KR101370868B1 - Carbonfiber by polyfurfuryl alcohol and its manufacturing method for thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 탄소섬유는 기존 음극물질인 흑연에 비해 비용량을 획기적으로 높일 수 있으며, 특히 폴리아크릴로나이트릴을 단독으로 이용한 탄소섬유에 비해 기계적 물성, 초기비가역용량 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유는 염료감응 태양전지용 상대전극으로써 매우 높은 광전환효율을 나타낸다.    The present invention provides a carbon fiber using a polyperfuryl alcohol and a method of manufacturing the same, and carbon fiber of the present invention can significantly increase the specific amount compared to graphite, which is a conventional negative electrode material, in particular polyacrylonitrile alone Compared with the carbon fiber used as the mechanical properties, the initial irreversible capacity and cycle characteristics can be improved. In addition, carbon fiber using polyperfuryl alcohol shows a very high light conversion efficiency as a counter electrode for dye-sensitized solar cells.

Description

폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유 및 그의 제조방법{Carbonfiber by polyfurfuryl alcohol and its manufacturing method for thereof}   Carbon fiber using polyperfuryl alcohol and its manufacturing method {Carbonfiber by polyfurfuryl alcohol and its manufacturing method for

본 발명은 탄소 전구체, 폴리퍼퓨릴 알콜, 및 고분자 수지 또는 금속전구체를 포함하는 섬유형 전구체 조성물을 전기방사하여 탄소섬유를 제조하고, 이를 열처리시킨 다음, 탄화하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.    The present invention provides a carbon fiber characterized in that the carbon precursor by electrospinning the fibrous precursor composition comprising a carbon precursor, polyperfuryl alcohol, and a polymer resin or metal precursor, heat treatment, and then carbonized it It is about a method.

현재 이동기기의 대용량화 및 전기자동차의 발전과 함께 고성능, 고효율 에너지 밀도를 가지는 리튬 이차전지에 대한 관심이 증가되고 있다. 리튬 이차전지의 음극으로 사용되는 물질에는 탄소계 물질 중 탄소 재료는 구조에 따라 결정질 탄소인 흑연계와 비정질 탄소인 카본계로 분류할 수 있으며, 흑연계는 천연흑연, 인조흑연, 흑연화 처리한 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead), 메조페이스 핏치계(mesophase pitch) 탄소섬유 등이 제안되고, 카본계는 여러 가지 종류의 코크스, 메조카본 마이크로비드, 메조페이스 핏치계 탄소 섬유, 기상 성장 탄소 섬유, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 열경화성 수지 탄화물 등이 제안되고 있다.    At present, with the increase in the capacity of mobile devices and the development of electric vehicles, interest in lithium secondary batteries having high performance and high efficiency energy density is increasing. Among the carbon-based materials, carbon materials can be classified into graphite based crystals and carbon based amorphous carbons according to the structure of the lithium secondary battery. The graphite based natural graphite, artificial graphite, graphitized meso Carbon microbeads, mesophase pitch carbon fibers, and the like are proposed, and carbon-based carbon dioxide, various types of coke, mesocarbon microbeads, mesophase pitch carbon fibers, vapor grown carbon fibers, poly Acrylonitrile (PAN) -based carbon fibers, thermosetting resin carbides and the like have been proposed.

상기 흑연계 물질은 가역적 특성이 우수하고 낮은 전위평탄면을 장점이 있으나 제조 조건이 어렵고, 고가이며, 그 용량이 372 mAh/g으로 제한되어는 단점을 지니고 있다. 비정질 탄소는 방전 용량이 크고 용매에 대한 적합성이 우수한 장점이 있으나, 초기비가역용량이 매우 크고, 전위평탄성이 길지 않기 때문에 대용량 리튬이차전지의 응용으로는 아직 어려운 실정이다. The graphite-based material has advantages of excellent reversible characteristics and low potential planar surface, but is difficult in manufacturing conditions, expensive, and has a disadvantage in that its capacity is limited to 372 mAh / g. Amorphous carbon has an advantage of having a large discharge capacity and excellent suitability for a solvent, but it is still difficult to apply a large capacity lithium secondary battery because the initial irreversible capacity is very large and the potential flatness is not long.

