WO2024091030A1 - 탄소나노튜브 및 이를 포함하는 분산액 - Google Patents

탄소나노튜브 및 이를 포함하는 분산액 Download PDF

Info

Publication number
WO2024091030A1
WO2024091030A1 PCT/KR2023/016771 KR2023016771W WO2024091030A1 WO 2024091030 A1 WO2024091030 A1 WO 2024091030A1 KR 2023016771 W KR2023016771 W KR 2023016771W WO 2024091030 A1 WO2024091030 A1 WO 2024091030A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carbon nanotubes
dispersion
carbon nanotube
carbon
present
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/016771
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김성진
오유진
김옥신
김민영
김세현
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to CN202380022799.1A priority Critical patent/CN118715175A/zh
Publication of WO2024091030A1 publication Critical patent/WO2024091030A1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/168—After-treatment
    • C01B32/174—Derivatisation; Solubilisation; Dispersion in solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
    • C01B2202/22—Electronic properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
    • C01B2202/28—Solid content in solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
    • C01B2202/32—Specific surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to carbon nanotubes having low viscosity and low slurry powder resistance when preparing a dispersion, and a dispersion containing the carbon nanotubes.
  • carbon nanomaterials include Fullerene, Carbon Nanotube (CNT), Graphene, and Graphite Nano Plate.
  • CNT Carbon Nanotube
  • Graphene Graphene
  • Graphite Nano Plate Graphite Nano Plate
  • carbon nanotubes are 1. It is a macromolecule with a hexagonal honeycomb-shaped graphite surface, in which two carbon atoms are bonded to three other carbon atoms, and is rounded to a nano-sized diameter.
  • Carbon nanotubes are hollow and light, have electrical conductivity as good as copper, thermal conductivity as good as diamond, and tensile strength as good as steel. Depending on the rolled shape, they are classified into Single-Walled Carbon Nanotube (SWCNT), Multi-Walled Carbon Nanotube (MWCNT), and Rope Carbon Nanotube.
  • SWCNT Single-Walled Carbon Nanotube
  • MWCNT Multi-Walled Carbon Nanotube
  • Rope Carbon Nanotube Rope Carbon Nanotube.
  • lithium secondary batteries Recently, the area where the most active research is being conducted on the uses of carbon nanotubes is in the field of lithium secondary batteries.
  • the ultimate goal of lithium secondary batteries is to store more electrical energy in a smaller size, and one of the methods to improve the electrode density of lithium secondary batteries to manufacture electrodes with higher energy density per unit volume is carbon nanotechnology.
  • Methods of applying tubes as conductive materials are being studied.
  • high-density electrodes are formed by molding electrode active material particles with a size of several ⁇ m to tens of ⁇ m by high-pressure press, so the particles are deformed during the molding process, the space between particles is reduced, and electrolyte permeability is reduced. easy.
  • materials with excellent electrical conductivity and strength are used as conductive materials when manufacturing electrodes.
  • Carbon nanotubes are also widely used as conductive materials because they have excellent strength and electrical conductivity.
  • the conductive material is dispersed between compressed electrode active materials, thereby maintaining micropores between the active material particles, facilitating penetration of the electrolyte solution, and reducing resistance within the electrode due to excellent conductivity.
  • Carbon nanotubes have a problem in that they do not achieve a stable dispersion in an aqueous solution due to strong van der Waals attraction between them and agglomeration occurs. If the carbon nanotubes aggregate in the dispersion, the processability of the dispersion deteriorates and the dispersion cannot be uniformly applied. Therefore, it is preferable to apply the dispersion with the viscosity of the dispersion lowered to the maximum.
  • Patent Document 1 KR 10-2017-0031061 A (2017.03.20)
  • the purpose of the present invention is to provide a novel carbon nanotube that is particularly suitable for use as a conductive material due to its low viscosity when preparing the dispersion and low slurry powder resistance, and a dispersion containing the carbon nanotubes.
  • the present invention provides novel carbon nanotubes, a dispersion containing the carbon nanotubes, and a positive electrode slurry composition containing the dispersion.
  • the present invention provides carbon nanotubes characterized by satisfying the following equation 1:
  • R is the powder resistance of carbon nanotubes ( ⁇ cm)
  • A is ln ⁇ (purity of carbon nanotubes (% by weight) * specific surface area (m 2 /g)) / bulk density (kg/m 3 ) ⁇ ,
  • the specific surface area of the carbon nanotubes is 320 m 2 /g or more
  • the bulk density of the carbon nanotubes is 30 kg/m 3 or less.
  • the present invention provides the carbon nanotube according to (1) above, wherein the specific surface area of the carbon nanotube is 320 to 500 m 2 /g.
  • the present invention provides the carbon nanotube according to (1) or (2) above, wherein the carbon nanotube has a bulk density of 15 to 30 kg/m 3 .
  • the present invention provides the carbon nanotube according to any one of (1) to (3) above, wherein R is 0.0125 ⁇ cm or less.
  • the present invention provides the carbon nanotube according to any one of (1) to (4) above, wherein R is 0.0080 to 0.0125 ⁇ cm.
  • the present invention provides a carbon nanotube dispersion containing the carbon nanotubes and a dispersion medium according to any one of (1) to (5) above.
  • the present invention provides a carbon nanotube dispersion according to (6) above, wherein the dispersion medium is at least one selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone, pyridine, dimethylaminobenzene, and diethylaminobenzene.
  • the present invention provides the carbon nanotube dispersion according to (6) or (7) above, wherein the carbon nanotube content in the dispersion is 0.05 to 5% by weight.
  • the present invention provides a positive electrode slurry composition containing a carbon nanotube dispersion, a positive electrode material, and a stabilizer according to any one of (6) to (8) above.
  • the present invention provides the positive electrode slurry composition according to (9) above, wherein the stabilizer is contained in an amount of 10 to 100% by weight based on the content of carbon nanotubes in the positive electrode slurry composition.
