)는 필터링-중화 단계(130)를 거쳐 수득된 그래핀을 60 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 12시간 이상 건조시키는 단계이다.The drying step (S140) is a step of drying the graphene obtained through the filtering-neutralization step (130) at a temperature of 60°C to 100°C for more than 12 hours.

좀더 구체적으로 설명하면, 건조단계(S140)는 용매(예컨대, 물)의 건조가 가능한 최적의 조건으로 설정되었으며, 진공오븐을 사용하여 60 ℃ 내지 100 ℃ 좀더 바람직하게는 80 ℃의 온도 하에서 최소 12 시간 건조를 진행한다.To be more specific, the drying step (S140) was set to the optimal conditions for drying the solvent (e.g., water), using a vacuum oven at a temperature of 60°C to 100°C, more preferably 80°C, at least 12°C. Allow time to dry.

1-5. 열처리 단계<S150>1-5. Heat treatment step <S150>

열처리 단계(S150)는 열에 의해 팽창된 팽창 그래핀을 형성하도록 건조 단계(S140)에서 건조된 그래핀을 0.5 내지 2 시간 동안 열처리하는 단계이다.The heat treatment step (S150) is a step of heat treating the graphene dried in the drying step (S140) for 0.5 to 2 hours to form expanded graphene expanded by heat.

여기서, 열처리 단계(S150)는 그래핀 층간에 삽입된 질산 분자가 이탈되며 발생한 분출 압력에 의해 층간이 분리되어 팽창하면서도, 산소 관능기가 제거되도록 공기(air) 분위기에서 250 ℃ 내지 300 ℃의 온도로 2 시간 이내로 상기 그래핀을 열처리한다.Here, the heat treatment step (S150) is performed at a temperature of 250°C to 300°C in an air atmosphere so that the layers are separated and expanded by the blowout pressure generated when the nitric acid molecules inserted between the graphene layers are released, and the oxygen functional group is removed. The graphene is heat treated within 2 hours.

이때, 열처리 단계(S150)는 건조 단계(S140)에서 건조된 그래핀의 산소 관능기 제거 및 흑연 팽창을 위한 열처리 진행이므로 그 시간을 길게 진행할 필요가 없다. At this time, the heat treatment step (S150) is a heat treatment process for removing the oxygen functional group of the graphene dried in the drying step (S140) and expanding the graphite, so there is no need to proceed for a long time.

이에 관하여 좀더 구체적으로 설명하면, 상술한 일련의 과정을 통하여 수득되어 건조된 그래핀의 산소 관능기는 270 ℃ 내지 295 ℃의 열처리 온도에서 제거될 수 있다. 그리고, 200 ℃ 이상의 열처리 온도에서는 수득되어 건조된 그래핀의 층간화합물 분해 및 가스 생성이 이루어지는데, 건조된 그래핀 층간에 삽입된 질산 분자가 열처리에 의해 한꺼번에 이탈되며 발생한 분출 압력에 의해 층간 분리가 발생하며 팽창하게 되고, 이 과정에서 건조된 그래핀 일부는 박리된다. 이에, 본 발명이 제안하는 이차전지용 도전재 제조 방법에서 열처리 단계(S150)에서는 열처리를 수행하기 위한 장치에 그래핀을 위치시킨 뒤, 300 ℃의 온도에서 1시간 동안 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. To explain this in more detail, the oxygen functional group of graphene obtained and dried through the above-described series of processes can be removed at a heat treatment temperature of 270 ° C to 295 ° C. In addition, at a heat treatment temperature of 200 ℃ or higher, the interlayer compounds of the obtained and dried graphene are decomposed and gas is generated. The nitric acid molecules inserted between the dried graphene layers are released all at once by the heat treatment, and the resulting blowout pressure causes interlayer separation. It occurs and expands, and during this process, some of the dried graphene is exfoliated. Accordingly, in the heat treatment step (S150) in the method for manufacturing a conductive material for secondary batteries proposed by the present invention, it may be preferable to place graphene in a device for heat treatment and then perform the heat treatment at a temperature of 300 ° C. for 1 hour.

