KR20240117711A - Nanofibers for Li-Se batteries comprising reducted graphene oxides, Manufactuaring method of the same, Cathodes composition for Li-Se batteries comprising the same and Li-Se batteries comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버는, 환원-그래핀 옥사이드(r-GO) 및 탄소 구조체; 및 상기 구조체의 표면에 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조 방법은, 그래핀 옥사이드 나노시트, 탄소 소스 및 열분해성 고분자 입자를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 전기방사하여 섬유를 제조하는 단계; 상기 섬유를 탄화하는 단계; 상기 탄화된 섬유를 에칭하는 단계; 및 상기 에칭된 섬유에 셀레늄을 로딩하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지용 양극재 조성물은 상기 나노파이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지는 상기 나노파이버를 포함할 수 있다.Nanofibers for lithium-selenium secondary batteries of the present invention include reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structures; And selenium (Se) may be included on the surface of the structure.
The method for producing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries of the present invention includes preparing a mixture by mixing graphene oxide nanosheets, a carbon source, and thermally decomposable polymer particles; Producing fiber by electrospinning the mixture; Carbonizing the fiber; etching the carbonized fiber; And it may include loading selenium into the etched fiber.
The cathode material composition for a lithium-selenium secondary battery of the present invention may include the nanofibers.
The lithium-selenium secondary battery of the present invention may include the nanofibers.
Description
본 발명은 환원-그래핀 옥사이드를 포함하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 리튬-셀레늄 이차전지용 양극재 조성물 및 이를 포함하는 리튬-셀레늄 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to nanofibers for lithium-selenium secondary batteries containing reduced-graphene oxide, a method of manufacturing the same, a cathode material composition for lithium-selenium secondary batteries containing the same, and a lithium-selenium secondary battery containing the same.
리튬이온 배터리(LIB) 기술은 지난 수십 년 동안 엄청난 발전으로 LIB를 활용하여 에너지 밀도 측면에서 전체 용량을 달성할 수 있게 되었다. 그러나 대규모 그리드 저장 또는 운송 시스템과 같이 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 상업용 어플리케이션의 경우, 새로운 배터리 시스템이 필요하다.Lithium-ion battery (LIB) technology has made tremendous progress over the past few decades, making it possible to utilize LIBs to achieve their full capacity in terms of energy density. But for commercial applications that require much higher energy densities, such as large-scale grid storage or transportation systems, new battery systems are needed.
이에 높은 에너지 밀도 및 풍부한 자원량으로 리튬-황 배터리(LSB)가 대두되었으나, 원소 황 및 방전 생성물의 절연 특성, 심각한 체적 변화 및 불안정한 Li 음극과 같은 몇 가지 근본적인 문제가 있다.Accordingly, lithium-sulfur batteries (LSBs) have emerged with high energy density and abundant resources, but there are some fundamental problems, such as the insulating properties of elemental sulfur and discharge products, severe volume changes, and unstable Li cathode.
셀레늄은 전기화학적 특성 측면에서 황과 유사하기 때문에 연구자들의 관심을 끌었고, Se 기반 양극의 용량이 높고, Se의 반응성이 낮아 부반응의 비율이 낮고, 전기화학 공정 동안 더 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, LSB와 마찬가지로 Li-Se 배터리도 전기화학 공정 중에 폴리셀렌화물이 용해되는 문제가 있다. 또한, 낮은 전자 및 이온 전달 특성과 함께 벌크 Se의 낮은 활용도는 기대 이하의 전기화학적 성능을 초래한다.Selenium has attracted the attention of researchers because it is similar to sulfur in terms of electrochemical properties, has the advantages of high capacity of Se-based anodes, low rate of side reactions due to low reactivity of Se, and easier control during electrochemical processes. . However, like LSB, Li-Se batteries also have the problem of polyselenide dissolving during the electrochemical process. Additionally, low availability of bulk Se along with poor electronic and ion transport properties results in sub-expected electrochemical performance.
본 발명의 목적은 신규한 구조의 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 리튬-셀레늄 이차전지용 양극재 조성물 및 이를 포함하는 리튬-셀레늄 이차전지를 제공하고자 한다.The purpose of the present invention is to provide a nanofiber for a lithium-selenium secondary battery with a novel structure, a method for manufacturing the same, a cathode material composition for a lithium-selenium secondary battery containing the same, and a lithium-selenium secondary battery containing the same.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, In order to achieve the purpose of the present invention as described above,
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버는, 환원-그래핀 옥사이드(r-GO) 및 탄소 구조체; 및 상기 구조체의 표면에 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다.Nanofibers for lithium-selenium secondary batteries of the present invention include reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structures; And selenium (Se) may be included on the surface of the structure.
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조 방법은, 그래핀 옥사이드 나노시트, 탄소 소스 및 열분해성 고분자 입자를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 전기방사하여 섬유를 제조하는 단계; 상기 섬유를 탄화하는 단계; 상기 탄화된 섬유를 에칭하는 단계; 및 상기 에칭된 섬유에 셀레늄을 로딩하는 단계를 포함할 수 있다.The method for producing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries of the present invention includes preparing a mixture by mixing graphene oxide nanosheets, a carbon source, and thermally decomposable polymer particles; Producing fiber by electrospinning the mixture; Carbonizing the fiber; etching the carbonized fiber; And it may include loading selenium into the etched fiber.
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지용 양극재 조성물은 상기 나노파이버를 포함할 수 있다.The cathode material composition for a lithium-selenium secondary battery of the present invention may include the nanofibers.
본 발명의 리튬-셀레늄 이차전지는 상기 나노파이버를 포함할 수 있다.The lithium-selenium secondary battery of the present invention may include the nanofibers.
본 발명의 나노파이버는 전도성이 높은 환원된 그래핀 옥사이드 매트릭스가 빠른 전하 이동을 위한 전도 경로를 제공하면서 구조적 무결성을 향상시키는 자체지지 골격 역할을 하고, 상호 연결된 사슬형 메조기공은 효율적인 전해질 침투를 보장하며, 미세기공은 활성 물질 함침을 제공함으로써, 리튬-셀레늄 이차전지의 양극으로 사용할 때 우수한 레이트 성능 및 압도적인 장기 사이클링 안정성 등 우수한 전기화학적 성능을 가진다. In the nanofibers of the present invention, the highly conductive reduced graphene oxide matrix acts as a self-supporting framework that improves structural integrity while providing a conductive path for rapid charge transfer, and the interconnected chain-like mesopores ensure efficient electrolyte penetration. The micropores provide impregnation with active materials, resulting in excellent electrochemical performance, including excellent rate performance and overwhelming long-term cycling stability when used as an anode for lithium-selenium secondary batteries.
따라서, 나노파이버는 이차전지, 의료기기, 촉매 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 나노파이버는 리튬-셀레늄 이차전지의 양극재로 사용될 수 있다.Therefore, nanofibers can be used in various fields such as secondary batteries, medical devices, and catalysts. Preferably, nanofibers according to various embodiments of the present invention can be used as a cathode material for a lithium-selenium secondary battery.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노파이버 및 이의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 미세기공이 없는 P-rGO NF 및 P-rGO@Se NF를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 P-rGO NF 및 Bi-P-rGO NF의 FE-SEM 이미지, TEM 이미지, HR-TEM 이미지, XRD 패턴, N2 흡착-탈착 등온선, BJH 기공 크기 분포 곡선 및 요소 점 매핑 이미지이다.
도 4는 P-rGO@Se NF 및 Bi-P-rGO@Se NF의 FE-SEM 이미지, TEM 이미지, HR-TEM 이미지, SAED 패턴, XRD 패턴, N2 흡착-탈착 등온선, BJH 기공 크기 분포 곡선 및 요소 점 매핑 이미지이다.
도 5는 Bi-P-rGO@Se NF의 XPS 결과와 Bi-P-rGO@Se NF 및 P-rGO@Se NF의 TG 곡선, 라만 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 전기화학 성능을 측정한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 첫 번째 사이클의 CV 곡선과 다양한 사이클 수에서의 충방전 프로파일이다.
도 8은 본 발명의 실험예 5의 결과 및 반응 모식도이다.
도 9는 본 발명의 실험예 6의 결과를 나타낸 그래프 및 FE-SEM 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실험예 6에서 0.5 C에서 100th 사이클 후에 비교예 1의 양극의 FE-SEM 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실험예 6에서 실시예 1 및 비교예 1의 양극과 쌍을 이룬 유리 섬유 표면의 디지털 이미지이다.Figure 1 is a schematic diagram for explaining a nanofiber and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram to explain P-rGO NF and P-rGO@Se NF without micropores.
Figure 3 shows FE-SEM images, TEM images, HR-TEM images, XRD patterns, N 2 adsorption-desorption isotherms, BJH pore size distribution curves, and element point mapping images of P-rGO NFs and Bi-P-rGO NFs.
Figure 4 shows FE-SEM images, TEM images, HR-TEM images, SAED patterns, XRD patterns, N 2 adsorption-desorption isotherms, and BJH pore size distribution curves of P-rGO@Se NF and Bi-P-rGO@Se NF. and element point mapping image.
Figure 5 is a graph showing the XPS results of Bi-P-rGO@Se NF, TG curves, and Raman spectra of Bi-P-rGO@Se NF and P-rGO@Se NF.
Figure 6 shows the results of measuring the electrochemical performance of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
Figure 7 shows the CV curve of the first cycle of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention and charge/discharge profiles at various cycle numbers.
Figure 8 is a schematic diagram of the results and reaction of Experimental Example 5 of the present invention.
Figure 9 is a graph and FE-SEM image showing the results of Experimental Example 6 of the present invention.
Figure 10 is a FE-SEM image of the anode of Comparative Example 1 after 100 th cycle at 0.5 C in Experimental Example 6 of the present invention.