  • the carbon nanotubes of the present invention have a low viscosity when preparing a dispersion, allowing the carbon nanotube content in the dispersion to be above a certain level, and have low slurry powder resistance, making them particularly suitable for use as a conductive material.
  • the term 'carbon nanotube' used in the present invention is a secondary structure formed by completely or partially gathering carbon nanotube units to form a bundle, and the carbon nanotube units have graphite sheets of nano size. It has a cylindrical shape and an sp2 bond structure. At this time, the characteristics of a conductor or semiconductor can be displayed depending on the angle and structure at which the graphite surface is rolled.
  • the carbon nanotube unit is divided into single-walled carbon nanotube (SWCNT, single-walled carbon nanotube), double-walled carbon nanotube (DWCNT, double-walled carbon nanotube), and multi-walled carbon nanotube (MWCNT). , multi-walled carbon nanotube), and the thinner the wall thickness, the lower the resistance.
  • the carbon nanotubes of the present invention may include one or more of single-walled, double-walled, and multi-walled carbon nanotube units.
  • the present invention provides carbon nanotubes characterized by satisfying the following equation 1:
  • R is the powder resistance of carbon nanotubes ( ⁇ cm)
  • A is ln ⁇ (purity of carbon nanotubes (% by weight) * specific surface area (m 2 /g)) / bulk density (kg/m 3 ) ⁇ ,
  • the specific surface area of the carbon nanotubes is 320 m 2 /g or more
  • the bulk density of the carbon nanotubes is 30 kg/m 3 or less.
  • the inventor of the present invention studied the physical properties of carbon nanotubes, which enable both viscosity characteristics and conductivity characteristics to be maintained at an excellent level when preparing a dispersion, and as a result, the powder resistance, purity, specific surface area, and bulk density of carbon nanotubes were determined by the formula above. 1 is satisfied, and when the specific surface area of the carbon nanotube is 320 m 2 /g or more and the bulk density is 30 kg/m 3 or less, it is confirmed that both the dispersibility and electrical conductivity of the carbon nanotube can be maintained excellently. , completed the present invention.
  • Equation 1 means that there is a correlation between the powder resistance of carbon nanotubes, purity, specific surface area, and bulk density. Equation 1 above was derived based on various data, and it can be confirmed that carbon nanotubes that satisfy Equation 1 have excellent dispersibility and electrical conductivity at the same time.
  • Equation 1 each have different units, but in the present invention, the units of each value are ignored and each value is assumed to be a dimensionless number. However, since each value may vary depending on the units of powder resistance, purity, specific surface area, and bulk density of carbon nanotubes, which are variables of each value, when applying Equation 1 above, the units of each variable are fixed as follows.
  • the specific surface area of the carbon nanotubes may be 320 m 2 /g or more, preferably 320 to 500 m 2 /g. If carbon nanotubes are defined only by Equation 1 above without limiting the range of the specific surface area value of carbon nanotubes, a substantially infinite number of carbon nanotubes can satisfy Equation 1, and within that range, the dispersibility and dispersibility desired by the present invention can be achieved. In addition to carbon nanotubes having excellent electrical conductivity, carbon nanotubes having poor dispersibility and/or electrical conductivity may be included. Therefore, the carbon nanotubes of the present invention must satisfy Equation 1 above and have a specific surface area within the range described above. Meanwhile, the specific surface area may be measured according to the BET method, and more specifically, it may be calculated by determining the amount of nitrogen gas adsorption under liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mini II of BEL Japan. .
  • the carbon nanotubes of the present invention may have a bulk density of 30 kg/m 3 or less, preferably 15 to 30 kg/m 3 .
  • the bulk density of carbon nanotubes when the bulk density of carbon nanotubes is within the above-mentioned range, the dispersibility and electrical conductivity of carbon nanotubes are particularly excellent, and even with a low carbon nanotube content when preparing the dispersion. It can provide sufficient electrical conductivity.
  • the bulk density can be calculated by measuring the weight of carbon nanotubes contained in a container in free fall using a 25ml SUS measuring cup and dividing the measured weight by the volume of the container.
  • R which is the powder resistance of the carbon nanotubes of the present invention
  • R may be 0.0125 ⁇ cm or less, and particularly preferably 0.0080 to 0.0125 ⁇ cm.
  • the electrical conductivity may be particularly excellent.
  • the powder resistance may be measured by measuring the resistance according to pressure when the compressed density is 1g/cc using Nittoseiko Analytech's MCP-PD51 equipment.
  • the carbon nanotubes of the present invention may have a purity of 80% by weight or more, and particularly preferably 83% by weight or more.
  • the purity refers to the content of carbon nanotubes remaining after the impurities in the carbon nanotubes are removed, and can be calculated using the following formula.
  • the present invention provides a dispersion containing the carbon nanotubes described above. More specifically, the present invention provides a carbon nanotube dispersion containing the above carbon nanotubes and a dispersion medium.
  • the dispersion medium may be one or more selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone, pyridine, dimethylaminobenzene, and diethylaminobenzene, and preferably N-methylpyrrolidonyl.
  • the carbon nanotubes can be smoothly dispersed, and only the dispersion medium can be easily and selectively removed during the subsequent application and firing process of the dispersion.