열처리 단계(S150)를 거쳐 최종적으로 제조된 팽창 그래핀은 2 μm 이하의 직경을 가지며, 적어도 2층 이상의 층을 가지는 다층 그래핀일 수 있다.The expanded graphene finally manufactured through the heat treatment step (S150) has a diameter of 2 μm or less and may be multilayer graphene having at least two or more layers.

참고로, 실리콘과 복합되어 음극 활물질로 제조되는 소재는 대표적으로 탄소계 소재(예컨대, 활성탄)이 제시된 바 있다. 이때, 활성탄과 혼합 시 도전성 증가를 위해서는 도전재가 활성탄 사이즈보다 작게 제작될 필요성이 있다. 만약, 도전재가 5 μm 초과 직경을 가질 경우, 이를 포함하여 제작된 음극의 저항은 증가하게 된다. For reference, carbon-based materials (e.g., activated carbon) have been proposed as a representative material that is manufactured as a negative electrode active material by combining with silicon. At this time, in order to increase conductivity when mixed with activated carbon, the conductive material needs to be manufactured smaller than the size of the activated carbon. If the conductive material has a diameter exceeding 5 μm, the resistance of the cathode manufactured including it increases.

이에, 본 발명은 5 μm 미만의 흑연(graphite)을 화학적 처리 후 열처리 팽창 작용으로 5 μ이하의 팽창 그래핀을 제작하되, 단층이 아닌 다층 그래핀으로 형성함으로써 종래 고결정 그래핀을 제작하던 기술들 대비 공정이 단순화되고, 팽창 그래핀 제조에 수반되던 비용을 절감할 수 있다.Accordingly, the present invention manufactures expanded graphene of less than 5 μm by chemically treating graphite less than 5 μm and then heat treatment expansion, but forms it into multi-layer graphene rather than single-layer graphene, which is a technology for producing conventional high-crystalline graphene. Compared to others, the process is simplified and the costs associated with manufacturing expanded graphene can be reduced.

이때, 도3(b)에 예시된 바와 같이 최종적으로 제조된 팽창 그래핀이 다층 그래핀으로 형성되더라도 후술할 고결정의 탄소나노튜브(TMWCNT)와 균질하게 하이브리드된 구조로 제안됨에 따라 그 전도도는 향상될 수 있어, 전도 특성 확보 또한 가능한 것이다. At this time, even if the finally manufactured expanded graphene is formed of multi-layer graphene as illustrated in Figure 3(b), its conductivity is low as it is proposed to have a homogeneously hybridized structure with highly crystalline carbon nanotubes (TMWCNT), which will be described later. Since it can be improved, it is also possible to secure conduction characteristics.

2. 도전재 제조단계<S200>2. Conductive material manufacturing step <S200>

도전재 제조단계(S200)는 팽창 그래핀 제조단계(S100)에서 제조된 팽창 그래핀과 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 하이브리드(hybrid)하여 분말(powder) 형태의 도전재를 제조하는 단계이다. 일예로, 팽창 그래핀과 탄소나노튜브의 하이브리드 비율은 1:1일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양하게 설정될 수 있다.The conductive material manufacturing step (S200) is a step of manufacturing a conductive material in powder form by hybridizing the expanded graphene prepared in the expanded graphene manufacturing step (S100) with carbon nanotubes. For example, the hybrid ratio of expanded graphene and carbon nanotubes may be 1:1, but is not limited to this and may be set in various ways.

이때, 탄소나노튜브는 TMWCNT(Thin multi wall carbon nanotube)인 것이 바람직하다. 참고로, TMWCNT는 SWCNT(single wall carbon nanotube)보다는 벽의 개수가 많고, MWCNT(multi wall carbon nanotube) 보다는 벽의 개수가 적은 탄소나노튜브를 의미한다. 즉, TMWCNT는 3 내지 7개의 벽을 가지는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. At this time, it is preferable that the carbon nanotube is TMWCNT (Thin multi wall carbon nanotube). For reference, TMWCNT refers to a carbon nanotube with more walls than SWCNT (single wall carbon nanotube) and fewer walls than MWCNT (multi wall carbon nanotube). That is, TMWCNT may be a multi-walled carbon nanotube having 3 to 7 walls.