Figure 11 is a digital image of the surface of a glass fiber paired with the anode of Example 1 and Comparative Example 1 in Experimental Example 6 of the present invention.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, various embodiments of this document are described with reference to the attached drawings. The examples and terms used herein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutes for the examples.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 나노파이버는 리튬-셀레늄 이차전지에 적용될 수 있는 신규한 구조의 나노파이버이다. 본 발명의 나노파이버는 환원-그래핀 옥사이드(r-GO) 및 탄소 구조체; 및 상기 구조체의 표면에 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다.Nanofibers according to various embodiments of the present invention are nanofibers with a novel structure that can be applied to lithium-selenium secondary batteries. The nanofibers of the present invention include reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structures; And selenium (Se) may be included on the surface of the structure.
상기 환원-그래핀 옥사이드(r-GO) 및 탄소 구조체는 다공성일 수 있고, 상기 환원-그래핀 옥사이드(r-GO) 및 탄소 구조체는 상대적으로 큰 직경의 기공과 상대적으로 작은 직경의 기공을 포함하는 바이모달(Bimodal) 다공성일 수 있다. The reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structure may be porous, and the reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structure include pores with a relatively large diameter and pores with a relatively small diameter. It may have bimodal porosity.
상기 셀레늄(Se)은 상기 상대적으로 작은 직경의 기공에 위치하는 사슬 타입 셀레늄(c-Se)일 수 있다.The selenium (Se) may be chain-type selenium (c-Se) located in the relatively small diameter pores.
상기 상대적으로 큰 직경의 기공은 평균 직경이 30 nm 내지 60 nm 범위일 수 있고, 상기 상대적으로 작은 직경의 기공은 평균 직경이 1 nm 내지 3 nm 범위일 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.The relatively large diameter pores may have an average diameter in the range of 30 nm to 60 nm, and the relatively small diameter pores may have an average diameter in the range of 1 nm to 3 nm, but are not limited thereto.
이하, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries according to various embodiments of the present invention will be described.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조방법은, 그래핀 옥사이드 나노시트, 탄소 소스 및 열분해성 고분자 입자를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 전기방사하여 섬유를 제조하는 단계; 상기 섬유를 탄화하는 단계; 상기 탄화된 섬유를 에칭하는 단계; 및 상기 에칭된 섬유에 셀레늄을 로딩하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries according to various embodiments of the present invention includes preparing a mixture by mixing graphene oxide nanosheets, a carbon source, and thermally decomposable polymer particles; Producing fiber by electrospinning the mixture; Carbonizing the fiber; etching the carbonized fiber; And it may include loading selenium into the etched fiber.
상기 혼합물을 제조하는 단계 이전에, 상기 그래핀 옥사이드 나노시트를 분산시키는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.Before preparing the mixture, a step of dispersing the graphene oxide nanosheets may be further included.
상기 탄소 소스는 sucrose, dextrin, citric acid, ethylen glycol, poly ethylen glycol, PVP(Polyvinylpyrrolidone), PEDOT(Polyethylenedioxythiophene), PAN(Polyacrylonitrile), PAA(polyacrylic acid), PVA(polyvinylalcohol), PMMA(polymethyl methacrylate), PVDF( polyvinylidene fluoride), PVac(polyvinylacetate), PS(polystyrene), PVC(polyvinylchloride), PEI(polyetherimide), PBI(polybenzimidasol), PEO(polyethyleneoxide), PCL(poly e-caprolactone), PA-6(polyamide-6), PTT(polytrimethylenetetraphthalate), PDLA(poly D,L-lactic acid), polycarbonate, polydioxanone, polyglicolide 및 dextran으로 이루어진 군에서선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The carbon source includes sucrose, dextrin, citric acid, ethylen glycol, poly ethylen glycol, PVP (Polyvinylpyrrolidone), PEDOT (Polyethylenedioxythiophene), PAN (Polyacrylonitrile), PAA (polyacrylic acid), PVA (polyvinylalcohol), PMMA (polymethyl methacrylate), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVac (polyvinylacetate), PS (polystyrene), PVC (polyvinylchloride), PEI (polyetherimide), PBI (polybenzimidasol), PEO (polyethyleneoxide), PCL (poly e-caprolactone), PA-6 (polyamide- 6), it may include at least one selected from the group consisting of PTT (polytrimethylenetetraphthalate), PDLA (poly D,L-lactic acid), polycarbonate, polydioxanone, polyglicolide, and dextran.
상기 열분해성 고분자 입자는 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 열분해성 고분자 입자는 열처리 시 gas로 분해되어 공간(Void)을 형성할 수 있다. 공간을 형성함으로써, 다음 열처리 단계에서 gas 확산이 원활이 일어날 수 있고, 목적하는 구조의 나노파이버를 얻을 수 있다.The thermally decomposable polymer particles include polystyrene, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polycarbonate, polyester, polyetherimide, polyethylene, polyethylene oxide, polyurethane, and polyvinyl chloride. It may include at least one selected from the group consisting of These thermally decomposable polymer particles may decompose into gas during heat treatment to form voids. By forming a space, gas diffusion can occur smoothly in the next heat treatment step, and nanofibers with the desired structure can be obtained.
상기 에칭하는 단계 이전에, 수산화칼륨과 혼합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.Before the etching step, a step of mixing with potassium hydroxide may be additionally included.
본 발명에서는 전기방사 및 에칭 등을 통해, 간단한 방법으로 신규한 구조의 나노파이버를 제조할 수 있다. 또한, 이러한 신규한 구조의 나노파이버를 대량생산할 수 있어 산업상 활용 가능성이 높다.In the present invention, nanofibers with a novel structure can be manufactured in a simple manner through electrospinning and etching. In addition, nanofibers with this novel structure can be mass-produced, making them highly likely to be used industrially.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 리튬-셀레늄 이차전지용 양극재는 상기 나노파이버를 포함할 수 있다.The cathode material for a lithium-selenium secondary battery according to various embodiments of the present invention may include the nanofibers.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 리튬-셀레늄 이차전지는 상기 나노파이버를 포함할 수 있다.Lithium-selenium secondary batteries according to various embodiments of the present invention may include the nanofibers.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 나노파이버 합성 메터니즘을 나타내는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing the nanofiber synthesis mechanism of the present invention.
먼저 도 1의 ①을 참고하면, 그래핀 옥사이드 나노시트와 크기 제어된 PS 나노비드(평균직경 = 100 nm)가 PVA 폴리머에 균질하게 혼합되어 구성된다. 600 ℃에서 탄화 과정을 거치면서 PVA 고분자는 무정형 탄소(AC)로 변하는 반면, PS 나노비드는 기체 생성물로 완전히 분해되어 평균 42 nm 크기의 사슬 형태의 메소기공을 형성한다(도 1의 ②). 메소기공의 존재는 효과적인 전해질 침투를 용이하게 할 뿐만 아니라 전해질과 접촉하는 활성 표면적을 증가시킨다. 또한, GO 나노시트는 나노파이버의 구조적 무결성을 향상시키기 위해 자체지지 골격 역할을 하는 고전도성 환원된 그래핀 옥사이드(rGO) 매트릭스로 변환된다. 이렇게 얻어진 나노파이버를 800 ℃에서 열처리 과정을 거치고 KOH를 이용한 화학적 활성화 과정을 거친 후 H2O/HCl(1:1 vol%)로 반복 세척하였다(도 1의 ③). 이 공정을 통해 메소기공과 함께 미세기공을 형성한다. 마지막으로, 얻어진 나노파이버에 셀레늄(Se) 원소가 혼합된 후 열처리되어 미세기공을 Se로 채우는 전형적인 용융 확산 공정을 통해 바이모달 다공성 나노파이버를 얻을 수 있다(도 1의 ④).First, referring to ① in Figure 1, graphene oxide nanosheets and size-controlled PS nanobeads (average diameter = 100 nm) are homogeneously mixed with PVA polymer. Through the carbonization process at 600°C, the PVA polymer changes into amorphous carbon (AC), while the PS nanobeads are completely decomposed into gas products, forming chain-shaped mesopores with an average size of 42 nm (② in Figure 1). The presence of mesopores not only facilitates effective electrolyte penetration but also increases the active surface area in contact with the electrolyte. Additionally, GO nanosheets are converted into a highly conductive reduced graphene oxide (rGO) matrix, which acts as a self-supporting framework to improve the structural integrity of the nanofibers. The nanofibers obtained in this way were heat treated at 800°C, chemically activated using KOH, and then washed repeatedly with H 2 O/HCl (1:1 vol%) (③ in FIG. 1). Through this process, micropores are formed along with mesopores. Finally, bimodal porous nanofibers can be obtained through a typical melt diffusion process in which selenium (Se) element is mixed in the obtained nanofiber and then heat treated to fill the micropores with Se (④ in Figure 1).
미세기공이 없는 경우 Se는 도 2에서 볼 수 있듯이 메소기공 위에 부피가 큰 침전물 형태로 축적된다. 부피가 큰 Se의 존재는 불충분한 전해질 침투를 야기하고 고활성 물질의 활동을 방해한다. 따라서 바이모달 다공성 구조의 구조적 장점의 시너지 효과는 우수한 전기화학적 성능이 가능하게 한다.In the absence of micropores, Se accumulates in the form of bulky precipitates on mesopores, as can be seen in Figure 2. The presence of bulky Se causes insufficient electrolyte penetration and hinders the activity of highly active substances. Therefore, the synergistic effect of the structural advantages of the bimodal porous structure enables excellent electrochemical performance.