  • the carbon nanotube content in the dispersion may be 0.05 to 5% by weight, preferably 0.5 to 3% by weight. If the carbon nanotube content in the dispersion is lower than the above-mentioned range, sufficient electrical conductivity cannot be achieved, and if the carbon nanotube content is higher than the above-mentioned range, agglomeration of excessively added carbon nanotubes occurs, causing an increase in viscosity. , As a result, the processability of the dispersion itself may be greatly reduced.
  • the dispersion includes carboxymethylcellulose (CMC), hydroxyethylcellulose, pectin, alginic acid, guar gum, locust bean gum, gum arabic, dextrin, altose, sorbitol, lactose, polysaccharides and monosaccharides such as rice starch and sucrose; sodium cholate, gelatin, and polyvinyl alcohol; Anionic surfactants such as naphthalene sulfonic acid-formaldehyde condensate and alkyl benzenesulfonate, cationic surfactants, nonionic surfactants, polyether-modified silicone surfactants, and Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber (HNBR) ) etc.
  • CMC carboxymethylcellulose
  • HNBR Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber
  • the dispersant may be HNBR.
  • the dispersant may be included in an amount of 0.1 to 5% by weight, preferably 0.3 to 3% by weight, based on the total weight of the dispersion. Within the above content range, the viscosity of the dispersion may be low and the viscosity stability may be excellent.
  • the carbon nanotube dispersion provided by the present invention has excellent electrical conductivity and can be used as a conductive material in a positive electrode slurry composition. Accordingly, the present invention provides a positive electrode slurry composition containing the dispersion.
  • the present invention includes a positive electrode slurry composition including the carbon nanotube dispersion, a positive electrode material, and a stabilizer.
  • the dispersion liquid was the same as previously described.
  • the cathode material is not particularly limited as long as it can be used as a cathode material for a lithium secondary battery.
  • the stabilizer may be polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone (PVP), or a mixture thereof.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • the stabilizer may be included in an amount of 10 to 100% by weight, preferably 30 to 70% by weight, based on the content of carbon nanotubes in the positive electrode slurry composition. Within the above content range, stability during slurry production may be more excellent.
  • Co(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O was used as a cobalt precursor
  • NH 4 VO 3 was used as a vanadium precursor.
  • the cobalt precursor and vanadium precursor were dissolved in water, and citric acid anhydride (CA) was dissolved as a complexing agent to prepare a catalyst precursor composition. After sufficiently stirring the catalyst precursor composition, it was added to hydrotalcite as a support. Afterwards, the catalyst was dried at 190°C for 5 hours using an oven, and then calcined for 4 hours at a specific calcination temperature and in the air to complete the catalyst.
  • CA citric acid anhydride
  • Carbon nanotubes were synthesized using the catalyst used in the above catalyst preparation example. Specifically, after charging 0.3 g of the prepared catalyst into the fixed bed reactor, nitrogen gas was injected into the fixed bed reactor at 1600 sccm, and the temperature inside the reactor was heated to the reaction temperature. Afterwards, ethylene gas, a carbon source gas, was injected at 400 sccm and the reaction was continued for 90 minutes to synthesize carbon nanotubes.
  • the catalysts and reaction temperature conditions used in each example and comparative example are summarized in Table 2 below.
  • Powder resistance Resistance according to pressure was measured at a compressed density of 1g/cc using Nittoseiko Analytech's MCP-PD51 equipment.
  • Example 1-1 83.17 417 22.4 0.0110 O
  • Example 1-2 90.79 422 16.8 0.0095 O
  • Example 1-3 93.6 415 17.2 0.0097 O
  • Example 1-4 94.1 406 19.3 0.0100 O
  • Examples 1-5 96.3 325 24.0 0.0110 O
  • Comparative Example 1-1 96.3 287 28.4 0.0121 O
  • Comparative Example 1-2 96.3 240 33.0 0.0135
  • Example 2-1 96.3 415 12.9 0.0090 O
  • Example 2-2 94.1 350 21.2 0.0115 O Comparative Example 2-1 94.3 280 20.1 0.0125 O
  • Example 3-1 90.1 391 23.3 0.0115 O
  • Example 3-2 89.7 393 23.1 0.0116 O Comparative Example 3-1 85.5 368 32.1 0.0144 O Comparative Example 3-2 80.0 350 38.7 0.0180 X
  • Example 4-1 91.5 321 26.7 0.0125 O
  • Example 4 91.5 321 26.7 0.0125 O
  • Example 4 91.5 3
  • the carbon nanotubes according to the embodiment of the present invention satisfy Equation 1. Meanwhile, the carbon nanotubes according to Comparative Examples 1-1, 1-2 and 2-1 satisfy Equation 1, but do not satisfy the specific surface area range required by the present invention, and the carbon nanotubes according to Comparative Example 3-1 satisfies Equation 1, but does not satisfy the bulk density range required by the present invention, and the carbon nanotube according to Comparative Example 3-2 does not satisfy Equation 1.
  • a dispersion was prepared using the carbon nanotubes prepared in the above examples and comparative examples. 1.0 g of the prepared carbon nanotubes and 0.6 g of the dispersant HNBR were added to 98.4 g of the dispersion medium N-methylpyrrolidone. Afterwards, a dispersion was prepared under 1500 bar and 3 pass conditions using a high pressure homogenizer. The prepared dispersion was mixed with the cathode material so that the carbon nanotube content was 0.5% by weight, and PVDF, a stabilizer, was additionally added at 60% by weight based on the carbon nanotube content to prepare a slurry, which was dried in an oven at 130°C. The dispersion medium was removed, powder was obtained, and powder resistance was measured.
  • the viscosity and slurry powder resistance of the prepared dispersion were measured by the following methods.
  • Viscosity The viscosity of the dispersion was measured at room temperature using Brookfield's DV2T equipment.
  • Slurry powder resistance Resistance according to pressure was measured at a compressed density of 2.5 g/cc using Nittoseiko Analytech's MCP-PD51 equipment.
  • the powder resistance during slurry production is significantly higher than that of the examples, and from this, the corresponding carbon nanotubes It can be confirmed that the suitability for use as a conductive material is poor.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 특정 식을 만족하는 탄소나노튜브에 관한 것으로, 본 발명의 탄소나노튜브는 분산액 적용 시 분산성과 전기전도성이 동시에 우수하여, 이차전지의 도전재 용도로 사용되기에 특히 적합하다.