일예로, TMWCNT는 그 직경이 4 nm 내지 9 nm이고, 길이는 10 μm 내지 200 μm 이며, 비표면적은 400 m2/g 내지 700 m2/g, 순도는 >98.5 wt.%의 조건을 만족하는 소재일 수 있다. For example, TMWCNT has a diameter of 4 nm to 9 nm, a length of 10 μm to 200 μm, a specific surface area of 400 m 2 /g to 700 m 2 /g, and a purity of >98.5 wt.%. It may be a subject matter.

이하에서는, 도전재 제조단계(S200)에 관하여 좀더 구체적으로 설명하고자 한다.Below, the conductive material manufacturing step (S200) will be described in more detail.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 도전재의 제조방법 중 도전재 제조단계를 도시한 흐름도이고, 도6은 밀링 단계에서 사용되는 바스켓 밀의 분쇄 및 분산과정을 개략적으로 도시한 개략도이며, 도7은 도4에 예시된 도전재 제조단계 중 밀링 단계에서 바스켓 밀에 투입된 (a) 팽창 그래핀(Mag=50K), (b) TMWCNT(Mag=1K) 및 (c)밀링 단계와 균질화 단계를 진행한 그래핀 플레이크(Mag=10K)를 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도8은 밀링 단계에서 바스켓 밀을 통해 1차적으로 하이브리드된 그래핀 플레이크 및 TMWCNT를 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진(Mag=5K)이며, 도9는 도5에 예시된 도전재 제조단계 중 균질화 단계에서 고압 균질기에 투입되어 (a)그래핀 플레이크와 TMWCNT가 최종적으로 하이브리드된 도전재(Mag=10K) 및 이의 (b) 비교 예(Mag=30K)를 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도10은 도9(a)에 제시된 도전재의 분체 전도도 측정결과를 나타낸 그래프이다.Figure 5 is a flow chart showing the conductive material manufacturing step in the manufacturing method of the conductive material for secondary batteries according to an embodiment of the present invention, and Figure 6 is a schematic diagram schematically showing the pulverization and dispersion process of the basket mill used in the milling step, Figure 7 shows (a) expanded graphene (Mag = 50K), (b) TMWCNT (Mag = 1K), and (c) milling and homogenization steps added to the basket mill in the milling step of the conductive material manufacturing step illustrated in Figure 4. This is a scanning electron microscope (SEM) photograph measuring graphene flakes (Mag = 10K), and Figure 8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph measuring graphene flakes and TMWCNTs that were primarily hybridized through a basket mill in the milling stage. SEM) photo (Mag = 5K), and Figure 9 is a conductive material (Mag = 10K) in which (a) graphene flakes and TMWCNT are finally hybridized by being put into a high-pressure homogenizer in the homogenization step of the conductive material manufacturing step illustrated in Figure 5. ) and its (b) comparative example (Mag=30K) are scanning electron microscope (SEM) photographs, and Figure 10 is a graph showing the powder conductivity measurement results of the conductive material shown in Figure 9(a).

도5 내지 도10을 참조하면, 도전재 제조단계(S200)는 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.5 to 10, the conductive material manufacturing step (S200) may include the following steps.

2-1. 하이브리드 단계(S210)2-1. Hybrid stage (S210)

하이브리드 단계(S210)는 열처리 단계(S150)를 통해 형성된 팽창 그래핀 및 탄소나노튜브의 사이즈가 감소되도록 분쇄하되, 팽창 그래핀에서 층 분리되며 형성된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 상호 간에 인력이 작용하면서 팽창 그래핀과 탄소 나노튜브가 균일하게 분산되며 하이브리드 되도록 물리적 힘을 인가하는 단계이다.In the hybrid step (S210), the expanded graphene and carbon nanotubes formed through the heat treatment step (S150) are pulverized to reduce the size, but the graphene flakes and carbon nanotubes formed by layer separation from the expanded graphene exert an attractive force on each other. This is the step of applying physical force so that the expanded graphene and carbon nanotubes are uniformly dispersed and hybridized.

여기서, 하이브리드 단계(S210)는 밀링 단계(S211) 및 균질화 단계(S212)를 포함할 수 있다.Here, the hybrid step (S210) may include a milling step (S211) and a homogenization step (S212).