단일 기공 다공성 환원된 그래핀 옥사이드 나노파이버(“P-rGO NF”로 약칭)는 도 3의 (a)-(g)에서와 같이, N2 분위기, 600 ℃에서 3 시간 동안 안정화된 복합 섬유로부터 얻었다. 도 3의 (a)의 FE-SEM 이미지는 평균직경이 400 nm인 섬유 형태를 나타낸다. 상기 섬유는 도 3 (a)의 삽입 그림과 같이 구조 전체에 결쳐 잘 형성된 메소기공을 포함한다. 도 3의 (b)의 TEM 이미지는 탄소화 동안 PS 나노비드의 분해로 인해 섬유 구조에 균일하게 형성된 사슬형 메소기공(평균직경 = 42 nm)의 존재에서 FE-SEM 결과를 확인할 수 있다. 도 3의 (c)의 HR-TEM 이미지는 rGO 매트릭스를 구성하는 섬유에 흑연 탄소의 존재를 확인한다. (002), (100) 및 (110) 결정면에 열처리 과정에서 GO 나노시트는 rGO 매트릭스로 변환되었다. 잘 형성된 rGO 매트릭스는 나노파이버의 구조적 무결성을 증가시키는 자체지지 골격 역할을 한다. 또한, 도 3의 (d)의 XRD 패턴은 2θ = 24˚에 중심을 둔 넓은 피크를 나타내며, 이는 나노파이버의 탄소질 제품에 해당한다. 나노파이버의 탄소 함량은 탄화 이후 PVA 폴리머와 rGO 나노시트에서 비롯된다. 도 3의 (e)에서 P-rGO NF의 N2 흡착-탈착 등온선은 탄화 단계 동안 PS 나노비드의 분해로 인한 메소기공의 존재를 나타내는 Ⅳ형 거동을 나타낸다. 메소기공의 존재는 a-BET 표면적을 344 m2/g(기공 부티: 0.59 cm3/g)으로 만들었다. 도 3의 (f)에서 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 기공 크기 분포 곡선에서도 나노파이버의 메소기공(평균 기공 직경 42 nm)이 확인되었다. 또한, 3.8 nm에서 나타나는 날카로운 피크는 N2 탈착의 인장강도 효과 때문이다. 도 3의 (g)에 표시된 요소-매핑 이미지(element-mapping image)는 다른 원소가 검출되지 않고 섬유 길이 전체에 걸쳐 C의 균일한 분산을 확인할 수 있고, 이는 섬유의 탄소질 구조를 나타내며 도 3의 (d)의 XRD 결과와 일치한다.Single-pore porous reduced graphene oxide nanofibers (abbreviated as “P-rGO NF”) were obtained from composite fibers stabilized in N 2 atmosphere at 600 °C for 3 hours, as shown in Figure 3 (a)-(g). got it The FE-SEM image in Figure 3 (a) shows a fiber shape with an average diameter of 400 nm. The fiber contains well-formed mesopores throughout the structure, as shown in the inset of Figure 3 (a). The TEM image in Figure 3 (b) confirms the FE-SEM results in the presence of chain-shaped mesopores (average diameter = 42 nm) uniformly formed in the fiber structure due to decomposition of PS nanobeads during carbonization. The HR-TEM image in Figure 3(c) confirms the presence of graphitic carbon in the fibers that make up the rGO matrix. During heat treatment on (002), (100), and (110) crystal planes, GO nanosheets were converted into rGO matrix. The well-formed rGO matrix acts as a self-supporting framework that increases the structural integrity of the nanofibers. Additionally, the XRD pattern in (d) of Figure 3 shows a broad peak centered at 2θ = 24°, which corresponds to the carbonaceous product of the nanofiber. The carbon content of the nanofibers comes from PVA polymer and rGO nanosheets after carbonization. The N 2 adsorption-desorption isotherm of P-rGO NF in Figure 3(e) shows type IV behavior, indicating the presence of mesopores due to decomposition of PS nanobeads during the carbonization step. The presence of mesopores resulted in a-BET surface area of 344 m 2 /g (pore volume: 0.59 cm 3 /g). In Figure 3(f), mesopores (average pore diameter 42 nm) of the nanofiber were also confirmed in the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) pore size distribution curve. Additionally, the sharp peak that appears at 3.8 nm is due to the tensile strength effect of N 2 desorption. The element-mapping image shown in (g) of Figure 3 confirms the uniform dispersion of C throughout the fiber length without any other elements being detected, indicating the carbonaceous structure of the fiber and Figure 3 This is consistent with the XRD result in (d).
이중 다공성 rGO 나노파이버(“Bi-P-rGO NF”로 약칭)는 P-rGO NF에서 KOH를 사용하는 화학적 활성화 공정을 통해 얻은 후 N2 분위기 800 ℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행했다. 도 3의 (h)의 FE-SEM 현미경 사진은 활성화 과정 후에도 평균 직경이 ~ 300 nm인 섬유 형태가 그대로 유지됨을 나타낸다. 섬유 직경의 감소는 800 ℃의 고온에서 열수축으로 인한 것이다. 또한, 섬유 구조의 메소기공은 도 3의 (h)의 삽입 그림에 있는 고배율 FE-SEM 이미지에서도 명확하게 확인할 수 있다. 도 3의 (i)에 표시된 TEM 이미지는 FE-SEM 결과를 명확하게 검증한다. rGO 매트릭스로 인한 흑연화 탄소의 존재는 HR-TEM 이미지(도 3의 (j))에서도 확인된다. 도 3의 (k)의 XRD 패턴은 2θ = 25˚에서 넓은 피크를 나타내며 KOH 활성화 후에도 준비된 나노섬유의 탄소질 특성을 나타낸다. KOH 활성화에 의해 생성된 미세기공의 존재를 확인하기 위해 N2 흡착-탈착 등온선(도 3의 (l))과 BJH 기공 크기 분포(도 3의 (m))를 확인하였다. 도 3의 (l)의 N2 흡착-탈착 등온선은 Ⅰ형 등온선 특성을 나타내며 나노파이버에 미세기공이 존재함을 의미한다. KOH 활성화 과정에서 탄소 매트릭스에 칼륨을 삽입한 후 에칭하여 미세 기공을 형성하였다. 메소기공/미세기공의 공존은 BET 표면적 1178 m2/g(기공 부피 1.30 cm3/g)으로 P-rGO NF의 BET 표면적 344 m2/g(기공 부티: 0.59 cm3/g) 대비 훨씬 높은 결과를 야기했다. 도 3의 (m)의 BJH 기공 크기 분포 곡선은 3 nm 미만의 날카로운 피크와 40 nm에서 넓은 피크를 나타내므로, 나노파이버에 메소기공과 미세기공이 모두 존재함을 확인할 수 있다. 도 3의 (n)에 도시된 원소 도트 매핑 이미지는 탄소가 다공성 나노파이버에 고르게 분포되어 있고 K와 같은 불순물 종이 검출되지 않았음을 다시 확인하여 에칭 및 세척 공정 동안 동일한 불순물이 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다.Double porous rGO nanofibers (abbreviated as “Bi-P-rGO NF”) were obtained from P-rGO NF through a chemical activation process using KOH, followed by heat treatment at 800 °C in N2 atmosphere for 3 hours. The FE-SEM micrograph in Figure 3(h) shows that the fiber shape with an average diameter of ~300 nm is maintained even after the activation process. The decrease in fiber diameter is due to heat shrinkage at a high temperature of 800℃. Additionally, the mesopores of the fiber structure can be clearly seen in the high-magnification FE-SEM image in the inset of Figure 3 (h). The TEM image shown in Figure 3(i) clearly verifies the FE-SEM results. The presence of graphitized carbon due to the rGO matrix is also confirmed in the HR-TEM image (Figure 3(j)). The XRD pattern in (k) of Figure 3 shows a broad peak at 2θ = 25˚, indicating the carbonaceous characteristics of the prepared nanofibers even after KOH activation. To confirm the presence of micropores created by KOH activation, the N 2 adsorption-desorption isotherm ((l) in Figure 3) and BJH pore size distribution ((m) in Figure 3) were confirmed. The N 2 adsorption-desorption isotherm in (l) of Figure 3 shows type I isotherm characteristics, indicating the presence of micropores in the nanofiber. During the KOH activation process, potassium was inserted into the carbon matrix and then etched to form micropores. The coexistence of mesopores/micropores resulted in a BET surface area of 1178 m 2 /g (pore volume: 1.30 cm 3 /g), which was much higher than that of P-rGO NF, which had a BET surface area of 344 m 2 /g (pore volume: 0.59 cm 3 /g). caused the result. The BJH pore size distribution curve in (m) of Figure 3 shows a sharp peak at less than 3 nm and a wide peak at 40 nm, confirming that both mesopores and micropores exist in the nanofiber. The elemental dot mapping image shown in (n) of Figure 3 again confirms that carbon is evenly distributed in the porous nanofibers and that impurity species such as K were not detected, confirming that the same impurities were completely removed during the etching and cleaning process. there is.