상기 비정질 탄소의 전구체로 주로 사용되는 폴리아크릴로니트릴은 주로 전기방사에 의해 탄소섬유로 제조되고 있으며, 700 내지 800℃에서 제조된 탄소섬유는 800 mAh/g의 매우 높은 초기 용량을 보이나 동시에 50%이상의 매우 높은 비가역 용량 보이는 단점을 지니고 있다. 이러한 비가역용량은 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 높은 비표면적에 의한 비가역적인 SEI의 형성 때문이며, 이를 줄이기 위해서는 비표면적을 낮추어야 한다. 또한 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 경우 고온에서 탄화시 기계적 강도가 떨아지는 단점을 지니고 있어, 이차전지의 음극으로 상용화하기는 아직 한계가 있다.    Polyacrylonitrile, which is mainly used as a precursor of amorphous carbon, is mainly made of carbon fiber by electrospinning, and carbon fiber produced at 700 to 800 ° C. has a very high initial capacity of 800 mAh / g, but at the same time 50% Very high irreversible capacity over has the disadvantages seen. This irreversible capacity is due to the formation of irreversible SEI due to the high specific surface area of the polyacrylonitrile carbon fiber, and the specific surface area must be lowered to reduce this. In addition, polyacrylonitrile carbon fiber has a disadvantage in that the mechanical strength drops when carbonizing at a high temperature, and commercialization as a negative electrode of a secondary battery is still limited.

그 밖에 비정질탄소로써 타르, 핏치, 페놀 수지, 퓨란 수지 또는 퍼퓨릴 알콜(furfuryl alcohol) 물질들이 있으며, 특히 퍼퓨릴 알콜은 일정온도 조건, 산, 염기 조건에서 폴리퍼퓨릴 알콜로 쉽게 중합이 이루어지며, 고분자 및 용매와의 상용성도 매우 뛰어나다. 이러한 중합된 퍼퓨릴알콜 수지는 열경화성 수지의 하나로써 잔류 탄소량이 높고, 카바이드 화합물 및 메조포러스, 캡슐구조체 등 물질의 합성에 활발히 사용되고 있다.    Other amorphous carbons include tar, pitch, phenol resins, furan resins, or furfuryl alcohols. In particular, perfuryl alcohols are easily polymerized into polyfuryl alcohols at constant temperature, acid and base conditions. Excellent compatibility with polymers and solvents. The polymerized perfuryl alcohol resin is one of thermosetting resins and has a high residual carbon content, and is actively used for the synthesis of carbide compounds, mesoporous materials, capsule structures, and the like.

특히 퍼퓨릴알콜 수지는 향상된 기계적 강도를 가지는 나노 다공성 탄소의 제조방법 및 그에 의하여 제조되는 나노 다공성 탄소(대한민국 특허공개 제2004-0042142), 무기질 주형 입자를 이용하여 제조한 나노기공을 갖는 탄소재료를 전극으로 사용한 전기이중층 캐패시터 (대한민국 특허공개 제2001-0107049), 슈퍼캐패시터용 졸-겔 반응의 무기물 주형을 사용한 나노세공 탄소재료의 제조방법(대한민국 특허공개 제2002-0097295) 등에 사용되었으나, 대부분 먼저 나노 구조체를 합성하고, 다시 나노구조체를 제거하여 순수한 탄소 구조체를 얻는데는 복잡한 단계를 거치게 되는 단점을 지니고 있다.   In particular, the perfuryl alcohol resin is a method for producing nanoporous carbon having improved mechanical strength, and nanoporous carbon (Korean Patent Publication No. 2004-0042142) produced by the same, and a carbon material having nanopores prepared using inorganic template particles Electric double layer capacitors (Korean Patent Publication No. 2001-0107049) used as electrodes, methods for producing nanoporous carbon materials using inorganic molds of sol-gel reactions for supercapacitors (Korea Patent Publication No. 2002-0097295), etc. Synthesis of nanostructures and removal of nanostructures has the disadvantage of going through complicated steps to obtain pure carbon structures.