Description

탄소나노튜브 및 이를 포함하는 분산액
관련 출원과의 상호 인용
본 출원은 2022년 10월 28일자 한국 특허 출원 제 10-2022-0141851호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 분산액 제조 시 점도가 낮고, 슬러리 분체 저항이 낮은 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브를 포함하는 분산액에 관한 것이다.
탄소나노소재는 소재의 모양에 따라 퓰러렌(Fullerene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 그래핀(Graphene), 흑연 나노 플레이트(Graphite Nano Plate) 등이 있으며, 이 중 탄소나노튜브는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 흑연 면이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 거대 분자이다.
탄소나노튜브는 속이 비어 있어 가볍고 전기 전도도는 구리만큼 좋으며, 열전도도는 다이아몬드만큼 우수하고 인장력은 철강에 못지 않다. 말려진 형태에 따라서 단층벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube; SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube; MWCNT), 다발형 탄소나노튜브(Rope Carbon Nanotube)로 구분되기도 한다.
최근 탄소나노튜브의 쓰임새에 대해 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 영역은 리튬 이차전지 분야이다. 더 작은 크기로, 더 많은 전기 에너지를 저장하는 것이 리튬 이차전지의 최종적인 목표이며, 리튬 이차전지의 전극 밀도를 향상시켜 단위 체적 당 에너지 밀도가 더 높은 전극을 제조하기 위한 방법 중 하나로, 탄소나노튜브를 도전재로 적용하는 방법이 연구되고 있다. 일반적으로, 고밀도 전극은 수 ㎛ 내지 수십 ㎛의 크기를 갖는 전극 활물질 입자를 고압 프레스에 의해 성형하여 형성되므로, 성형 과정 중 입자들이 변형되고, 입자들 사이에 공간이 감소되며, 전해액 침투성이 저하되기 쉽다. 이 같은 문제를 해결하기 위해, 전극 제조시 우수한 전기전도성과 함께 강도를 갖는 물질을 도전재로 사용하고 있으며, 탄소나노튜브 역시 강도 및 전기전도성이 우수하기에 도전재로 널리 사용되고 있다. 전극 제조시 도전재를 사용할 경우 도전재가 압축된 전극 활물질 사이에 분산됨으로써 활물질 입자들 사이에 미세기공을 유지하여 전해액의 침투가 용이하며, 또 우수한 전도성으로 전극내 저항을 감소시킬 수 있다.
다만 탄소나노튜브를 도전재로 사용함에 있어서, 가장 문제되는 부분은 탄소나노튜브 자체의 낮은 용해성과 분산성이다. 탄소나노튜브는 서로 간의 강한 반데르발스 인력에 의해 수용액 상에서 안정적인 분산 상태를 이루지 못하고 응집 현상이 일어나는 문제가 있다. 분산액 내에서 탄소나노튜브가 응집되게 되면, 분산액의 가공성이 떨어져 분산액을 균일하게 도포하지 못하기에, 분산액의 점도를 최대로 낮춘 상태에서 분산액을 도포하는 것이 바람직하다.
탄소나노튜브 분산액의 떨어지는 분산성을 개선하기 위한 방법으로, 다양한 방법들이 알려져 있다. 일 예로, 초음파 처리 등의 기계적 분산 처리를 통해 탄소 나노튜브를 분산매 중에 분산시키는 방법이 제안된 바 있다. 그러나, 이 방법의 경우 초음파를 조사하고 있는 동안은 분산성이 우수하지만, 초음파 조사가 종료되면 즉시 탄소나노튜브의 응집이 시작되며, 탄소나노튜브의 농도가 어느 수준 이상으로 높은 경우에도 역시 탄소나노튜브가 금방 응집해 버리는 문제가 있다. 또, 다양한 분산제를 이용하여 탄소나노튜브를 분산 안정화하는 방법이 제안되고 있으나, 이들 방법 역시 탄소나노튜브를 분산매 중에 고농도로 분산시킬 경우 발생할 수 있는 점도 상승을 억제하기 어렵다는 문제를 갖고 있다.
따라서, 초음파 처리와 같은 기계적 분산 처리나, 분산제 사용과 같은 보조적인 수단이 아닌, 탄소나노튜브 자체의 물성을 개선하여 분산성을 더욱 개선할 수 있는 신규한 탄소나노튜브의 제조가 필요하다.
선행기술문헌
(특허문헌 1) KR 10-2017-0031061 A (2017.03.20)
본 발명의 목적은 분산액 제조 시 점도가 낮으면서도, 슬러리 분체 저항이 낮아 도전재로 사용되기에 특히 적합한 신규한 탄소나노튜브 및 상기 탄소나노튜브를 포함하는 분산액을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 신규한 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브를 포함하는 분산액, 상기 분산액을 포함하는 양극 슬러리 조성물을 제공한다.
(1) 구체적으로, 본 발명은 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 제공한다:
[식 1]
-0.004 * A + 0.0385 ≤ R ≤ -0.004 * A + 0.0425
상기 식 1에서,
R은 탄소나노튜브의 분체 저항(Ω·cm)이고,
A는 ln{(탄소나노튜브의 순도(중량%) * 비표면적(m2/g)) / 벌크 밀도(kg/m3)}이며,
상기 탄소나노튜브의 비표면적은 320m2/g 이상이고,
상기 탄소나노튜브의 벌크 밀도는 30kg/m3 이하이다.
(2) 본 발명은 상기 (1)에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 비표면적은 320 내지 500m2/g인 탄소나노튜브를 제공한다.
(3) 본 발명은 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 벌크 밀도는 15 내지 30kg/m3인 탄소나노튜브을 제공한다.
(4) 본 발명은 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 R은 0.0125 Ω·cm 이하인 탄소나노튜브를 제공한다.
(5) 본 발명은 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 R은 0.0080 내지 0.0125 Ω·cm 인 탄소나노튜브를 제공한다.
(6) 본 발명은 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 따른 탄소나노튜브 및 분산매를 포함하는 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.
(7) 본 발명은 상기 (6)에 있어서, 상기 분산매는 N-메틸피롤리돈, 피리딘, 디메틸아미노벤젠 및 디에틸아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.
(8) 본 발명은 상기 (6) 또는 (7)에 있어서, 상기 분산액 내 탄소나노튜브 함량은 0.05 내지 5 중량%인 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.
(9) 본 발명은 상기 (6) 내지 (8) 중 어느 하나에 따른 탄소나노튜브 분산액, 양극재 및 안정제를 포함하는 양극 슬러리 조성물를 제공한다.