원소 Se 함침된 Bi-P-rGO 나노파이버(“Bi-P-rGO@Se NF”로 약칭) 및 원소 Se 처리된 P-rGO 나노파이버(“P-rGO@Se NF”로 약칭)는 용융 확산 공정을 사용하여 얻었다. 두 샘플 모두, 샘플 : Se의 질량비가 3 : 7로 유지하여 열처리하였다. Se 침투 된 나노파이버들의 물리적 특성은 도 4에 나타나 있다. 도 4의 (a)는 P-rGO@Se NF의 섬유 형태를 확인할 수 있는 FE-SEM 이미지이다. 또한, 메소기공 위에 부피가 큰 Se 침전물의 존재도 도 4의 (a)의 삽입 이미지 및 (b)를 통해 명확하게 확인이 가능하다. Se의 불완전한 함침은 주로 나노파이버에 미세기공이 없기 때문이다. 도 4의 (b)의 TEM 이미지는 용융 확산 과정에서 P-rGO NF의 메소기공에 응집되는, 부피가 큰 Se 나노입자(평균 60 nm)의 명확한 존재로 FE-SEM 결과를 확인할 수 있다. 도 4의 (c)의 HR-TEM 이미지는 각각 0.38 및 0.34 nm로 분리된 원소 Se의 (100) 평면과 rGO의 (002) 평면에 해당하는 명확한 격자 줄무늬를 나타낸다. 도 4의 (d)의 SAED 패턴은 또한 단결정 Se 나노 입자에 해당하는 회절 평면을 나타낸다. 또한, 도 4의 (e)는 XRD 패턴의 날카로운 결정 피크를 확인할 수 있는데, 이는 메소기공 위에 증착된 별도의 독립체로서 Se 원소의 존재를 확실하게 시사한다. P-rGO@Se NF의 N2 흡착-탈착 등온선(도 4의 (f))은 부피가 큰 Se가 메소기공 위에 크게 증착되었음을 보여주고, 이로 인하여 BET 표면적이 18 m2/g(기공 부피 0.10 cm3/g)로 감소되었다. 도 4의 (g)의 원소 매핑 이미지는 Se 나노입자가 최소 함침으로 섬유 표면 전체에 존재하는 것을 나타낸다.Elemental Se impregnated Bi-P-rGO nanofibers (abbreviated as “Bi-P-rGO@Se NF”) and elemental Se-treated P-rGO nanofibers (abbreviated as “P-rGO@Se NF”) were melt-diffused. Obtained using the process. Both samples were heat treated by maintaining the mass ratio of sample:Se at 3:7. The physical properties of Se-infiltrated nanofibers are shown in Figure 4. Figure 4 (a) is a FE-SEM image that confirms the fiber shape of P-rGO@Se NF. In addition, the presence of bulky Se precipitates on the mesopores can be clearly confirmed through the inset images of (a) and (b) of Figure 4. The incomplete impregnation of Se is mainly due to the absence of micropores in the nanofibers. The TEM image in Figure 4(b) confirms the FE-SEM results with the clear presence of bulky Se nanoparticles (average 60 nm) that aggregate in the mesopores of P-rGO NF during the melt diffusion process. The HR-TEM image in Figure 4(c) shows clear lattice fringes corresponding to the (100) plane of elemental Se and the (002) plane of rGO, separated by 0.38 and 0.34 nm, respectively. The SAED pattern in Figure 4(d) also shows diffraction planes corresponding to single crystal Se nanoparticles. Additionally, in Figure 4(e), a sharp crystal peak can be seen in the XRD pattern, which clearly suggests the presence of Se element as a separate entity deposited on the mesopore. The N 2 adsorption-desorption isotherm of P-rGO@Se NF ((f) in Figure 4) shows that bulky Se was largely deposited on the mesopores, resulting in a BET surface area of 18 m 2 /g (pore volume 0.10 cm 3 /g). The elemental mapping image in Figure 4(g) shows that Se nanoparticles are present throughout the fiber surface with minimal impregnation.
Bi-P-rGO@Se NF의 물리적 특성은 도 4의 (h) 내지 (n)에 나타내었다. 삽입 이미지와 함께 도 4의 (h)의 FE-SEM 이미지는 다공성 1차원 섬유 구조가 Se 함침 후에도 잘 유지됨을 확인할 수 있다. 도 2의 (i)의 TEM 이미지는 탄소 프레임워크(회색 영역)와 사슬 모양의 상호 연결된 중간 기공(밝은 영역)을 나타낸다. 또한, P-rGO@Se NF와 달리 부피가 큰 Se 나노입자는 관찰되지 않았으며(도 4의 (i)) 나노 크기의 Se가 미세기공(< 3 nm)에 잘 침투했음을 나타낸다. 도 4의 (j)의 HR-TEM 이미지는 주로 rGO 매트릭스 내에서 흑연화 탄소를 나타내고, 도 4의 (k) 및 (l)의 SAED 및 XRD 패턴은 탄소질 상의 존재를 나타내며, 나노 크기의 Se가 다공성 탄소 골격 내부에 잘 침투했음을 의미한다. 도 4의 (m)의 N2 흡착-탈착 등온선 또한 나노 크기의 Se가 다공성 탄소 골격 내부를 채우는 것을 확인시켜주고, 이는 BET 표면적이 67 m2/g(기공 부피 0.14 cm3/g)로 감소된 것으로 입증된다. 도 4의 (n)의 요소 도트 매핑 이미지(element dot mapping image)는 Se가 다공성 나노파이버 내부에 균일하게 분포하는 것을 나타낸다. 결국, Bi-P-rGO@Se NF의 FE-SEM, TEM, XRD 및 BET 결과는 P-rGO@Se NF와 비교하여 나노 크기의 Se가 다공성 나노구조 내부에 성공적으로 함침되었음을 입증한다.The physical properties of Bi-P-rGO@Se NF are shown in (h) to (n) of Figure 4. The FE-SEM image in Figure 4(h) along with the inset image confirms that the porous one-dimensional fiber structure is well maintained even after Se impregnation. The TEM image in Figure 2 (i) shows a carbon framework (gray area) and chain-shaped interconnected mesopores (bright area). Additionally, unlike P-rGO@Se NF, bulky Se nanoparticles were not observed (Figure 4(i)), indicating that nano-sized Se penetrated well into the micropores (<3 nm). The HR-TEM image in Figure 4(j) mainly shows graphitized carbon within the rGO matrix, and the SAED and XRD patterns in Figure 4(k) and (l) indicate the presence of carbonaceous phase, nano-sized Se. This means that it has penetrated well into the porous carbon skeleton. The N 2 adsorption-desorption isotherm in (m) of Figure 4 also confirms that nano-sized Se fills the inside of the porous carbon framework, which reduces the BET surface area to 67 m 2 /g (pore volume 0.14 cm 3 /g). It is proven to have been done. The element dot mapping image in (n) of FIG. 4 shows that Se is uniformly distributed inside the porous nanofiber. Ultimately, the FE-SEM, TEM, XRD, and BET results of Bi-P-rGO@Se NF demonstrate that nano-sized Se was successfully impregnated inside the porous nanostructure compared with P-rGO@Se NF.
Bi-P-rGO@Se NF의 다양한 원소의 화학적 상태와 분자 환경은 도 5 (a) 내지 (c)와 같이 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 통해 확인하였다. 도 5의 (a)의 측량 스펙트럼은 C 1s, Se 3p 및 Se 3d 오비탈에 해당하는 광전자 신호를 보여준다. 도 5의 (b)의 고해상도 C 1s XPS 스펙트럼은 sp2-혼성화된 C=C(284.7 eV), sp3-혼성화된 C-C(285.1 eV) 및 C=O(287.5 eV) 종에 해당하는 3개의 피크를 보여준다. 매우 강렬한 sp2-혼성화된 C=C 피크는 rGO 매트릭스로부터 흑연화 탄소의 형태로 존재하는 나노파이버 내의 탄소질 생성물의 존재를 확인시켜준다. 도 5의 (c)의 분리된 Se 3d 스펙트럼은 Se 3d5/2(55.9 eV) 및 Se 3d3/2(56.7 eV) 상태에 기인한 두 개의 주요 피크를 나타내며 침투된 Se의 존재를 확인한다. 나노파이버의 Se 함량은 TG 분석을 사용하여 정량화되었다(도 5의 (d)). Bi-P-rGO@Se NF 및 P-rGO@Se NF는 각각 거의 50.7 및 43.3 wt%의 Se 원소를 함유한다. Bi-P-rGO@Se NF에 대한 Se 양이 높을수록 함침 공정 중에 높은 미세기공 부피를 사용할 수 있음을 다시 확인할 수 있다. 또한, P-rGO@Se(~ 343 ℃)에 비해 Bi-P-rGO@Se의 더 높은 온도(375 ℃)에서 급격한 중량 손실은 Bi-P-rGO@Se의 미세기공을 채우는 사슬 타입 Se(c-Se) 함량에 기인한다. 즉, c-Se와 탄소질 종 사이의 상대적으로 강한 화학적 상호작용이 존재하고, 이를 깨뜨리기 위하여 더 높은 에너지를 요구하기 때문이다.The chemical states and molecular environments of various elements of Bi-P-rGO@Se NF were confirmed through XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis, as shown in Figures 5 (a) to (c). The survey spectrum in Figure 5(a) shows photoelectron signals corresponding to C 1s, Se 3p and Se 3d orbitals. The high -resolution C 1s It shows the peak. The very intense sp 2 -hybridized C=C peak confirms the presence of carbonaceous products in the nanofibers in the form of graphitized carbon from the rGO matrix. The separated Se 3d spectrum in Figure 5(c) shows two main peaks attributed to Se 3d 5/2 (55.9 eV) and Se 3d 3/2 (56.7 eV) states, confirming the presence of infiltrated Se. . The Se content of the nanofibers was quantified using TG analysis (Figure 5(d)). Bi-P-rGO@Se NF and P-rGO@Se NF contain nearly 50.7 and 43.3 wt% of Se element, respectively. It can again be confirmed that the higher Se amount for Bi-P-rGO@Se NFs enables the use of high micropore volume during the impregnation process. Additionally, the rapid weight loss at higher temperature (375 °C) of Bi-P-rGO@Se compared to P-rGO@Se (~343 °C) is due to the chain type Se() filling the micropores of Bi-P-rGO@Se. c-Se) content. That is, there is a relatively strong chemical interaction between c-Se and carbonaceous species, and higher energy is required to break it.