(대한민국 특허공개 제2004-0042142)(Korean Patent Publication No. 2004-0042142) (대한민국 특허공개 제2001-0107049)(Korean Patent Publication No. 2001-0107049) (대한민국 특허공개 제2002-0097295)(Korean Patent Publication No. 2002-0097295)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 The present invention is to solve the above problems of the prior art

(1) 폴리아크릴로니트릴(탄소 전구체)을 단독으로 이용한 탄소섬유에 비해 이차전지용 음극물질 용량 및 기계적 강도를 향상시킬수 있으며; (1) the capacity and mechanical strength of the negative electrode material for secondary batteries can be improved compared to carbon fiber using polyacrylonitrile (carbon precursor) alone;

(2) 초기 비가역용량을 획기적으로 개선하여 비가역 용량이 높고, 사이클 안정성이 매우 우수하고;(2) dramatically improved initial irreversible capacity, resulting in high irreversible capacity and very good cycle stability;

(3) 염료감응태양전지의 상대전극으로써 매우 우수한 광전환효율을 나타낼수 있는 리튬이차전지의 음극활 물질인 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
(3) The present invention provides a carbon fiber using polyperfuryl alcohol, which is a negative electrode active material of a lithium secondary battery, which can exhibit a very good light conversion efficiency as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell, and a manufacturing method thereof.

본 발명은 리튬이차전지의 음극물질로 사용되는 흑연을 대체할 수 있는 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 제공한다. The present invention provides a carbon fiber using polyperfuryl alcohol which can replace graphite used as a negative electrode material of a lithium secondary battery.

또한, 본 발명은 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing carbon fibers using polyperfuryl alcohol.

본 발명에 따른 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유의 제조방법은 Method for producing a carbon fiber using a polyperfuryl alcohol according to the present invention

(a) 폴리퍼퓨릴 알콜을 포함하는 방사 조성물을 전기방사하여 섬유형 전구체를 제조하는 단계; (a) electrospinning a spinning composition comprising polyperfuryl alcohol to prepare a fibrous precursor;

(b) 상기 단계(a)에서 제조된 섬유형 전구체를 산소의 존재하에 열처리하여 산화안정화된 섬유형 전구체를 제조하는 단계; 및(b) heat treating the fibrous precursor prepared in step (a) in the presence of oxygen to produce an oxidative stabilized fibrous precursor; And

(c) 상기 산화안정화된 섬유형 전구체를 탄화시켜 탄소 섬유를 제조하는 단계;(c) carbonizing the oxidative stabilized fibrous precursor to produce carbon fibers;

를 포함하는 탄소섬유의 제조방법이다.Method of producing a carbon fiber comprising a.

상기 방사조성물은 탄소 전구체, 고분자 수지, 또는 이들의 혼합물 중에서 하나 또는 둘이상을 더 포함하는 것을 특징이다. 상기 방사 조성물에서 폴리퍼퓨릴 알콜 대 탄소전구체의 중량비는 1:0.01내지 100중량비이며; 상기 폴리퍼퓨릴 알콜 대 고분자 수지의 중량비는 1:0.01 내지 20중량비인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법이다. The spin composition further comprises one or two or more of a carbon precursor, a polymer resin, or a mixture thereof. The weight ratio of polyperfuryl alcohol to carbon precursor in the spinning composition is from 1: 0.01 to 100; The weight ratio of the polyperfuryl alcohol to the polymer resin is 1: 0.01 to 20 weight ratio of carbon fiber manufacturing method, characterized in that.