밀링 단계(S211)는 바스켓 밀(basket mill)을 통해 팽창 그래핀 및 탄소나노튜브의 사이즈가 감소되도록 분쇄하되, 팽창 그래핀에서 층 분리되며 형성된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 분산되며 상호 간에 작용하는 인력에 의해 탄소나노튜브가 그래핀 플레이크에 결합되도록 비드를 이용해 밀링(milling)하는 단계이다. In the milling step (S211), the expanded graphene and carbon nanotubes are pulverized through a basket mill to reduce the size, but the layers are separated from the expanded graphene and the formed graphene flakes and carbon nanotubes are dispersed and interact with each other. This is the step of milling using beads so that the carbon nanotubes are bonded to the graphene flakes by attractive force.

바스켓 밀은 바스켓 안에 비드를 이용해 샘플을 밀링하면서 분산시키는 효과가 탁월한 기계로, 도6을 참조하면, 미세 간극(gap 200 μm)을 유지하는 바스켓 형태의 챔버에 핀 타입의 교반봉을 갖고 있어 내부의 비드(beed)를 교반시키면서 발생하는 에너지로 두 시료를 분쇄 분산 처리할 수 있다. 베셀 내부의 시료들이 교반봉의 회전에 의해 순환하면서 비드 즉, 볼들과 부딪히는 힘에 의해 팽창 그래핀의 층 분리가 발생될 수 있다.The basket mill is a machine that mills and disperses the sample using beads inside the basket, which is excellent for dispersing the sample. Referring to Figure 6, it has a pin-type stirring bar in a basket-shaped chamber that maintains a fine gap (gap 200 μm), so the internal The two samples can be pulverized and dispersed using the energy generated by stirring the beads. As the sample inside the vessel circulates through the rotation of the stirring rod, layer separation of the expanded graphene may occur due to the force of hitting the beads, that is, balls.

즉, 바스켓 밀은 팽창 그래핀을 분쇄하여 사이즈를 줄여주고, 사이즈가 줄어든 두 시료 그래핀 플레이크 및 풀린 형태의 TMWCNT가 적절히 분산되도록 한다. 이 과정에서, 그래핀 플레이크와 풀린 형태의 TMWCNT가 만나며 인력이 작용하게 되고 도8에 예시된 바와 같이 두 시료는 1차적으로 하이브리드될 수 있다. In other words, the basket mill pulverizes the expanded graphene to reduce its size, and ensures that the two reduced-sized sample graphene flakes and the released TMWCNTs are properly dispersed. In this process, the graphene flake and the unlocked TMWCNT meet and attract force, and as illustrated in Figure 8, the two samples can be primarily hybridized.

여기서, 밀링 단계(S211)는 2500 내지 3500 rpm의 속도로 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다. 좀더 구체적으로는 3000 rpm의 속도로 2 시간동안 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 도전재 제조방법에서 바스켓 밀로부터 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 1차적으로 하이브리드되는 밀링 단계에서 사용된 볼(또는 비드)의 질량은 660 g, 그 사이즈는 1 mm 이었다.Here, the milling step (S211) may be performed for 1 to 3 hours at a speed of 2500 to 3500 rpm. More specifically, it is preferably performed for 2 hours at a speed of 3000 rpm. At this time, in the method of manufacturing a conductive material according to an embodiment of the present invention, the mass of the ball (or bead) used in the milling step in which graphene flakes and carbon nanotubes are primarily hybridized from the basket mill is 660 g, and its size is 660 g. It was 1 mm.

참고로, 밀링 단계(S211)에서 속도 조건을 2500 rpm, 3000 rpm, 3500 rpm, 4000 rpm으로 변경하며 조건별 테스트를 수행하였을 때, 3000 rpm 조건에서 팽창 그래핀 및 탄소나노튜브의 사이즈 감소와 더불어 두 시료가 1차적으로 하이브리드 되는데 충분함을 확인하였다.For reference, when the speed conditions were changed to 2500 rpm, 3000 rpm, 3500 rpm, and 4000 rpm in the milling step (S211) and a test was performed for each condition, the size of expanded graphene and carbon nanotubes was reduced at 3000 rpm. It was confirmed that the two samples were sufficient for primary hybridization.