Bi-P-rGO@Se NF 및 P-rGO@Se NF의 구조적 특성을 라만 분광법을 통해 조사하였고, 그 결과를 도 5의 (e) 및 (f)에 나타내었다. 도 5의 (e)의 고파수 라만 스펙트럼은 두 샘플 모두에 대하여 D-밴드(1360 cm-1) 및 G-밴드(1600 cm-1)의 존재를 나타낸다. G-밴드는 rGO 내 sp2-혼성화된 탄소 종긔 존재로부터 유래하는 반면, D-밴드는 PVA의 분해에 의해 형성된 무질서한 무정형 탄소(AC)에 해당한다. 또한, 탄소질 생성물의 결정화도는 두 밴드의 상대강도비(I D /I G )를 사용하여 결정하였다. I D /I G 비율은 각각 Bi-P-rGO@Se의 경우 1.03, P-rGO@Se의 경우 0.92로 관찰되었으며, 이는 Bi-P-rGO@Se에서 KOH를 이용한 화학적 활성화 과정에서 발생할 수 있는 더 많은 결함(defect)의 존재를 나타낸다. 도 5의 (f)의 Bi-P-rGO@Se NF에 대한 저파수 라만 스펙트럼은 삼각(t-Se, 237 cm-1), 사슬(c-Se, 255 cm-1) 및 고리(r-Se, 267 cm-1) 타입에 해당하는 3 개의 피크를 나타낸다. 이와 대조적으로, P-rGO@Se NF는 메소기공에 채워진 부피가 큰 Se에 기인한 t-Se에 해당하는 237 cm-1을 중심으로 하는 고강도 밴드만을 나타낸다. 255 cm-1에서 c-Se의 최고 피크 강도는 Bi-P-rGO@Se에서 단거리 정렬을 선호하는 미세기공의 존재에서 주로 발생한다. 따라서 라만 스펙트럼 결과는 Bi-P-rGO@Se에 c-Se가 존재하면 Se 이용률이 높아 P-rGO@Se에 비해 우수한 전기화학적 성능을 제공한다는 것을 시사한다.The structural properties of Bi-P-rGO@Se NF and P-rGO@Se NF were investigated through Raman spectroscopy, and the results are shown in Figures 5 (e) and (f). The high-frequency Raman spectrum in (e) of Figure 5 shows the presence of D-band (1360 cm -1 ) and G-band (1600 cm -1 ) for both samples. The G-band originates from the presence of sp 2 -hybridized carbon species in rGO, while the D-band corresponds to disordered amorphous carbon (AC) formed by decomposition of PVA. Additionally, the crystallinity of the carbonaceous product was determined using the relative intensity ratio ( I D /I G ) of the two bands. The I D /I G ratio was observed to be 1.03 for Bi-P-rGO@Se and 0.92 for P-rGO@Se, respectively, which may occur during the chemical activation process using KOH in Bi-P-rGO@Se. Indicates the presence of more defects. The low-wavelength Raman spectrum for Bi-P-rGO@Se NF in (f) of Figure 5 is triangular (t-Se, 237 cm -1 ), chain (c-Se, 255 cm -1 ), and ring (r- Se, 267 cm -1 ) shows three peaks corresponding to the type. In contrast, P-rGO@Se NF shows only a high intensity band centered at 237 cm -1 corresponding to t-Se due to the bulky Se filled in the mesopores. The highest peak intensity of c-Se at 255 cm -1 mainly arises from the presence of micropores that favor short-range alignment in Bi-P-rGO@Se. Therefore, the Raman spectrum results suggest that the presence of c-Se in Bi-P-rGO@Se provides superior electrochemical performance compared to P-rGO@Se due to high Se availability.
이하, 본 발명은 실시예에 의해서 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be explained in detail by examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention and the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1Example 1
0.5 g의 그래핀 옥사이드(GO) 나노시트를 3 시간 동안 초음파에 의해 에탄올 10 mL에 분산시켜 균일한 현탁액을 얻었다. 그 후, 2.0 g의 폴리비닐 알코올(PVA 2000, Kanto Chemical Co.) 및 1.5 g의 PS 나노비드(평균직경 = 100 nm)를 밤새 격렬하게 교반하면서 상기 현탁액에 첨가하여 전기방사 용액을 제조하였다.0.5 g of graphene oxide (GO) nanosheets were dispersed in 10 mL of ethanol by ultrasound for 3 hours to obtain a uniform suspension. Afterwards, 2.0 g of polyvinyl alcohol (PVA 2000, Kanto Chemical Co.) and 1.5 g of PS nanobeads (average diameter = 100 nm) were added to the suspension while stirring vigorously overnight to prepare an electrospinning solution.
준비된 전기방사 용액을 25 게이지 스테인리스 스틸 바늘이 장착된 플라스틱 주사기 펌프(12 mL)에 넣었다. 전기방사 용액을 1.0 mL/h의 속도로 분출하고, 섬유를 바늘 끝에서 15 cm 떨어진 Al 호일로 덮인 회전 드럼(180 rpm)에 모았다. 컬렉터와 바늘 사이에 인가되는 전압은 20 kV로 고정하였다.The prepared electrospinning solution was placed in a plastic syringe pump (12 mL) equipped with a 25 gauge stainless steel needle. The electrospinning solution was jetted at a rate of 1.0 mL/h, and the fibers were collected on a rotating drum (180 rpm) covered with Al foil 15 cm away from the needle tip. The voltage applied between the collector and the needle was fixed at 20 kV.
방사된 복합 섬유는 공기 중에서 12 시간 동안 200 ℃에서 안정화시켰고, 안정화된 섬유는 N2 분위기 하에서 5 ℃/min의 승온 속도로 3 시간 동안 600 ℃에서 탄화되었다. 그 후 섬유를 수산화칼륨(KOH, Samchun Co.)과 혼합하였다. 절구와 막자를 사용하여 섬유와 수산화칼륨을 1:2의 비율로 혼합하고, 혼합물을 N2 분위기 하에서 5 ℃/min의 승온 속도로 3 시간 동안 800 ℃에서 열처리하여 활성화시켰다. 이후 섬유를 H2O/HCL(1:1 vol%)로 24 시간 동안 식각하고 증류수로 여러 번 세척한 후 건조시켰다.The spun composite fibers were stabilized at 200 °C for 12 hours in air, and the stabilized fibers were carbonized at 600 °C for 3 hours at a heating rate of 5 °C/min under N 2 atmosphere. The fiber was then mixed with potassium hydroxide (KOH, Samchun Co.). Fiber and potassium hydroxide were mixed at a ratio of 1:2 using a mortar and pestle, and the mixture was activated by heat treatment at 800°C for 3 hours at a temperature increase rate of 5°C/min under N 2 atmosphere. The fiber was then etched with H 2 O/HCL (1:1 vol%) for 24 hours, washed with distilled water several times, and dried.
얻어진 에칭된 섬유는 원소 Se 분말(99.99%, Sigma-Aldrich)과 3:7의 질량비로 혼합되었고, 260 ℃에서 12 시간 동안 2 단계 열처리를 거친 후 N2 분위기 하에서 5 ℃/min의 승온 속도로 350 ℃에서 1 시간 동안 열처리하여 Bi-P-rGO@Se NF를 얻었다.The obtained etched fibers were mixed with elemental Se powder (99.99%, Sigma-Aldrich) at a mass ratio of 3:7 and subjected to a two-step heat treatment at 260 °C for 12 h, followed by heating at a heating rate of 5 °C/min under N 2 atmosphere. Bi-P-rGO@Se NF was obtained by heat treatment at 350 °C for 1 hour.
얻어진 Bi-P-rGO@Se NF의 전기화학적 성능을 측정하기 위하여, CR2032 타입 코인셀을 제조하였다. 전극은 탈이온수에 활물질로 얻어진 Bi-P-rGO@Se NF 70 중량%, 도전재인 카본블랙(Super-P) 20 중량%, 바인더인 CMC(sodium carboxymethyl cellulose) 10 중량%를 혼합한 후 Al 호일에 코팅하여 제조하였다. 닥터 블레이드를 사용하여 코팅된 슬러리를 열풍 오븐에서 60 ℃에서 밤새 건조시켰다. 그 후, ~ 0.3 mg/cm2의 활성 물질 로딩을 갖는 원형 전극(직경 = 14 mm)을 펀칭하고 글러브 박스 내부로 옮겼다. Li 금속과 미세 다공성 폴리프로필렌 필름이 각각 상대 전극과 분리막으로 사용되었다. 전해질은 에틸렌 카보네이트와 디에틸 카보네이트(EC/DEC)의 1:1(v/v) 혼합물에 1 M LiPF6를 용해하여 준비하였다. 코인셀 조립은 고순도 Ar 가스로 채워진 글러브 박스 내부에서 수행하여 Li-Se 이차전지를 제조하였다.To measure the electrochemical performance of the obtained Bi-P-rGO@Se NF, a CR2032 type coin cell was manufactured. The electrode was made by mixing 70% by weight of Bi-P-rGO@Se NF obtained as an active material, 20% by weight of carbon black (Super-P) as a conductive material, and 10% by weight of sodium carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder in deionized water and then covered with Al foil. It was manufactured by coating on . The coated slurry was dried overnight at 60° C. in a hot air oven using a doctor blade. Afterwards, circular electrodes (diameter = 14 mm) with an active material loading of ~ 0.3 mg/cm 2 were punched and transferred inside the glove box. Li metal and microporous polypropylene film were used as the counter electrode and separator, respectively. The electrolyte was prepared by dissolving 1 M LiPF 6 in a 1:1 (v/v) mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate (EC/DEC). Coin cell assembly was performed inside a glove box filled with high-purity Ar gas to produce a Li-Se secondary battery.
비교예 1Comparative Example 1
수산화칼륨 처리 및 식각 처리를 거치지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 P-rGO@Se NF를 제조하였고, 이를 활물질로 포함하는 Li-Se 이차전지를 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.P-rGO@Se NF was manufactured in the same manner as in Example 1, except that it was not subjected to potassium hydroxide treatment or etching, and a Li-Se secondary battery containing it as an active material was manufactured in the same manner as in Example 1.
실험예 1 - CV 곡선Experimental Example 1 - CV Curve
실시예 1 및 비교예 1에서 조립된 셀은 초기 5개의 주기 동안 1.0 ~ 3.0 V의 전압 범위에서 0.1 mV/s의 스캔 속도에서 CV 테스트를 진행하였다. 실시예 1에 대한 도 6의 (a)의 첫 번째 CV 스캔은 r-Se에서 c-Se로의 변환에 해당하는 2.31 V(빨간색 화살표로 표시됨)에서 저강도 피크를 나타낸다. 그러나 첫 번째 사이클 동안 완전한 변환으로 인해 후속 감소 사이클 동안 2.31 V에서 피크가 사라진다. 또한, 1.76 V에 위치한 급격한 감소 피크는 c-Se로부터의 Li2Se 형성에 기인한다. 산화 스캔 동안 Li2Se가 다시 Se로 전환되는 2.06 V에서 단일 피크가 관찰되어 2Li + Se ↔ Li2Se 산화환원 사이클이 완료된다. 전환 반응은 카보네이트 기반 전해질에서 리튬 폴리셀렌화물의 불용성으로 인해 고체-고체 프로세스라는 점에 유의해야 한다. 또한, 산화 피크는 후속 사이클 동안 안정적으로 유지된다(도 7의 (a)).The cells assembled in Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to CV testing at a scan rate of 0.1 mV/s in a voltage range of 1.0 to 3.0 V for the initial five cycles. The first CV scan in Figure 6(a) for Example 1 shows a low intensity peak at 2.31 V (indicated by a red arrow) corresponding to the r-Se to c-Se conversion. However, the peak at 2.31 V disappears during the subsequent reduction cycle due to complete conversion during the first cycle. Additionally, the sharp decrease peak located at 1.76 V is attributed to the formation of Li 2 Se from c-Se. During the oxidation scan, a single peak is observed at 2.06 V where Li 2 Se is converted back to Se, completing the 2Li + Se ↔ Li 2 Se redox cycle. It should be noted that the conversion reaction is a solid-solid process due to the insolubility of lithium polyselenide in carbonate-based electrolytes. Additionally, the oxidation peak remains stable during subsequent cycles (Figure 7(a)).