또한, 방사조성물 대 금속전구체의 중량비는 0.015 내지 0.5중량비로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법이다. In addition, the weight ratio of the spinneret to the metal precursor is a method for producing a carbon fiber, characterized in that further comprises a 0.015 to 0.5 weight ratio.

상기 '폴리퍼퓨릴 알콜'은 퍼퓨릴 알콜과 3~10 중량%의 NiCl2 또는 CoCl2 촉매를 이용하여 100~140℃에서 6~24시간 교반하여 제조하며, 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜은 그 자체로 점도가 있기 때문에 용매를 가하지 않고도 전기방사가 가능하다. 또한, 상기 폴리퍼퓨릴 알콜은 용매 및 고분자와의 혼화성이 매우 좋기 때문에 별도로 용매에 희석하여 고분자용액과 혼합할 필요는 없다. The 'polyperfuryl alcohol' is prepared by stirring for 6 to 24 hours at 100-140 ℃ using a perfuryl alcohol and 3 to 10% by weight of NiCl2 or CoCl2 catalyst, the prepared polyperfuryl alcohol itself viscosity Because of this, electrospinning is possible without adding a solvent. In addition, since the polyperfuryl alcohol has very good miscibility with the solvent and the polymer, it is not necessary to dilute the solvent separately and mix with the polymer solution.

상기 폴리퍼퓨릴 알콜은 레조시놀-포름알데히드-겔(Resorcinol-Formaldehyde-gel), 페놀-포름알데히드-겔, 페놀 수지, 멜라민-포름알데히드-겔(Melamine-Formaldehyde-gel), 에폭시 수지(Epoxy resin), 피치(Pitch) 및 자당 (Sucrose) 중에서 하나 또는 둘이상 선택되는 것이 바람직하지만 이에 한정하지 않는다.The polyperfuryl alcohol is resorcinol-formaldehyde-gel, phenol-formaldehyde-gel, phenol resin, melamine-formaldehyde-gel, epoxy resin (Epoxy One or more than one of resin, pitch, and sucrose is preferable, but not limited thereto.

상기 '고분자 수지'는 섬유형 전구체 조성물을 전기방사 시 점도 및 가공성을 증진시켜 탄소섬유 형성에 도움을 줄 수 있는 '고분자 수지'를 말하며, 열처리 시 완전 연소되어, 탄소로 남지 않고 없어지는 고분자를 지칭한다. The 'polymer resin' refers to a 'polymer resin' that can help form carbon fibers by improving the viscosity and processability of the fibrous precursor composition during electrospinning. The polymer is completely burned during heat treatment and disappears without leaving carbon. Refers to.

상기 고분자 수지는 폴리비닐알콜(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리비닐아세테이트 (PVAc, polyvinyl acetate), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리피롤리돈 (PVP), 폴리에틸렌옥사이드 (PEO) 중에서 선택된 하나 또는 둘이상이 혼합된 혼합물인 것이 바람직하지만 이에 한정하지 않는다.The polymer resin is one selected from polyvinyl alcohol (PVA, polyvinyl alcohol), polyvinyl acetate (PVAc, polyvinyl acetate), polymethyl methacrylate (PMMA, polymethyl methacrylate), polypyrrolidone (PVP), polyethylene oxide (PEO) Or a mixture of two or more thereof is preferred but not limited thereto.

본 발명에서 사용되는 '탄소 전구체'는 열처리에 의해 특정 탄소로 변환이 될수 있는 물질을 말하며, 탄화수율은 각 물질에 따라 각각 다를 수 있다.   The 'carbon precursor' used in the present invention refers to a material that can be converted into specific carbon by heat treatment, and the carbonization yield may be different for each material.