균질화 단계(S212)는 고압 균질기(high pressure homogenizer)를 통해 밀링 단계(S211)에서 밀링 처리된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 균질화하는 단계이다.The homogenization step (S212) is a step of homogenizing the graphene flakes and carbon nanotubes milled in the milling step (S211) using a high pressure homogenizer so that they are uniformly dispersed.

좀더 구체적으로 설명하면, 균질화 단계(S212)는 밀링 단계(S211)에서 1차적으로 하이브리드된 두 시료 즉, 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 고압 균질기의 좁은 틈(gap 100 nm)을 높은 압력으로 빠져나가면서 그래핀 플레이크의 추가적인 층 분리가 진행되도록 하고, 그래핀 플레이크와 TMWCNT의 고른 분산을 수행하며 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브를 2차적으로 하이브리드할 수 있다. 즉, 고압 균질기를 통해 그래핀 플레이크의 층 박리가 발생함과 동시에 탄소나노튜브를 풀린 형태가 되게 하고 탄소나노튜브를 효과적으로 분산시킬 수 있다. More specifically, in the homogenization step (S212), the two samples that were primarily hybridized in the milling step (S211), i.e., graphene flakes and carbon nanotubes, are subjected to high pressure through a narrow gap (gap 100 nm) of a high-pressure homogenizer. As it exits, additional layer separation of the graphene flake occurs, even dispersion of the graphene flake and TMWCNT is performed, and the graphene flake and carbon nanotube can be secondaryly hybridized. In other words, through the high-pressure homogenizer, layer peeling of the graphene flakes occurs, and at the same time, the carbon nanotubes are released into a loose form and the carbon nanotubes can be effectively dispersed.

이때, 균질화 단계(S212)는 800 bar 이상의 압력 하에서 3 회 이상 반복(pass) 수행될 수 있다.At this time, the homogenization step (S212) may be repeated (pass) three or more times under a pressure of 800 bar or more.

참고로, 균질화 단계(S212)에서 압력 조건을 1000 bar 기준 1 pass, 3 pass 및 5 pass 조건별 테스트를 수행하였을 때, 3 pass 진행 조건에서 그래핀 플레이크 및 탄소나노튜브가 고르게 분산되며 최종적으로 하이브리드 되는데 충분함을 확인하였다. For reference, in the homogenization step (S212), when tests were performed for 1 pass, 3 pass, and 5 pass conditions based on pressure conditions of 1000 bar, the graphene flakes and carbon nanotubes were evenly dispersed under the 3 pass condition, and ultimately hybridized. It was confirmed that it was sufficient.

2-2. 도전재 수득 단계(S220)2-2. Conductive material acquisition step (S220)

도전재 수득 단계(S220)는 하이브리드 단계(S210)에서 하이브리드된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브를 60 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 12 시간 이상 건조시켜 분말 형태의 도전재를 수득하는 단계이다.The step of obtaining a conductive material (S220) is a step of obtaining a conductive material in powder form by drying the graphene flakes and carbon nanotubes hybridized in the hybrid step (S210) at a temperature of 60 ℃ to 100 ℃ for more than 12 hours.

좀더 구체적으로 설명하면, 건조단계(S140)는 진공오븐을 사용하여 60 ℃ 내지 100 ℃ 좀더 바람직하게는 80 ℃의 온도 하에서 최소 12 시간 건조를 진행한다.To be more specific, the drying step (S140) is performed using a vacuum oven at a temperature of 60°C to 100°C, more preferably 80°C, for at least 12 hours.

상술한 과정을 통해 제조되는 분말 형태의 도전재는 도9(a)에 예시된 바와 같이 그래핀 플레이크의 크기가 균일하고, 그래핀 플레이크 표면에 풀린 형태의 탄소나노튜브가 균일하게 흡착된 형태를 띠고 있는 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도9(a)는 비교예인 도9(b) 대비 탄소나노튜브의 분산성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이때, 비교예는 본 발명이 제안한 이차전지용 도전재의 제조방법 중 화학 처리 단계(S110), 열처리 단계(S150) 및 밀링 단계(S211)를 생략하고 진행한 결과이다. The conductive material in powder form manufactured through the above-described process has a uniform size of graphene flake, as illustrated in Figure 9 (a), and the carbon nanotubes in a loose form are uniformly adsorbed on the surface of the graphene flake. You can confirm that it exists. For reference, it can be seen that Figure 9(a) shows superior dispersibility of carbon nanotubes compared to Figure 9(b), which is a comparative example. At this time, the comparative example is the result of omitting the chemical treatment step (S110), heat treatment step (S150), and milling step (S211) of the manufacturing method of the conductive material for secondary batteries proposed by the present invention.