그러나, 비교예 1의 CV 곡선(도 6의 (a) 및 도 7의 (b))은 실시예 1의 CV 곡선과 약간 다른 특성을 나타낸다. 2.35 V 및 2.20 V에서 관찰된 비가역 피크(도 6의 (a)에서 파란색 화살표로 표시됨)는 r-Se에서 c-Se로의 변환에 해당하며 도 7의 (b)에 표시된 것처럼 후속 환원 주기 동안 사라진다. 또한, 1.9 V 및 2.3 V에서 두 개의 산화 피크가 충전 과정 동안 관찰되며, 이는 각각 Li2Se가 리튬 셀렌화물로, 그리고 나서 원소 Se로 단계적으로 전환되기 때문이다. 또한, 산화환원 피크의 모양과 강도에서도 눈의 띄는 차이가 분명하며, 이는 셀 내부의 산화환원 반응 동역학이 좋지 않음을 의미한다. However, the CV curve of Comparative Example 1 (FIGS. 6(a) and 7(b)) shows slightly different characteristics from the CV curve of Example 1. The irreversible peaks observed at 2.35 V and 2.20 V (marked by blue arrows in Figure 6(a)) correspond to the conversion of r-Se to c-Se and disappear during the subsequent reduction cycle as shown in Figure 7(b). . Additionally, two oxidation peaks at 1.9 V and 2.3 V are observed during the charging process, which is due to the stepwise conversion of Li 2 Se to lithium selenide and then to elemental Se, respectively. Additionally, there is a noticeable difference in the shape and intensity of the redox peaks, which means that the redox reaction kinetics inside the cell are poor.
이러한 현상은 나노섬유의 분극 전위(ΔV)를 고려할 때 더욱 두드러진다. 실시예 1의 셀은 비교예 1의 셀(ΔV=390 mV)에 비해 레독스 피크 사이의 더 낮은 분리(ΔV=300 mV)를 나타낸다. 첫 번째 사이클 이후에 두 샘플의 감소 피크(도 7의 (a) 및 (b))는 주로 리튬화 공정 동안 양극의 변형으로 인해 더 높은 전위 쪽으로 상당히 이동한다. 또한, 비교예 1에 비해 실시예 1의 전압 이동이 작을수록 실시예 1의 샘플에서 우수한 전기화학적 활성을 나타낸다. 1.7 V에서 새로운 숄더 피크(도 7의 (a)에서 ‘*’로 표시됨)는 사슬 길이를 가지는 두 개의 다른 Se 분자와 리튬의 반응에 해당하는 실시예 1의 샘플에 대한 2nd 사이클 후 환원 스캔에 나타난다. This phenomenon becomes more pronounced when considering the polarization potential (ΔV) of the nanofiber. The cell of Example 1 shows lower separation between redox peaks (ΔV=300 mV) compared to the cell of Comparative Example 1 (ΔV=390 mV). After the first cycle, the decrease peaks of both samples ((a) and (b) in Figure 7) shift significantly toward higher potentials, mainly due to the deformation of the anode during the lithiation process. In addition, the smaller the voltage shift of Example 1 compared to Comparative Example 1, the better electrochemical activity was shown in the sample of Example 1. The new shoulder peak at 1.7 V (marked with '*' in Figure 7(a)) corresponds to the reaction of lithium with two Se molecules with different chain lengths in the reduction scan after 2 nd cycle for the sample of Example 1. appears in
결과적으로 잘 중첩되고 대칭인 CV 곡선은 매우 가역적인 산화환원 과정을 나타낸다. 또한, 실시예 1의 양극의 CV 곡선은 비교예 1의 양극보다 높은 전류 밀도를 나타내며, 이는 비교예 1의 양극과 비교하여 셀 내부의 향상된 산화환원 반응 동역학을 명확하게 나타낸다.The resulting well-overlapping and symmetric CV curves indicate a highly reversible redox process. Additionally, the CV curve of the anode of Example 1 shows a higher current density than that of the anode of Comparative Example 1, which clearly indicates improved redox reaction kinetics inside the cell compared to the anode of Comparative Example 1.
실험예 2 - 초기 충방전 프로파일Experimental Example 2 - Initial charge/discharge profile
CV 곡선은 도 6의 (b)와 같이 C-rate 0.5에서 얻은 충전-방전 프로파일을 사용하여 추가로 검증되었다. 충전-방전 프로파일은 CV 곡선과 일치하는 전압 고원을 나타낸다. 예를 들어, 실시예 1의 양극은 원소 Se가 Li2Se로 변환되는 것에 해당하는 약 1.9 V에서 긴 방전 전압 안정기를 나타낸다. 유사하게, 1.95 V에서이 전하 안정기는 Li2Se가 Se로 변환되는 것과 일치한다. 이와 대조적으로, 비교예 1의 양극은 1.81(Li2Se → Se) 및 1.60 V(Se → Li2Se)에서 짧은 충전-방전 전압 안정기를 나타내어 방전 용량 값이 실시예 1의 양극보다 낮다는 것을 의미한다. 또한, 약 2.25 V에서 비교예 1의 양극의 엉성한 방전 안정기는 r-Se에서 c-Se로의 변환 때문이다. 실시예 1의 양극 및 비교예 1의 양극은 각각 603 mA·h/g 및 408 mA·h/g의 초기 방전 용량을 나타낸다. 또한, 비교예 1의 양극의 47 % 대비 실시예 1의 양극의 경우 86 %의 상대적으로 높은 쿨롱 효율이 관찰된다. 비교예 1의 양극의 초기 용량 손실이 크거나 초기 쿨롱 효율이 낮은 것은 부피가 큰 Se의 존재에 기인하며, 이후 용해되어 리튬 폴리셀렌화물을 형성하기 때문이다. 그러나, 미세기공에 사슬 타입의 Se가 탑재된 실시예 1의 양극은 폴리 셀렌화물 용해를 완화하여 Li와 Se 사이의 다단계 반응을 단일 단계 반응으로 제한한다. The CV curve was further verified using the charge-discharge profile obtained at C-rate 0.5, as shown in (b) of Figure 6. The charge-discharge profile shows a voltage plateau that coincides with the CV curve. For example, the anode of Example 1 exhibits a long discharge voltage plateau at about 1.9 V, corresponding to the conversion of elemental Se to Li 2 Se. Similarly, at 1.95 V, this charge plateau coincides with the conversion of Li 2 Se to Se. In contrast, the anode of Comparative Example 1 exhibited a short charge-discharge voltage plateau at 1.81 (Li 2 Se → Se) and 1.60 V (Se → Li 2 Se), indicating that the discharge capacity value was lower than that of the anode of Example 1. it means. Additionally, the poor discharge plateau of the anode of Comparative Example 1 at about 2.25 V is due to the conversion of r-Se to c-Se. The positive electrode of Example 1 and the positive electrode of Comparative Example 1 showed initial discharge capacities of 603 mA·h/g and 408 mA·h/g, respectively. Additionally, a relatively high coulombic efficiency of 86% was observed for the anode of Example 1 compared to 47% for the anode of Comparative Example 1. The large initial capacity loss or low initial coulombic efficiency of the positive electrode of Comparative Example 1 is due to the presence of bulky Se, which is then dissolved to form lithium polyselenide. However, the anode of Example 1 with chain-type Se loaded in micropores alleviates polyselenide dissolution, limiting the multi-step reaction between Li and Se to a single-step reaction.
실시예 1의 양극의 높은 방전 용량은 미세기공에서 활성 물질로서 사슬 타입의 Se의 높은 활용도에 기인할 수 있다. 대조적으로, 비교예 1의 양극의 낮은 방전 용량은 짧은 충전-방전 안정기에 의해 입증되는 바와 같이, 산화환원 공정 동안 사용되지 않고 남아 있는 부피가 큰 Se 침전물이 존재하기 때문일 수 있다. 전반적으로, CV 및 초기 충전-방전 프로파일은 실시예 1의 양극에서 높은 다공성 및 전도성 골격의 시너지 효과가 전기화학적 성능을 향상시킨다는 것을 증명한다.The high discharge capacity of the positive electrode of Example 1 can be attributed to the high availability of chain-type Se as the active material in the micropores. In contrast, the low discharge capacity of the positive electrode of Comparative Example 1 may be due to the presence of bulky Se deposits that remain unused during the redox process, as evidenced by the short charge-discharge plateau. Overall, the CV and initial charge-discharge profiles demonstrate that the synergistic effect of the highly porous and conductive framework in the anode of Example 1 improves electrochemical performance.