상기 탄소 전구체는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 셀룰로오스, 글루코오스, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리아크릴산, 폴리락트산, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리피롤, 폴리이미드, 폴리아미드이미드(PAI), 폴리아라미드, 폴리벤질이미다졸, 페놀수지 및 피치류, 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리티오펜, 및 폴리티오펜 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하지만 이에 한정하지 않는다. The carbon precursor is polyacrylonitrile (PAN), cellulose, glucose, polyvinyl chloride (PVC), polyacrylic acid, polylactic acid, polyethylene oxide, polypyrrole, polyimide, polyamideimide (PAI), polyaramid, polybenzyl The use of one or two or more mixtures selected from the group consisting of midazoles, phenol resins and pitches, polyaniline, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polythiophene, and polythiophene derivatives Preferred but not limited to this.

상기 방사 조성물은 물 이외의 극성용매인 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 감마부티로락톤, N-메틸피롤리돈, 클로로포름,톨루엔, 아세톤 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 테트라하이드로퓨란(THF)으로부터 된 하나 이상이 더 포함될수 있다.상기 용매의 중량부는 탄소 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물 1중량부에 대하여 0.05 내지 1 중량부인 것이 바람직하다.The spinning composition is a polar solvent other than water, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), gamma butyrolactone, N-methylpyrrolidone, Chloroform, toluene, acetone or mixtures thereof can be used. More preferably, one or more of dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc) and tetrahydrofuran (THF) may be further included. The weight part of the solvent may include a carbon precursor, a polymer resin, or a mixture thereof. It is preferable that it is 0.05-1 weight part with respect to a weight part.

또한, 상기 고분자 수지의 중량평균 분자량은 50,000 내지 500,000인 것이 바람직하다. 중량평균 분자량이 50,000 미만인 경우, 섬유형 전구체 조성물의 점도가 낮고, 500,000을 초과하는 경우 점도가 높으므로 바람직하지 않다. 전기방사를 이용한 탄소섬유 제조단계에서 가장 중요한 요소는 조성물의 적절한 점도이다. 본 발명에 따른 폴리퍼퓨릴 알콜의 전기방사는 바람직한 점도를 나타낼 수 있으므로, 고강도, 고용량의 리튬이차전지 음극용 탄소섬유를 제조할 수 있다.
In addition, the weight average molecular weight of the polymer resin is preferably 50,000 to 500,000. If the weight average molecular weight is less than 50,000, the viscosity of the fibrous precursor composition is low, and if it exceeds 500,000, the viscosity is high, which is not preferable. The most important factor in the carbon fiber manufacturing step using electrospinning is the appropriate viscosity of the composition. Since the electrospinning of polyperfuryl alcohol according to the present invention may exhibit a desired viscosity, it is possible to produce a carbon fiber for a lithium secondary battery negative electrode of high strength, high capacity.

또한, 본 발명의 금속전구체는 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 틴(Sn), 실리콘(Si), 철(Fe), 안티몬(Sb), 알루미늄(Al), 또는 비스무트(Bi) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 염 또는 유기금속화합물이다.    In addition, the metal precursor of the present invention is copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), tin (Sn), silicon (Si), iron (Fe), antimony (Sb), aluminum (Al), or bismuth A salt or organometallic compound containing at least one metal selected from (Bi).