(10) 본 발명은 상기 (9)에 있어서, 상기 안정제는 양극 슬러리 조성물 내 탄소나노튜브의 함량을 기준으로 10 내지 100 중량%로 포함되는 것인 양극 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명의 탄소나노튜브는 분산액 제조 시의 점도가 낮아, 분산액 상태에서의 탄소나노튜브 함량을 일정 수준 이상으로 할 수 있으면서도, 슬러리 분체 저항 역시 낮아 도전재로 사용되기에 특히 적합하다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 사용하는 용어 '탄소나노튜브'는 탄소나노튜브의 단위체가 전체 또는 부분적으로 번들형을 이루도록 집합되어 형성된 2차 구조물로서, 상기 탄소나노튜브의 단위체는 흑연면(graphite sheet)이 나노 크기 직경의 실린더 형태를 가지며, sp2 결합 구조를 갖는다. 이때 상기 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 나타낼 수 있다. 탄소나노튜브의 단위체는 벽을 이루고 있는 결합수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube)로 분류될 수 있으며, 벽 두께가 얇을수록 저항이 낮다.
본 발명의 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 및 다중벽의 탄소나노튜브 단위체 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
탄소나노튜브
본 발명은 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 제공한다:
[식 1]
-0.004 * A + 0.0385 ≤ R ≤ -0.004 * A + 0.0425
상기 식 1에서,
R은 탄소나노튜브의 분체 저항(Ω·cm)이고,
A는 ln{(탄소나노튜브의 순도(중량%) * 비표면적(m2/g)) / 벌크 밀도(kg/m3)}이며,
상기 탄소나노튜브의 비표면적은 320m2/g 이상이고,
상기 탄소나노튜브의 벌크 밀도는 30kg/m3 이하이다.
본 발명의 발명자는 분산액 제조 시 점도 특성과 전도성 특성을 모두 우수한 수준에서 유지할 수 있도록 하는 탄소나노튜브의 물성에 대해 연구한 결과, 탄소나노튜브의 분체 저항, 순도, 비표면적 및 벌크 밀도가 상기 식 1을 만족하고, 탄소나노튜브의 비표면적이 320m2/g 이상이면서, 벌크 밀도가 30kg/m3 이하인 경우, 해당 탄소나노튜브의 분산성과 전기전도성이 모두 우수하게 유지될 수 있다는 점을 확인하여, 본 발명을 완성하였다.
보다 구체적으로, 탄소나노튜브 제조에 사용되는 촉매의 제조 조건, 구체적으로는 활성 성분 함량이나, 조촉매 성분에 대한 주촉매 성분의 비율, 전구체 용액 내 유기산의 함량, 소성 온도 등을 변화시킬 경우, 해당 촉매로부터 제조되는 탄소나노튜브의 물성 역시 변화한다. 따라서, 촉매 제조 조건을 변화시킴으로써 서로 다른 물성을 갖는 다양한 탄소나노튜브를 합성할 수 있다. 나아가, 합성된 다양한 탄소나노튜브의 분산성 및 전기전도성과 물리적 특성 사이의 상관 관계를 다양한 방법으로 확인한 결과, 상기의 식 1을 만족하는 탄소나노튜브에서 분산성과 전기전도성이 동시에 우수하다는 특징이 발견된다.
보다 구체적으로, 상기 식 1은 탄소나노튜브의 분체 저항과, 순도, 비표면적 및 벌크 밀도 사이에 상관 관계가 있음을 의미한다. 상기 식 1은 다양한 데이터들을 바탕으로 도출된 것이며, 상기 식 1을 만족하는 탄소나노튜브에서 분산성 및 전기 전도성이 동시에 우수하다는 특징이 확인될 수 있다.
상기 식 1에서의 A 값과 R 값은 각각 서로 다른 단위를 갖는 값이나, 본 발명에서는 각 값의 단위를 무시하고 각 값을 무차원수로 가정한다. 다만, 각 값의 변수인 탄소나노튜브의 분체 저항, 순도, 비표면적 및 벌크 밀도의 단위에 따라 각 값이 달라질 수 있기에, 상기 식 1을 적용함에 있어 각 변수의 단위는 아래와 같이 고정한다.
탄소나노튜브의 분체저항(R) 단위: Ω·cm
탄소나노튜브의 순도 단위: 중량%
탄소나노튜브의 비표면적 단위: m2/g
탄소나노튜브의 벌크 밀도 단위: kg/m3
한편, 본 발명이 제공하는 탄소나노튜브에 있어서, 탄소나노튜브의 비표면적은 320m2/g 이상, 바람직하게는 320 내지 500m2/g일 수 있다. 탄소나노튜브의 비표면적 값에 대한 범위 한정 없이, 상기 식 1 만으로 탄소나노튜브를 정의하게 되면, 실질적으로 무한한 탄소나노튜브가 상기 식 1을 만족할 수 있고, 그 범위에는 본 발명이 목적하는 분산성과 전기전도성이 동시에 우수한 탄소나노튜브 뿐 아니라, 상기 분산성 및/또는 전기전도성이 우수하지 못한 탄소나노튜브가 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명의 탄소나노튜브는 상기 식 1을 만족하면서도 비표면적이 상술한 범위 내이어야 한다. 한편, 상기 비표면적은 BET 법에 따라 측정되는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 BEL Japan사 BELSORP-mini II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에 있어서의 질소가스 흡착량을 구하여 산출하는 것일 수 있다.
나아가, 본 발명의 탄소나노튜브는 그 벌크 밀도가 30kg/m3 이하, 바람직하게는 15 내지 30kg/m3인 것일 수 있다. 앞서 설명한 식 1 및 비표면적 조건을 만족함과 동시에, 탄소나노튜브의 벌크 밀도가 상술한 범위 내일 경우에는 탄소나노튜브의 분산성 및 전기전도성이 특히 우수하면서, 분산액 제조 시 낮은 탄소나노튜브 함량으로도 충분한 전기전도성을 제공할 수 있다. 한편, 상기 벌크 밀도는 25ml SUS 정량컵을 이용하여 자유낙하로 용기에 담긴 탄소나노튜브의 무게를 측정하여, 측정된 무게를 용기의 부피로 나누어 계산할 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브의 분체 저항인 상기 R은 0.0125 Ω·cm 이하일 수 있고, 특히 바람직하게는 0.0080 내지 0.0125 Ω·cm 일 수 있다. 앞서 설명한 벌크 밀도의 경우와 마찬가지로, 앞서 설명한 식 1 및 비표면적 조건을 만족함과 동시에, 탄소나노튜브의 분체 저항이 상술한 범위 내일 경우에는 전기전도성 측면이 특히 우수할 수 있다. 한편 상기 분체 저항은 Nittoseiko Analytech社의 MCP-PD51 설비를 이용하여 압축 밀도 1g/cc일 때 압력에 따른 저항을 측정한 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브는 순도가 80 중량% 이상일 수 있으며, 특히 바람직하게는 83 중량% 이상일 수 있다. 상기 순도는 탄소나노튜브 내 불순물이 제거되고 남은 탄소나노튜브의 함량을 의미하며, 하기 식을 통해 계산될 수 있다.
순도 = (탄소나노튜브 수득량 - 촉매 투입량) / 탄소나노튜브 수득량 * 100%
탄소나노튜브 분산액
본 발명은 앞서 설명한 탄소나노튜브를 포함한 분산액을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 상기의 탄소나노튜브 및 분산매를 포함하는 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.