실험예 3 - 사이클 특성Experimental Example 3 - Cycle characteristics
0.5 C-rate에서 실시예 1의 양극이 비교예 1의 양극(408 mA·h/g) 대비 603 mA·h/g의 초기 방전 용량을 나타낸다(도 6의 (c)). 사이클링이 진행됨에 따라 실시예 1의 양극은 800th 연속 충전-방전 사이클의 끝에서 441 mA·h/g(73% 용량 유지)의 방전 용량을 나타내고, 이와 대조적으로 비교예 1의 양극은 사이클링 전체에서 낮은 방전 용량을 나타낸다. 비교예 1의 양극은 560회 사이클 후 149 mA·h/g(37% 용량 유지)의 방전 용량을 나타냈다. 또한, 비교예 1의 경우 주기당 0.11%의 평균 용량 감소를 나타내지만, 실시예 1의 경우 주기당 0.03%의 평균 용량 감소를 보이고 있어 구조적 이점이 추가로 검증된다.At 0.5 C-rate, the positive electrode of Example 1 shows an initial discharge capacity of 603 mA·h/g compared to the positive electrode of Comparative Example 1 (408 mA·h/g) (FIG. 6(c)). As cycling progresses, the positive electrode of Example 1 exhibits a discharge capacity of 441 mA·h/g (73% capacity retention) at the end of 800 th continuous charge-discharge cycle, and in contrast, the positive electrode of Comparative Example 1 exhibits a discharge capacity of 441 mA·h/g (73% capacity retention) throughout cycling. shows low discharge capacity. The positive electrode of Comparative Example 1 showed a discharge capacity of 149 mA·h/g (37% capacity maintained) after 560 cycles. In addition, Comparative Example 1 shows an average capacity decrease of 0.11% per cycle, but Example 1 shows an average capacity decrease of 0.03% per cycle, further verifying the structural advantage.
사이클링 프로세스 전반에 걸쳐 99%의 높은 쿨롱 효율은 셀 내부의 산화환원 프로세스의 높은 가역성을 추가로 설명한다. 이러한 결과는 다양한 사이클 수에서 충전-방전 프로파일을 고려할 때 더욱 분명하다. 실시예 1의 양극의 높은 방전 용량은 주로 비교예 1의 양극의 전압 고원((도 7의 (d)) 보다 잘 형성된 긴 전압 고원((도 7의 (c)) 때문이다. 사이클링 결과는 비교예 1의 양극과 비교하여 실시예 1의 양극에서 높은 활성 물질 활용도를 다시 확인할 수 있다. 여기서 낮은 용량은 미활용 활성 물질(대량의 Se 침전물)의 높은 비율을 의미하며, 이는 결과적으로 셀 내부의 느린 반응 동역학을 초래한다.The high coulombic efficiency of 99% throughout the cycling process further explains the high reversibility of the redox processes inside the cell. These results are even more evident when considering charge-discharge profiles at various cycle numbers. The high discharge capacity of the positive electrode of Example 1 is mainly due to the long voltage plateau ((c) in Figure 7) that is better formed than the voltage plateau ((d) in Figure 7) of the positive electrode in Comparative Example 1. The cycling results are compared The high active material utilization can again be seen in the anode of Example 1 compared to the anode of Example 1, where the low capacity means a high proportion of unutilized active material (large Se deposits), which results in slowing down inside the cell. Resulting in reaction kinetics.
실험예 4 - 레이트 특성Experimental Example 4 - Rate characteristics
실시예 1의 양극은 0.5, 1.0, 3.0, 5.0, 7.0, 10.0 및 20.0의 C-rate에서 각각 613, 454, 428, 407, 385, 357 및 326 mA·h/g의 방전 용량을 나타낸다(도 6의 (d)). 또한, 전류를 0.5 C로 복원시켰을 때 440 mA·h/g의 안정적인 방전 용량을 나타낸다. 이와 대조적으로 비교예 1의 양극은 상기 언급한 해당 C-rate에서 400, 169, 143, 117, 101, 85 및 50 mA·h/g의 낮은 방전 용량을 나타낸다. 실시예 1의 양극은 20.0 C의 높은 C-rate에서도 높은 방전 용량을 나타내는데, 이는 메소기공과 미세기공을 포함하는 바이모달 다공성 구조로 전극의 효율적인 전해질 침투 또는 젖음성 외에도 높은 활물질 활용도를 보장한다. 또한, 전도성이 높은 rGO 매트릭스는 전극의 구조적 무결성을 증가시킬 뿐만 아니라 빠른 전하 이동 산화환원 동역학을 지원하는 수많은 전도성 채널을 제공한다.The anode of Example 1 exhibits discharge capacities of 613, 454, 428, 407, 385, 357, and 326 mA·h/g at C-rates of 0.5, 1.0, 3.0, 5.0, 7.0, 10.0, and 20.0, respectively (Figure (d)) of 6. In addition, when the current is restored to 0.5 C, it shows a stable discharge capacity of 440 mA·h/g. In contrast, the positive electrode of Comparative Example 1 shows low discharge capacities of 400, 169, 143, 117, 101, 85, and 50 mA·h/g at the corresponding C-rate mentioned above. The positive electrode of Example 1 exhibits high discharge capacity even at a high C-rate of 20.0 C, and its bimodal porous structure including mesopores and micropores ensures high active material utilization in addition to efficient electrolyte penetration or wettability of the electrode. Additionally, the highly conductive rGO matrix not only increases the structural integrity of the electrode but also provides numerous conductive channels that support fast charge transfer redox kinetics.
실험예 5 - Li 이온 확산 계수Experimental Example 5 - Li ion diffusion coefficient
Li-Se 셀 내부의 우수한 산화환원 역학을 인증하기 위해 Li 이온 확산 계수(D Li +)를 1.0 내지 3.0 V의 전압 범위와 0.05 내지 1.0 mV/s의 다양한 스캔 속도에서 CV 데이터를 조사하여 도 8에 나타내었다. 다양한 전압 스캔 속도에서 얻은 CV 곡선은, 셀 내부에서 고체-고체 프로세스를 통해 원소 Se와 Li2Se 사이에서 발생되는 전기화학적 프로세스를 시사하는 일반적인 Li-Se 레독스 피크를 보여준다. 1.0 mV/s의 고전압 스캔 속도에서도 비교예 1의 양극(도 8의 (c)) 보다 실시예 1의 양극(도 8의 (a))에서 더 높은 전류 강도 값이 관찰되는데, 이는 셀 내부의 빠른 전기화학적 프로세스를 의미한다. Randles-Sevcik 방정식은 모든 셀의 D Li + 측정에 추가로 적용되었으며, 하기 <식 1>과 같다.To authenticate the excellent redox dynamics inside the Li-Se cell, the Li ion diffusion coefficient ( DLi + ) was examined by examining the CV data in the voltage range from 1.0 to 3.0 V and various scan rates from 0.05 to 1.0 mV/s, as shown in Figure 8. shown in CV curves obtained at various voltage scan rates show typical Li-Se redox peaks, suggesting electrochemical processes occurring between elemental Se and Li 2 Se through solid-solid processes inside the cell. Even at a high voltage scan rate of 1.0 mV/s, a higher current intensity value is observed at the anode of Example 1 (Figure 8(a)) than the anode of Comparative Example 1 (Figure 8(c)), which is due to It refers to a fast electrochemical process. The Randles-Sevcik equation was additionally applied to the D Li + measurements of all cells, and is shown in <Equation 1> below.
<식 1><Equation 1>
여기서, I p 는 산화환원 피크 전류, n은 산화환원 반응에 관여하는 전자의 수(n=2), A는 전극 표면적(cm2), C Li 는 Li-이온 농도(mol/L), υ는 전압 주사율(V/s)이다.Here, I p is the redox peak current, n is the number of electrons involved in the redox reaction (n=2), A is the electrode surface area (cm 2 ), C Li is the Li-ion concentration (mol/L), υ is the voltage refresh rate (V/s).
실시예 1의 양극 및 비교예 1의 양극에 대해 얻은 I p vs. υ0.5 플롯은 도 8의 (b) 및 (d)에 나타나 있고, 모든 Li-Se 셀에 대해 계산된 D Li + 값은 하기 <표 1>에 나타냈다. I p vs. obtained for the anode of Example 1 and the anode of Comparative Example 1. The υ 0.5 plot is shown in (b) and (d) of Figures 8, and the D Li + values calculated for all Li-Se cells are shown in Table 1 below.
실시예 1의 양극을 사용하는 Li-Se 전지는 비교예 1의 양극(0.55 × 10-9 cm2/s)을 사용하는 전지보다 더 높은 리튬 이온 확산 계수 값(5.99 × 10-9 cm2/s)을 나타내고, 이는 셀 내부의 우수한 확산 동역학을 나타낸다. 높은 확산 계수 결과는 미세기공에 채워진 사슬 모양의 Se와 함께 고유한 1차원 설계 전략이 운동학적으로 선호되는 산화환원 동역학을 초래하여 전기화학적 성능의 전반적인 개선을 향상시킨다는 것을 확인할 수 있다(도 8의 (e)-①). 이와 대조적으로 비교예 1의 양극에서 사용되지 않는 활성 물질(대량의 Se 침전물)의 높은 비율은 셀 내부의 느린 반응 역학을 초래하여 불량한 전기화학적 특성을 초래한다(도 8의 (e)-②).The Li-Se battery using the positive electrode of Example 1 had a higher lithium ion diffusion coefficient value (5.99 × 10 -9 cm 2 /s) than the battery using the positive electrode of Comparative Example 1 (0.55 × 10 -9 cm 2 /s). s), indicating excellent diffusion dynamics inside the cell. The high diffusion coefficient results confirm that the unique one-dimensional design strategy with chain-like Se filled in the micropores results in kinetically favorable redox dynamics, enhancing the overall improvement of electrochemical performance (Figure 8). (e)-①). In contrast, the high proportion of unused active material (a large amount of Se precipitate) in the anode of Comparative Example 1 results in slow reaction kinetics inside the cell, resulting in poor electrochemical properties ((e)-② in Figure 8). .