본 발명의 방사 조성물이 상기 금속전구체를 포함할 경우, 리튬이차전지용 음극물질 및 염료감응 태양전지 상대전극으로써 고용량 및 높은 광전환 효율을 발현할 수 있다. 상기의 조성물을 교반하여 균질화하거나 필요에 따라 온도를 가하여 균질화한 다음 주사바늘이 부착된 주사기(syringe)에 넣고, 20 ~ 30kV의 전압으로 전기방사하여 섬유형 전구체를 제조한 다음, 이를 220 ~ 300℃까지 승온시키고, 공기분위기 하(산조존재 하)에서 0.5 ~ 10시간 동안 산화안정화 시킨다. 열가소성 수지는 고온에서 탄소화 및 활성화를 하면 용융되거나 방사 조성물 간의 융착이 발생하는데 이를 방지하기 위해서 산화안정화 단계를 통해 열경화성 수지로 변환시키는 것이다. 즉, 산화안정화 단계는 열가소성 수지를 열경화성 수지로 변환시켜 고온 탄소화, 활성화 단계에서 섬유형 전구체의 융착 및 열용융을 방지하기 위해 섬유형 전구체를 표면으로부터 산화처리하는 과정이다. 산화안정화 단계를 행하지 않고 직접 탄소화나 활성화를 하면 개환 및 탈수소 등의 발열반응이 급격하게 진행되어 탄화되기보다는 연소된다. 상기의 산화안정화 과정은 폴리퍼퓨릴 알콜의 함량에 따라 생략될 수 있다. When the radiation composition of the present invention includes the metal precursor, it is possible to express high capacity and high light conversion efficiency as a negative electrode material for a lithium secondary battery and a counter electrode of a dye-sensitized solar cell. The composition is stirred to homogenize or homogenized by applying a temperature as needed, and then put into a syringe (syringe) to which a needle is attached, and electrospun at a voltage of 20 to 30 kV to prepare a fibrous precursor, which is then 220 to 300. The temperature is raised to ℃, and the oxidation is stabilized for 0.5 to 10 hours in the air atmosphere (in the presence of acid). The thermoplastic resin is melted when carbonized and activated at a high temperature, or fusion between the spinning composition occurs. To prevent this, the thermoplastic resin is converted into a thermosetting resin through an oxidative stabilization step. That is, the oxidation stabilization step is a process of oxidizing the fibrous precursor from the surface in order to prevent the fusion and thermal melting of the fibrous precursor in the high temperature carbonization, activation step by converting the thermoplastic resin into a thermosetting resin. If carbonization or activation is performed directly without performing the oxidative stabilization step, exothermic reactions such as ring opening and dehydrogenation proceed rapidly and are burned rather than carbonized. The oxidative stabilization process may be omitted depending on the content of polyperfuryl alcohol.

섬유형 전구체의 크기 및 구조를 유지하기 위해 안정화 과정을 거친 후 다시 휘발성의 비탄소 성분을 제거하거나 표면적을 증가시키기 위해 고온가열하는 탄화하는 단계를 실시한다. 구체적으로 상기 산화안정화된 섬유형 전구체를 불활성분위기 또는 진공상태에서 100 ~ 1000℃로 탄화시키는 단계를 실시하여 탄소섬유를 제조하는 것이다.    After the stabilization process to maintain the size and structure of the fibrous precursor is subjected to a carbonization step of high temperature heating to remove the volatile non-carbon components or increase the surface area. Specifically, the step of carbonizing the oxidative stabilized fibrous precursor at 100 ~ 1000 ℃ in an inert atmosphere or vacuum state to produce a carbon fiber.

본 발명은 상기와 같은 제조방법으로 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 제공한다. 상기 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 리튬이차전지의 음극으로 사용하였을 때 동일온도조건에서 제조한 폴리아크릴로 나이트릴(탄소 전구체) 을 단독으로 이용한 전기방사하여 제조된 탄소섬유 음극 물질에 비해 용량이 증가되고, 우수한 사이클 특성을 보인다. 또한 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 염료감응태양전지용 상대전극으로 이용시 동일온도 조건에서 제조한 폴리아크릴로 나이트릴을 단독으로 전기방사하여 제조한 탄소섬유의 상대전극 물질에 비해 광전환효율이 매우 높은 특성을 보인다. 이에, 본 발명은 상기의 탄소섬유를 포함하는 리튬이차전지 전극물질 및 염료감응 태양전지의 상대전극 물질을 제공한다.
The present invention provides a carbon fiber using a polyperfuryl alcohol prepared by the above production method. When the carbon fiber using the polyperfuryl alcohol is used as a negative electrode of a lithium secondary battery, the capacity of the carbon fiber negative electrode material prepared by electrospinning alone using polyacrylonitrile (carbon precursor) prepared under the same temperature conditions Is increased and shows excellent cycle characteristics. Also, when carbon fiber using polyperfuryl alcohol is used as a counter electrode for dye-sensitized solar cells, the light conversion efficiency is much higher than that of the counter electrode material of carbon fiber prepared by electrospinning polyacrylonitrile alone at the same temperature condition. It shows high characteristics. Accordingly, the present invention provides a lithium secondary battery electrode material and a counter electrode material of a dye-sensitized solar cell including the carbon fiber.