상술한 바와 같이, 그래핀 플레이크 및 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 구조를 가지는 도전재에서 탄소나노튜브는 그래핀 플레이크 간의 브릿지(bridge)역할을 하여 전자의 이동 경로에 영향을 주어 그래핀 플레이크의 접촉 저항을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 도전재의 전기전도도를 보다 높일 수 있다. As described above, in a conductive material having a structure in which graphene flakes and carbon nanotubes are uniformly dispersed, carbon nanotubes act as a bridge between graphene flakes and affect the movement path of electrons, thereby affecting the flow of graphene flakes. Contact resistance can be reduced, and thus the electrical conductivity of the conductive material can be further increased.

이는, 도10에 예시된 분체 전도도 측정결과로부터 확인할 수 있다.This can be confirmed from the powder conductivity measurement results illustrated in Figure 10.

도10을 참조하면, 분체전도도 측정 시 샘플에 압력을 가해 측정을 진행하였는데, 가해진 압력의 전체 범위에서 최종적으로 하이브리드된 도전재 샘플(화학처리 흑연+TMWCNT)의 전도도가 그래핀 플레이크 샘플(화학처리 흑연)의 전도도보다 높게 측정되었다. 이로부터 탄소나노튜브가 흑연 사이의 경로를 제공함으로써 전도도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.Referring to Figure 10, when measuring powder conductivity, pressure was applied to the sample to measure the conductivity. In the entire range of applied pressure, the conductivity of the final hybridized conductive material sample (chemically treated graphite + TMWCNT) was compared to the graphene flake sample (chemically treated). It was measured to be higher than the conductivity of graphite). From this, it was confirmed that conductivity was improved by carbon nanotubes providing a path between graphite.

이때, 본 발명이 제안하는 이차전지용 도전재의 제조방법은 팽창 그래핀의 단점인 박리의 어려움을 극복하기 위해여 바스켓 밀과 고압 균질기의 장비적 이점을 활용하였으며, 이와 같은 장비들을 활용함에 따라 저가 공정 프로세스를 구현할 수 있었다. 게다가, 본 발명은 다층 그래핀인 그래핀 플레이크와 고결정의 TMWCNT이 하이브리드됨에 따라 우수한 전기적 특성을 가질 수 있기에, 전기적 특성이 현저히 향상되면서도 가격 경쟁력을 갖춘 도전재를 제공할 수 있다. At this time, the method for manufacturing a conductive material for secondary batteries proposed by the present invention utilizes the equipment advantages of a basket mill and a high-pressure homogenizer to overcome the difficulty of exfoliation, which is a disadvantage of expanded graphene, and by utilizing such equipment, a low-cost process can be achieved. The process was able to be implemented. In addition, the present invention can have excellent electrical properties by hybridizing multi-layer graphene, graphene flake, and high-crystalline TMWCNT, so it can provide a conductive material with significantly improved electrical properties and price competitiveness.

한편, 본 발명이 제안하는 도전재 제조 방법으로 제작된 도전재는 전극 활물질, 바인더과 조합되어 이차전지의 음극 재료로 활용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 도전재 제조 방법으로 제작된 도전재를 포함한 음극과 더불어 양극, 양극 및 음극 사이에 개제된 분리막, 전해액으로 이루어진 이차전지가 제작될 수 있음은 물론이다. Meanwhile, the conductive material produced by the conductive material manufacturing method proposed by the present invention can be combined with an electrode active material and a binder and used as a negative electrode material for a secondary battery. In addition, of course, a secondary battery can be manufactured consisting of a cathode containing a conductive material produced by the method of manufacturing a conductive material according to an embodiment of the present invention, as well as a positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte solution.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다. As described above, the specific description of the present invention has been made by way of examples with reference to the accompanying drawings, but since the above-described embodiments are only explained by referring to preferred examples of the present invention, the present invention is limited to the above-described embodiments. It should not be understood as being possible, and the scope of rights of the present invention should be understood in terms of the claims described later and their equivalent concepts.