본 발명의 탄소나노튜브 분산액에 있어서, 상기 분산매는 N-메틸피롤리돈, 피리딘, 디메틸아미노벤젠 및 디에틸아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있으며, 바람직하게는 N-메틸피롤리돈일 수 있다, 분산매로 상기에서 나열한 것들을 사용할 경우, 탄소나노튜브가 원활하게 분산될 수 있으면서도, 이후 분산액의 도포 및 소성 과정에서 쉽게 분산매만 선택적으로 제거될 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 분산액에 있어서, 상기 분산액 내 탄소나노튜브 함량은 0.05 내지 5 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%일 수 있다. 분산액 내 탄소나노튜브 함량이 상술한 범위보다 낮은 경우에는 충분한 전기전도성을 구현할 수 없고, 탄소나노튜브 함량이 상술한 범위보다 높은 경우에는 과도하게 투입된 탄소나노튜브의 응집 현상이 발생하여 점도가 증가하고, 이에 따라 분산액 자체의 가공성이 크게 떨어질 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 분산액에 있어서, 상기 분산액은 카르복실메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시에틸셀룰로오스, 펙틴, 알긴산, 구아검, 로쿠스트빈검, 아라비아검, 덱스트린, 알토스, 소르비트, 락토스, 미 전분 및 수크로스 등의 다당류 및 단당류; 나트륨 콜레이트, 젤라틴 및 폴리비닐 알코올; 나프탈렌 술폰산-포름알데히드 축합체 및 알킬 벤젠술포네이트 등의 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 폴리에테르-변성 실리콘 계면활성제 및 하이드로제네이티드 니트릴부타디엔 고무(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber, HNBR) 등을 분산제로 포함할 수 있다. 특히 바람직하게, 상기 분산제는 HNBR일 수 있다. 상기 분산제는 분산액 총 중량을 기준으로 하여, 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위 내에서 분산액의 점도가 낮고 점도 안정성이 우수할 수 있다.
양극 슬러리 조성물
본 발명이 제공하는 상기 탄소나노튜브 분산액은 우수한 전기 전도성을 가지는 바, 양극 슬러리 조성물의 도전재로 사용될 수 있으며, 이에 따라 본 발명은 상기 분산액을 포함하는 양극 슬러리 조성물을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 분산액, 양극재 및 안정제를 포함하는 양극 슬러리 조성물을 포함한다. 상기 분산액은 앞서 설명한 것과 같다.
상기 양극재는 리튬 이차 전지의 양극재로 사용될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 공지의 양극재인 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2 (여기에서, 0＜a＜1, 0＜b＜1, 0＜c＜1, a+b+c=1), LiNi1-YCoYO2, LiCo1-YMnYO2, LiNi1-YMnYO2 (여기에서, 0≤Y＜1), Li(NiaCobMnc)O4 (0＜a＜2, 0＜b＜2, 0＜c＜2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4 (여기에서, 0＜Z＜2)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 상기 양극재로 사용할 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 양극 슬러리 조성물에 있어서, 상기 안정제는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 안정제는 양극 슬러리 조성물 내 탄소나노튜브의 함량을 기준으로 10 내지 100 중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 70 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위 내에서 슬러리 제조 시의 안정성이 더욱 우수할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 실험예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
촉매 제조예
코발트 전구체로 Co(NO3)2·6H2O, 바나듐 전구체로 NH4VO3를 사용하였다. 물에 상기 코발트 전구체와 바나듐 전구체를 용해시켰으며, 착화제로 함께 시트르산 무수화물(CA)을 용해시켜 촉매 전구체 조성물을 제조하였다. 상기 촉매 전구체 조성물을 충분히 교반하여 준 뒤, 이를 담지체인 하이드로탈사이트에 투입하였다. 그 후 오븐을 사용하여 190℃에서 5시간 동안 건조시킨 후, 특정 소성 온도 및 대기 중에서 4시간 동안 소성하여 촉매를 완성하였다. 상기 과정에서, 투입된 바나듐의 양은 코발트 1 몰 대비 0.3 몰 비가 되도록 하였으며, 시트르산 무수화물은 코발트 1 몰 대비 0.13 몰 비가 되도록 하였다. 상기 과정에서, 촉매 전구체 조성물 내 코발트 함량, 바나듐에 대한 코발트의 비율, 바나듐에 대한 시트르산 무수화물의 비율, 소성 온도 등을 달리하여, 다양한 촉매를 제조하였으며, 각 제조예에서의 촉매 제조 조건을 하기 표 1로 정리하였다.
조성물 내 코발트 함량(중량%) Co/V(몰 비) Ca/V(몰 비) 소성온도(℃)
촉매 제조예 1 5.0 3.33 0.44 300
촉매 제조예 2 5.5 3.33 0.44 300
촉매 제조예 3 6.0 3.33 0.44 300
촉매 제조예 4 6.5 3.33 0.44 300
촉매 제조예 5 8.5 3.33 0.44 300
촉매 제조예 6 11.0 3.33 0.44 300
촉매 제조예 7 14.0 3.33 0.44 300
촉매 제조예 8 6.0 3.33 0.44 250
촉매 제조예 9 6.0 3.33 0.44 400
촉매 제조예 10 6.0 3.33 0.44 500
촉매 제조예 11 6.0 3.33 0.31 300
촉매 제조예 12 6.0 3.33 0.43 300
촉매 제조예 13 6.0 3.33 0.65 300
촉매 제조예 14 6.0 3.33 0.87 300
촉매 제조예 15 6.0 1.00 0.44 300
촉매 제조예 16 6.0 1.70 0.44 300
촉매 제조예 17 6.0 2.50 0.44 300
촉매 제조예 18 6.0 2.90 0.44 300
촉매 제조예 19 6.0 4.90 0.44 300
촉매 제조예 20 6.0 10.00 0.44 300
실시예 및 비교예
상기 촉매 제조예에서 사용된 촉매를 사용하여 탄소나노튜브를 합성하였다. 구체적으로, 제조된 촉매 0.3g을 고정층 반응기에 충전한 후, 고정층 반응기 내부로 질소 가스를 1600 sccm으로 주입하고, 반응기 내부 온도를 반응 온도까지 가열하였다. 이후 탄소원 가스인 에틸렌 가스를 400 sccm 으로 주입하여 90분 간 반응을 지속하여 탄소나노튜브를 합성하였다. 각 실시예 및 비교예에서 사용된 촉매와 반응 온도 조건을 하기 표 2로 정리하였다.
촉매 반응 온도(℃)
실시예 1-1 촉매 제조예 1 670
실시예 1-2 촉매 제조예 2 670
실시예 1-3 촉매 제조예 3 670
실시예 1-4 촉매 제조예 4 670
실시예 1-5 촉매 제조예 5 670
비교예 1-1 촉매 제조예 6 670
비교예 1-2 촉매 제조예 7 670
실시예 2-1 촉매 제조예 8 670
실시예 2-2 촉매 제조예 9 670
비교예 2-1 촉매 제조예 10 670
실시예 3-1 촉매 제조예 11 670
실시예 3-2 촉매 제조예 12 670
비교예 3-1 촉매 제조예 13 670
비교예 3-2 촉매 제조예 14 670
실시예 4-1 촉매 제조예 15 670
실시예 4-2 촉매 제조예 16 670
실시예 4-3 촉매 제조예 17 670
실시예 4-4 촉매 제조예 18 670
실시예 4-5 촉매 제조예 19 670
실시예 4-6 촉매 제조예 20 670
실시예 5-1 촉매 제조예 3 640
실시예 5-2 촉매 제조예 3 610
실험예 1. 제조된 탄소나노튜브의 식 1 만족 여부 확인
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 탄소나노튜브의 순도, 비표면적, 벌크 밀도 및 분체 저항을 측정하였으며, 식 1의 만족 여부를 확인하였다. 각 물성은 아래의 방법으로 측정하였다.
1) 순도: (탄소나노튜브 수득량 - 촉매 투입량) / 탄소나노튜브 수득량 * 100%
2) 비표면적: BEL Japan사 BELSORP-mini II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에 있어서의 질소가스 흡착량을 구하여 산출하였다.