본 발명의 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유는 기존 음극물질인 흑연에 비해 비용량을 획기적으로 높일 수 있을 뿐만 아니라, 특히 폴리아크릴로나이트릴을 단독으로 전기방사하여 제조한 탄소섬유에 비해 기계적 물성 및 초기비가역용량이 향상되고, 사이클 특성도 우수하다. 또한, 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유는 매우 우수한 광전환 효율을 나타내므로, 염료감응 태양전지의 상대전극 물질에 적용가능하다. 또한, 첨가되는 고분자의 종류 및 함량에 따라 섬유의 직경, 섬유 표면 거칠기, 다공성구조 등을 제어할 수 있다. 입자상을 사용하는 기존의 전극물질에 비해 섬유웹(web) 상태로 제조가 되기 때문에, 빠른 전자 이동이 가능하고 활 물질, 바인더, 도전제, 기타 용매, 및 부대시설이 필요하지 않고, 공정이 간단하며, 취급이 용이하기 때문에 전극물질 및 촉매로써 기대효과가 매우 크다.
Carbon fiber using the polyperfuryl alcohol of the present invention can not only significantly increase the specific capacity compared to graphite, which is a conventional negative electrode material, but also mechanical properties compared to carbon fibers prepared by electrospinning polyacrylonitrile alone. And the initial irreversible capacity is improved, and the cycle characteristics are also excellent. In addition, since carbon fiber using polyperfuryl alcohol shows very good light conversion efficiency, it is applicable to the counter electrode material of a dye-sensitized solar cell. In addition, it is possible to control the diameter of the fiber, the surface roughness of the fiber, the porous structure and the like according to the type and content of the polymer to be added. Compared with the conventional electrode material using particulate form, it is manufactured in the state of fiber web, which enables fast electron transfer, requires no active materials, binders, conductive agents, other solvents, and additional facilities, and makes the process simple. And because it is easy to handle, the expected effect is very large as an electrode material and a catalyst.