Claims (13)

흑연(graphite)으로부터 산화 그래핀(graphene oxide; GO)을 형성하고, 이를 열처리하여 수 μm 직경을 가지는 팽창 그래핀을 제조하는 팽창 그래핀 제조단계; 및
상기 팽창 그래핀 제조단계에서 제조된 팽창 그래핀과 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 하이브리드(hybrid)하여 분말(powder) 형태의 도전재를 제조하는 도전재 제조단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조방법.
An expanded graphene manufacturing step of forming graphene oxide (GO) from graphite and heat-treating it to produce expanded graphene with a diameter of several μm; and
A conducting material manufacturing step of manufacturing a conductive material in powder form by hybridizing the expanded graphene prepared in the expanded graphene manufacturing step and carbon nanotubes; Characterized by including
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는, TMWCNT(Thin multi wall carbon nanotube)인 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
According to paragraph 1,
The carbon nanotube is characterized in that it is a TMWCNT (Thin multi wall carbon nanotube).
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제2항에 있어서,
상기 팽창 그래핀 제조단계는,
상기 흑연이 산화되며 산화 흑연을 형성하도록 강산(strong acid) 및 산화제(oxidizing agent)를 포함하는 혼합액에 상기 흑연을 투입하여 화학 처리하는 화학 처리 단계;
상기 화학 처리 단계에서 화학 처리된 처리물인 산화 흑연 현탁액을 초음파 분산기(sonicator)에 위치시키고, 층간 거리가 증가한 산화 흑연이 층 분리가 발생하면서 일부 박리되어 산화 그래핀을 형성하도록 2 시간 내지 5 시간 동안 초음파를 인가하는 초음파 처리 단계;
상기 초음파 처리단계에서 처리된 처리물인 산화 그래핀을 감압여과 방식으로 필터링하되, 중성이 될 때까지 증류수를 부어 중화하는 필터링-중화 단계;
상기 필터링-중화 단계를 거쳐 수득된 그래핀을 60 ℃ 내지 100 ℃ 의 온도에서 12 시간 이상 건조시키는 건조 단계; 및
팽창 그래핀을 형성하도록 상기 건조 단계에서 건조된 그래핀을 0.5 시간 내지 2 시간 동안 열처리하는 열처리 단계; 를 포함하며,
상기 팽창 그래핀은 5 μm 이하의 직경을 가지며, 적어도 2층 이상의 층을 가지는 다층 그래핀인 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조방법.
According to paragraph 2,
The expanded graphene manufacturing step is,
A chemical treatment step of chemically treating the graphite by adding it to a mixed solution containing a strong acid and an oxidizing agent so that the graphite is oxidized and forms oxidized graphite;
In the chemical treatment step, the chemically treated graphite oxide suspension is placed in an ultrasonic disperser, and the oxide graphite with an increased interlayer distance is partially exfoliated as layer separation occurs for 2 to 5 hours to form graphene oxide. An ultrasonic treatment step of applying ultrasonic waves;
A filtering-neutralization step of filtering the graphene oxide treated in the ultrasonic treatment step by vacuum filtration and neutralizing it by pouring distilled water until it becomes neutral;
A drying step of drying the graphene obtained through the filtering-neutralization step at a temperature of 60 ℃ to 100 ℃ for more than 12 hours; and
A heat treatment step of heat treating the graphene dried in the drying step for 0.5 to 2 hours to form expanded graphene; Includes,
The expanded graphene has a diameter of 5 μm or less and is characterized in that it is multilayer graphene having at least two layers or more.
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제3항에 있어서,
상기 산화제는 중크롬산칼륨, 크롬산, 질산, 과산화수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
According to paragraph 3,
The oxidizing agent is characterized in that it contains at least one of potassium dichromate, chromic acid, nitric acid, and hydrogen peroxide.
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제3항에 있어서,
상기 화학 처리 단계에서 상기 혼합액은 염소산나트륨 및 질산이 1 : 3.5 비율로 혼합되고, 상기 흑연은 상기 흑연 대비 38 내지 40 배 용량을 가지는 상기 혼합액에 투입되는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
According to paragraph 3,
In the chemical treatment step, the mixed solution is mixed with sodium chlorate and nitric acid in a ratio of 1:3.5, and the graphite is added to the mixed solution having a capacity of 38 to 40 times that of the graphite.