3) 벌크 밀도: 25ml SUS 정량컵을 이용하여 자유낙하로 용기에 담긴 탄소나노튜브의 무게를 측정하여, 측정된 무게를 용기의 부피로 나누어 계산하였다.
4) 분체 저항: Nittoseiko Analytech社의 MCP-PD51 설비를 이용하여 압축 밀도 1g/cc일 때 압력에 따른 저항을 측정하였다.
측정된 결과를 하기 표 3으로 정리하였다.
순도(중량%) 비표면적(m2/g) 벌크 밀도(kg/m3) 분체 저항 (Ω·cm) 식 1 만족 여부
실시예 1-1 83.17 417 22.4 0.0110 O
실시예 1-2 90.79 422 16.8 0.0095 O
실시예 1-3 93.6 415 17.2 0.0097 O
실시예 1-4 94.1 406 19.3 0.0100 O
실시예 1-5 96.3 325 24.0 0.0110 O
비교예 1-1 96.3 287 28.4 0.0121 O
비교예 1-2 96.3 240 33.0 0.0135 O
실시예 2-1 96.3 415 12.9 0.0090 O
실시예 2-2 94.1 350 21.2 0.0115 O
비교예 2-1 94.3 280 20.1 0.0125 O
실시예 3-1 90.1 391 23.3 0.0115 O
실시예 3-2 89.7 393 23.1 0.0116 O
비교예 3-1 85.5 368 32.1 0.0144 O
비교예 3-2 80.0 350 38.7 0.0180 X
실시예 4-1 91.5 321 26.7 0.0125 O
실시예 4-2 89.1 346 22.0 0.0123 O
실시예 4-3 95.1 389 20.9 0.0105 O
실시예 4-4 94.4 404 18.7 0.0100 O
실시예 4-5 92.3 367 16.2 0.0108 O
실시예 4-6 81.5 335 22.0 0.0122 O
실시예 5-1 95.7 372 16.0 0.0089 O
실시예 5-2 95.6 361 18.0 0.0091 O
상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브는 식 1을 만족한다. 한편, 비교예 1-1, 1-2 및 2-1에 따른 탄소나노튜브는 식 1을 만족하나, 본 발명에서 요구하는 비표면적 범위를 만족하지 않으며, 비교예 3-1에 따른 탄소나노튜브는 식 1을 만족하나, 본 발명에서 요구하는 벌크 밀도 범위를 만족하지 않고, 비교예 3-2에 따른 탄소나노튜브는 식 1을 만족하지 않는다.
실험예 2. 탄소나노튜브 분산액의 점도 및 슬러리 분체 저항 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 탄소나노튜브를 이용하여 분산액을 제조하였다. 분산매 N-메틸피롤리돈 98.4g에 제조된 탄소나노튜브 1.0g 및 분산제 HNBR 0.6g을 첨가하였다. 그 후 고압 균질기를 사용하여, 1500 bar 및 3 pass 조건에서 분산액을 제조하였다. 제조한 분산액을 사용하여 탄소나노튜브 함량이 0.5 중량%가 되도록 양극재와 혼합하고, 추가적으로 안정제인 PVDF를 탄소나노튜브 함량 대비 60 중량%로 투입하여 슬러리를 제조하였다, 이를 130℃의 오븐에서 건조하여 분산매를 제거하고, 파우더를 수득하여 분체 저항을 측정하였다.
제조된 분산액의 점도 및 슬러리 분체 저항을 하기 방법으로 측정하였다.
1) 점도: Brookfield社의 DV2T 설비를 이용하여 상온에서 분산액의 점도를 측정하였다.
2) 슬러리 분체 저항: Nittoseiko Analytech社의 MCP-PD51 설비를 이용하여 압축 밀도 2.5g/cc일 때 압력에 따른 저항을 측정하였다.
측정 결과를 하기 표 4로 정리하였다.
점도(cP) 슬러리 분체 저항(mΩ·cm)
실시예 1-1 900 6.9
실시예 1-2 1050 7.3
실시예 1-3 1000 6.2
실시예 1-4 1000 7.3
실시예 1-5 650 9.2
비교예 1-1 300 16.7
비교예 1-2 250 23.2
실시예 2-1 1000 5.8
실시예 2-2 700 7.9
비교예 2-1 300 19.6
실시예 3-1 950 7.2
실시예 3-2 950 7.3
비교예 3-1 800 16.9
비교예 3-2 750 18.9
실시예 4-1 650 10.0
실시예 4-2 700 9.5
실시예 4-3 950 7.4
실시예 4-4 1000 7.0
실시예 4-5 800 7.5
실시예 4-6 650 8.6
실시예 5-1 900 6.1
실시예 5-2 850 6.3
상기 표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 사용하여 분산액 및 슬러리 제조 시, 분산액 점도가 적정 수준으로 유지되어 가공성이 뛰어나고, 슬러리 분체 저항이 낮아 도전재로 사용 시 뛰어난 성능을 낼 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 식 1을 만족하지 않거나, 적절한 비표면적 또는 벌크 밀도 범위를 만족하지 못하는 비교예의 탄소나노튜브의 경우, 모두 슬러리 제조 시 분체 저항이 실시예 대비 크게 높으며, 이로부터 해당 탄소나노튜브들은 도전재로 사용하기에 적합성이 떨어짐을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브:
    [식 1]
    -0.004 * A + 0.0385 ≤ R ≤ -0.004 * A + 0.0425
    상기 식 1에서,
    R은 탄소나노튜브의 분체 저항(Ω·cm)이고,
    A는 ln{(탄소나노튜브의 순도(중량%) * 비표면적(m2/g)) / 벌크 밀도(kg/m3)}이며,
    상기 탄소나노튜브의 비표면적은 320m2/g 이상이고,
    상기 탄소나노튜브의 벌크 밀도는 30kg/m3 이하이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 비표면적은 320 내지 500m2/g인 탄소나노튜브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 벌크 밀도는 15 내지 30kg/m3인 탄소나노튜브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 R은 0.0125Ω·cm 이하인 탄소나노튜브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 R은 0.0080 내지 0.0125Ω·cm인 탄소나노튜브.
  6. 제1항의 탄소나노튜브; 및
    분산매;를 포함하는 탄소나노튜브 분산액.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분산매는 N-메틸피롤리돈, 피리딘, 디메틸아미노벤젠 및 디에틸아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 탄소나노튜브 분산액.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 분산액 내 탄소나노튜브 함량은 0.05 내지 5 중량%인 탄소나노튜브 분산액.
  9. 제6항의 탄소나노튜브 분산액;
    양극재; 및
    안정제;를 포함하는 양극 슬러리 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 안정제는 양극 슬러리 조성물 내 탄소나노튜브의 함량을 기준으로 10 내지 100 중량%로 포함되는 것인 양극 슬러리 조성물.
PCT/KR2023/016771 2022-10-28 2023-10-26 탄소나노튜브 및 이를 포함하는 분산액 WO2024091030A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202380022799.1A CN118715175A (zh) 2022-10-28 2023-10-26 碳纳米管及含有该碳纳米管的分散体