실험예 6 - 전기화학 임피던스 분광법(EIS)Experimental Example 6 - Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
Li-Se 셀 내부의 반응 동역학을 EIS를 통해 확인한 결과를 도 9에 나타내었다. 모든 Li-Se 전지의 임피던스는 신선하거나 사이클되지 않은 상태에서 측정되고, 또한 0.5 C에서 순환하는 동안 완전히 충전된 상태에서 다른 사이클 수에서 측정되었다. 실시예 1의 양극을 사용하는 Li-Se 전지는 비교예 1의 양극을 사용하는 Li-Se 전지와 비교하여, 사이클링 프로세스 전체에서 가장 낮은 전하 이동 저항(Rct)을 나타낸다. 예를 들어, 실시예 1의 양극을 사용하는 신선한 셀은 172 Ω의 Rct 값을 나타내고(도 9의 (a)), 1st 사이클 후에 54 Ω으로 급격하게 감소하고(도 9의 (b)) 대부분 안정적으로 유지된다. 100th 사이클 이후, 비교예 1의 양극을 사용하는 Li-Se 셀은 실시예 1의 양극을 사용하는 Li-Se 셀 대비 더 높은 Rct 값(75 Ω)을 나타낸다(도 9의 (c)). 이러한 결과는 실시예 1의 구조적 이점이 Li-Se 셀 내부에서 운동학적으로 선호되는 산화환원 과정을 보장할 뿐만 아니라 장기간의 사이클링 동안 Se 전극의 구조적 무결성을 향상시킨다는 것을 확인할 수 있다. 0.5 C에서 100th 사이클 후에 얻는 실시예 1의 양극의 FE-SEM 사진(도 9의 (d)) 및 비교예1의 양극의 FE-SEM 사진(도 10)은 위의 주장을 확실하게 입증한다. 실시예 1의 양극의 1차원 섬유질 형태는 비교예 1과 비교하여 온전한 상태로 유지되어 준비된 양극의 우수한 구조적 견고성을 설명하고, 이는 더 높은 활성 물질 함침을 허용할 뿐만 아니라 전기화학 공정 동안 리튬 폴리셀렌화물 고정과 함께 큰 부피 변화를 수용한다. 리튬 음극을 향하고 실시예 1 및 비교예 1의 양극과 각각 쌍을 이룬 유리 섬유 표면의 디지털 이미지를 도 11에 나타내어, 폴리셀렌화물 고정에 대하여 추가로 분석하였다. 도 11을 참조하면, 비교예 1의 양극과 함께 사용되는 유리 섬유의 어두운 색상(도 11의 (b))과 비교하여, 실시예 1의 양극과 쌍을 이루는 유리 섬유의 흰색(도 11의 (a))은 폴리셀렌화물의 더 나은 포획 및 재사용을 확실히 나타낸다.The results of confirming the reaction dynamics inside the Li-Se cell through EIS are shown in Figure 9. The impedance of all Li-Se cells was measured in the fresh and uncycled state and also in the fully charged state at different cycle numbers while cycling at 0.5 C. Compared to the Li-Se battery using the anode of Comparative Example 1, the Li-Se battery using the anode of Example 1 exhibits the lowest charge transfer resistance (R ct ) throughout the cycling process. For example, a fresh cell using the anode of Example 1 exhibited an R ct value of 172 Ω (Figure 9(a)), which rapidly decreased to 54 Ω after 1 st cycle (Figure 9(b)). ) It mostly remains stable. After 100 th cycle, the Li-Se cell using the anode of Comparative Example 1 shows a higher R ct value (75 Ω) compared to the Li-Se cell using the anode of Example 1 (FIG. 9(c)). . These results confirm that the structural advantage of Example 1 not only ensures a kinetically favorable redox process inside the Li-Se cell, but also improves the structural integrity of the Se electrode during long-term cycling. The FE-SEM photograph of the anode of Example 1 (FIG. 9(d)) and the FE-SEM photograph of the anode of Comparative Example 1 (FIG. 10) obtained after 100 th cycle at 0.5 C clearly prove the above claim. . The one-dimensional fibrous morphology of the positive electrode of Example 1 remained intact compared to Comparative Example 1, illustrating the excellent structural robustness of the as-prepared positive electrode, which not only allows for higher active material impregnation but also allows for lithium polyselenium during the electrochemical process. Accommodates large volume changes with cargo securing. Digital images of the glass fiber surfaces facing the lithium cathode and paired with the anodes of Example 1 and Comparative Example 1, respectively, are shown in Figure 11 and further analyzed for polyselenide immobilization. Referring to FIG. 11, compared to the dark color of the glass fiber used with the anode of Comparative Example 1 ((b) in FIG. 11), the white color of the glass fiber paired with the anode of Example 1 ((b) of FIG. 11) a)) clearly indicates better capture and reuse of polyselenide.
고성능 Bi-P-rGO@Se 양극을 얻기 위해 바이모달 기공과 높은 전도성 rGO 매트릭스로 구성된 1차원 나노파이버를 활성 물질 호스트로 활용하면, 뛰어난 레이트 성능과 압도적인 장기간의 사이클링 안정성 등의 향상된 전기화학적 성능이 입증되었다.To obtain a high-performance Bi-P-rGO@Se anode, utilizing one-dimensional nanofibers composed of bimodal pores and a highly conductive rGO matrix as the active material host results in improved electrochemical performance, including excellent rate performance and overwhelming long-term cycling stability. This has been proven.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been examined focusing on its preferred embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.
Claims (13)
상기 구조체의 표면에 셀레늄(Se)을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버.reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structures; and
A nanofiber for a lithium-selenium secondary battery, characterized in that it contains selenium (Se) on the surface of the structure.
상기 환원-그래핀 옥사이드(r-GO) 및 탄소 구조체는 다공성인 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버.According to paragraph 1,
A nanofiber for a lithium-selenium secondary battery, wherein the reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structure are porous.
상기 환원-그래핀 옥사이드(r-GO) 및 탄소 구조체는 상대적으로 큰 직경의 기공과 상대적으로 작은 직경의 기공을 포함하는 바이모달(Bimodal) 다공성인 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버.According to paragraph 2,
The reduced-graphene oxide (r-GO) and carbon structures are nanofibers for lithium-selenium secondary batteries, characterized in that they have bimodal porosity including pores of relatively large diameter and pores of relatively small diameter.
상기 셀레늄(Se)은 상기 상대적으로 작은 직경의 기공에 위치하는 사슬 타입 셀레늄(c-Se)인 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버.According to paragraph 3,
The selenium (Se) is a lithium-selenium secondary battery nanofiber, characterized in that chain-type selenium (c-Se) located in the relatively small diameter pores.
상기 상대적으로 큰 직경의 기공은 평균 직경이 30 nm 내지 60 nm 범위인 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버.According to paragraph 3,
A nanofiber for a lithium-selenium secondary battery, wherein the relatively large diameter pores have an average diameter in the range of 30 nm to 60 nm.
상기 상대적으로 작은 직경의 기공은 평균 직경이 1 nm 내지 3 nm 범위인 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버.According to paragraph 3,
A nanofiber for a lithium-selenium secondary battery, wherein the relatively small diameter pores have an average diameter in the range of 1 nm to 3 nm.
상기 혼합물을 전기방사하여 섬유를 제조하는 단계;
상기 섬유를 탄화하는 단계;
상기 탄화된 섬유를 에칭하는 단계; 및
상기 에칭된 섬유에 셀레늄을 로딩하는 단계;
를 포함하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조방법.Preparing a mixture by mixing graphene oxide nanosheets, a carbon source, and pyrolytic polymer particles;
Producing fiber by electrospinning the mixture;
Carbonizing the fiber;
etching the carbonized fiber; and
Loading selenium into the etched fiber;
Method for producing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries comprising.
상기 혼합물을 제조하는 단계 이전에,
상기 그래핀 옥사이드 나노시트를 분산시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조 방법.In clause 7,
Before preparing the mixture,
A method of producing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries, characterized in that it further comprises the step of dispersing the graphene oxide nanosheets.
상기 탄소 소스는 sucrose, dextrin, citric acid, ethylen glycol, poly ethylen glycol, PVP(Polyvinylpyrrolidone), PEDOT(Polyethylenedioxythiophene), PAN(Polyacrylonitrile), PAA(polyacrylic acid), PVA(polyvinylalcohol), PMMA(polymethyl methacrylate), PVDF( polyvinylidene fluoride), PVac(polyvinylacetate), PS(polystyrene), PVC(polyvinylchloride), PEI(polyetherimide), PBI(polybenzimidasol), PEO(polyethyleneoxide), PCL(poly e-caprolactone), PA-6(polyamide-6), PTT(polytrimethylenetetraphthalate), PDLA(poly D,L-lactic acid), polycarbonate, polydioxanone, polyglicolide 및 dextran으로 이루어진 군에서선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조 방법.In clause 7,
The carbon source includes sucrose, dextrin, citric acid, ethylen glycol, poly ethylen glycol, PVP (Polyvinylpyrrolidone), PEDOT (Polyethylenedioxythiophene), PAN (Polyacrylonitrile), PAA (polyacrylic acid), PVA (polyvinylalcohol), PMMA (polymethyl methacrylate), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVac (polyvinylacetate), PS (polystyrene), PVC (polyvinylchloride), PEI (polyetherimide), PBI (polybenzimidasol), PEO (polyethyleneoxide), PCL (poly e-caprolactone), PA-6 (polyamide- 6), Manufacturing of nanofibers for lithium-selenium secondary batteries, characterized in that they contain at least one selected from the group consisting of PTT (polytrimethylenetetraphthalate), PDLA (poly D,L-lactic acid), polycarbonate, polydioxanone, polyglicolide, and dextran. method.
상기 열분해성 고분자 입자는 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조 방법.In clause 7,
The thermally decomposable polymer particles include polystyrene, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polycarbonate, polyester, polyetherimide, polyethylene, polyethylene oxide, polyurethane, and polyvinyl chloride. A method for producing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries, comprising at least one selected from the group consisting of:
상기 에칭하는 단계 이전에, 수산화칼륨과 혼합하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-셀레늄 이차전지용 나노파이버의 제조 방법.In clause 7,
A method of producing nanofibers for lithium-selenium secondary batteries, characterized in that it further comprises the step of mixing with potassium hydroxide before the etching step.
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