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제3항에 있어서,
상기 열처리 단계는, 상기 그래핀을 공기(air) 분위기에서 250 ℃ 내지 300 ℃의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
According to paragraph 3,
The heat treatment step is characterized in that the graphene is heat-treated at a temperature of 250 ℃ to 300 ℃ in an air atmosphere.
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제3항에 있어서,
상기 도전재 제조단계는,
상기 열처리 단계를 통해 형성된 팽창 그래핀 및 상기 탄소나노튜브의 사이즈가 감소되도록 분쇄하되, 상기 팽창 그래핀에서 층 분리되며 형성된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 균일하게 분산되며 하이브리드 되도록 물리적 힘을 인가하는 하이브리드 단계; 및
상기 하이브리드 단계에서 하이브리드된 상기 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브를 60 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 12 시간 이상 건조시켜 분말 형태의 도전재를 수득하는 도전재 수득 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
According to paragraph 3,
The conductive material manufacturing step is,
Grinding the expanded graphene and the carbon nanotubes formed through the heat treatment step to reduce the size, but applying physical force so that the graphene flakes and carbon nanotubes formed by layer separation from the expanded graphene are uniformly dispersed and hybridized. hybrid stage; and
A conductive material obtaining step of drying the graphene flakes and carbon nanotubes hybridized in the hybridization step at a temperature of 60° C. to 100° C. for more than 12 hours to obtain a conductive material in powder form; Characterized by including
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제7항에 있어서,
상기 하이브리드 단계는,
바스켓 밀(basket mill)을 통해 상기 팽창 그래핀 및 탄소나노튜브의 사이즈가 감소되도록 분쇄하되, 상기 팽창 그래핀에서 층 분리되며 형성된 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 분산되며 상호 간에 작용하는 인력에 의해 상기 탄소나노튜브가 상기 그래핀 플레이크에 결합되도록 비드(beed)를 이용해 밀링(milling)하는 밀링 단계; 및
고압 균질기(High pressure homogenizer)를 통해 상기 밀링 단계에서 밀링 처리된 상기 그래핀 플레이크와 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 균질화하는 균질화 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
In clause 7,
The hybrid step is,
The expanded graphene and carbon nanotubes are pulverized through a basket mill to reduce the size, but the graphene flakes and carbon nanotubes formed by layer separation from the expanded graphene are dispersed by the attractive force acting on each other. A milling step of milling the carbon nanotubes using a bead so that they are bonded to the graphene flakes; and
A homogenization step of homogenizing the graphene flakes and carbon nanotubes milled in the milling step through a high pressure homogenizer so that they are uniformly dispersed; Characterized by including
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제8항에 있어서,
상기 밀링 단계는, 2500 내지 3500 rpm의 속도로 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
According to clause 8,
The milling step is performed for 1 to 3 hours at a speed of 2500 to 3500 rpm.
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제8항에 있어서,
상기 균질화 단계는, 800 bar 이상의 압력에서 3 회 이상 반복(pass) 수행되는 것을 특징으로 하는
이차전지용 도전재의 제조 방법.
According to clause 8,
The homogenization step is characterized in that it is repeated (pass) three or more times at a pressure of 800 bar or more.
Method for manufacturing conductive materials for secondary batteries.
제1항 내지 제10항에 따른 이차전지용 도전재의 제조 방법으로 제조된 도전재.
A conductive material manufactured by the method for manufacturing a conductive material for secondary batteries according to claims 1 to 10.
제11항에 따른 도전재를 포함하는 음극.
A cathode containing the conductive material according to claim 11.
제12항에 따른 음극을 포함하는 이차전지.A secondary battery comprising the cathode according to claim 12.
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