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2022-0141851 2022-10-28
KR1020220141851A KR20240060345A (ko) 2022-10-28 2022-10-28 탄소나노튜브 및 이를 포함하는 분산액

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024091030A1 true WO2024091030A1 (ko) 2024-05-02

Family

ID=90831373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/016771 WO2024091030A1 (ko) 2022-10-28 2023-10-26 탄소나노튜브 및 이를 포함하는 분산액

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR20240060345A (ko)
CN (1) CN118715175A (ko)
WO (1) WO2024091030A1 (ko)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120021807A (ko) * 2010-08-18 2012-03-09 한화케미칼 주식회사 표면 처리된 탄소나노튜브를 사용한 고농도 탄소나노튜브 분산액의 제조
KR20160036910A (ko) * 2014-09-26 2016-04-05 주식회사 엘지화학 카본나노튜브 응집체의 제조방법
KR20170028117A (ko) * 2015-09-03 2017-03-13 한국에너지기술연구원 금속산화물-탄소나노물질 복합체 및 그 제조방법
KR20170031061A (ko) 2015-09-10 2017-03-20 주식회사 엘지화학 이차전지용 도전재 및 이를 포함하는 이차전지
CN107482182A (zh) * 2017-07-13 2017-12-15 红宝丽集团南京锂泰能源科技有限公司 碳包覆离子掺杂磷酸锰锂电极材料及其制备方法
KR20190096738A (ko) * 2018-02-09 2019-08-20 주식회사 엘지화학 도전성 혼합물, 및 상기 도전성 혼합물의 제조방법
KR20220141851A (ko) 2020-03-17 2022-10-20 애플 인크. 홈 네트워크로부터 떨어져 로밍하는 동안의 슬라이스-지원 plmn들의 개선된 선택

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120021807A (ko) * 2010-08-18 2012-03-09 한화케미칼 주식회사 표면 처리된 탄소나노튜브를 사용한 고농도 탄소나노튜브 분산액의 제조
KR20160036910A (ko) * 2014-09-26 2016-04-05 주식회사 엘지화학 카본나노튜브 응집체의 제조방법
KR20170028117A (ko) * 2015-09-03 2017-03-13 한국에너지기술연구원 금속산화물-탄소나노물질 복합체 및 그 제조방법
KR20170031061A (ko) 2015-09-10 2017-03-20 주식회사 엘지화학 이차전지용 도전재 및 이를 포함하는 이차전지
CN107482182A (zh) * 2017-07-13 2017-12-15 红宝丽集团南京锂泰能源科技有限公司 碳包覆离子掺杂磷酸锰锂电极材料及其制备方法
KR20190096738A (ko) * 2018-02-09 2019-08-20 주식회사 엘지화학 도전성 혼합물, 및 상기 도전성 혼합물의 제조방법
KR20220141851A (ko) 2020-03-17 2022-10-20 애플 인크. 홈 네트워크로부터 떨어져 로밍하는 동안의 슬라이스-지원 plmn들의 개선된 선택

Also Published As

Publication number Publication date
CN118715175A (zh) 2024-09-27
KR20240060345A (ko) 2024-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017052064A1 (ko) 탄소 나노튜브 분산액 및 이의 제조방법
WO2017043818A1 (ko) 탄소 나노튜브 분산액 및 이의 제조방법
WO2017191887A1 (ko) 습식 방사공정을 이용한 그래핀산화물/탄소나노튜브 복합섬유, 그래핀산화물/그래핀 복합섬유 또는 그래핀산화물/그래핀/탄소나노튜브 복합섬유의 제조 방법
WO2017188564A1 (ko) 전계유도 습식 방사 공정을 이용한 그래핀산화물 섬유, 그래핀 섬유, 그래핀 또는 그래핀(산화물) 복합 섬유의 제조방법
WO2017052087A1 (ko) 탄소 나노튜브 분산액 및 이의 제조방법
WO2011142575A2 (ko) 리튬 이차전지용 음극 활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2011122901A2 (ko) 폴리이미드 나노복합체 및 그 제조방법
WO2011068391A9 (ko) 나노 중공 섬유형 탄소를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체, 활물질 및 그 제조방법
WO2014109579A1 (ko) 리튬 인산철 나노분말 제조방법
WO2019066262A1 (ko) 탄소나노튜브 슬러리 조성물
WO2015008988A1 (ko) 담지촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 탄소나노구조체의 2차구조물
WO2012115340A1 (ko) 이차 전지용 음극재 및 이의 제조방법
KR101436016B1 (ko) 개질화된 탄소나노튜브를 포함하는 기계적 물성과 전기 전도성이 우수한 고분자 나노복합재 및 이의 제조방법
WO2019093660A2 (ko) 마그헤마이트의 제조방법
WO2022075565A1 (ko) 직물소재를 이용한 리튬-황 전지 양극, 이를 포함하는 리튬-황 전지 및 그 제조방법
WO2024091030A1 (ko) 탄소나노튜브 및 이를 포함하는 분산액
WO2022124799A1 (ko) 탄소나노튜브 제조용 담지촉매
KR20200021904A (ko) 도전재 분산액, 이를 이용하여 제조된 전극 및 리튬 이차전지
WO2024096397A1 (ko) 실리콘-그래핀 복합 음극재 및 그 제조방법
WO2016114467A1 (ko) 메타크릴레이트로 개질된 다중벽탄소나노튜브 제조방법
WO2020180163A1 (ko) 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브를 포함하는 전극 및 이차 전지
WO2019212161A1 (ko) 리튬-황 전지용 양극 활물질 및 그 제조방법
WO2024091032A1 (ko) 탄소나노튜브 제조용 촉매 및 이의 제조방법
WO2023136631A1 (ko) 번들형 탄소나노튜브
WO2024091033A1 (ko) 탄소나노튜브 제조용 촉매 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23883135

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023883135

Country of ref document: EP

Effective date: 20240814