도 1 및 2는 실시예 1에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진이다.
도 3 내지 5는 실시예 2의에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리아크릴로니트릴/폴리메틸메타아크릴레이트를 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진이다.
도 6 내지 8은 실시예 3에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리아크릴로니트릴/폴리비닐피롤리돈를 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진이다.
도 9 및 10은 실시예 4에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜, 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴), 및 금속전구체(Ni 아세테이트)를 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진이다.
도 11 및 12는 실시예 5에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜 및 고분자 수지(폴리비닐피롤리돈; PVP)을 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진이다.
도 13은 비교예 1에서 제조된 폴리아크릴로니트릴을 단독으로 전기방사하여 제조한 탄소섬유의 주사현미경사진이다.
도 14는 실시예 1에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소섬유의 함량별 충방전 용량 및 사이클 특성을 나타낸 것이다.
도 15는 실시예 1에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소섬유의 함량별 쿨롱효율특성 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 비교예 1에 의해 제조된 폴리아크릴로니트릴을 단독으로 이용한 탄소섬유의 충방전 용량 및 사이클 특성을 나타낸 것이다.
도 17은 비교예 1에 의해 제조된 폴리아크릴로니트릴을 단독으로 이용한 탄소섬유의 쿨롱효율특성 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 실시예 6에서 제조한 폴리퍼퓨릴 알콜 및 고분자 수지(폴리비닐피롤리돈; PVP)을 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진 및 투과현미경 사진을 나타낸다.
도 19는 실시예 6의 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리비닐피롤리돈을 이용한 탄소섬유의 염료감응 태양전지용 상대전극 특성을 나타낸다.
1 and 2 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol / polyacrylonitrile prepared in Example 1. FIG.
3 to 5 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol / polyacrylonitrile / polymethylmethacrylate prepared in Example 2.
6 to 8 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol / polyacrylonitrile / polyvinylpyrrolidone prepared in Example 3. FIG.
9 and 10 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol, carbon precursor (polyacrylonitrile), and metal precursor (Ni acetate) prepared in Example 4. FIG.
11 and 12 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol and polymer resin (polyvinylpyrrolidone; PVP) prepared in Example 5. FIG.
FIG. 13 is a scanning micrograph of carbon fibers prepared by electrospinning polyacrylonitrile prepared in Comparative Example 1 alone. FIG.
Figure 14 shows the charge and discharge capacity and cycle characteristics according to the content of the carbon fiber using the polyperfuryl alcohol / polyacrylonitrile prepared in Example 1.
Figure 15 shows the results of the Coulomb efficiency characteristics for each carbon fiber content using the polyperfuryl alcohol / polyacrylonitrile prepared in Example 1.
Figure 16 shows the charge and discharge capacity and cycle characteristics of the carbon fiber using the polyacrylonitrile prepared by Comparative Example 1 alone.
Figure 17 shows the coulombic efficiency characteristics of the carbon fiber using the polyacrylonitrile prepared by Comparative Example 1 alone.
FIG. 18 shows scanning micrographs and transmission micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol and polymer resin (polyvinylpyrrolidone; PVP) prepared in Example 6. FIG.
FIG. 19 shows the counter electrode characteristics of a dye-sensitized solar cell of carbon fiber using the polyperfuryl alcohol / polyvinylpyrrolidone of Example 6. FIG.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

[평가][evaluation]

본 발명에 따른 실시예에 따른 물성 측정방법은 하기와 같다.    Physical properties measuring method according to an embodiment of the present invention is as follows.

직경분포 및 표면 이미지는 주사현미경(FE-SEM, Hitachi, S-4700)을 이용하여 측정되었으며, 리튬이차전지의 음극으로서 충방전용량 및 사이클 특성은 리튬(Li)금속/분리막(separator)/폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유, LiPF6 1:1 vol%의 EC DMC 액체전해질로 구성되는 코인셀을 제조하여 분석하였으며, 충반전기를 이용하여 충방전실험을 실시하였다. 또한 염료감응 태양전지 상대전극의 평가는 N719-sensitized nanoporous TiO2 전극을 사용하였고, 전해질로는 0.6M DMPImI, 0.1 LiI, 0.05 M I2, t-butylpyridineandacetonitrile를 사용하였다.
Diameter distribution and surface image were measured by scanning microscope (FE-SEM, Hitachi, S-4700), and the charge / discharge capacity and cycle characteristics of lithium secondary battery were lithium (Li) metal / separator / poly Coin cell composed of carbon fiber, LiPF6 1: 1 vol% EC DMC liquid electrolyte using perfuryl alcohol was prepared and analyzed, and charging and discharging experiments were performed using a charger. In addition, N719-sensitized nanoporous TiO2 electrodes were used for the evaluation of the dye-sensitized solar cell counter electrode, and 0.6M DMPImI, 0.1 LiI, 0.05 M I2 and t-butylpyridineandacetonitrile were used as electrolytes.

실시예 1. 폴리퍼퓨릴 알콜 및 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴)을 이용한 탄소섬유의 제조Example 1 Preparation of Carbon Fiber Using Polyperfuryl Alcohol and Carbon Precursor (Polyacrylonitrile)

중량평균 분자량이 150,000인 폴리아크릴로니트릴 수지 1 g을 디메틸포름아미드(N,N-dimethylforamide) 7g 용매에 가한 후 120℃에서 5시간 동안 용해하여 폴리아크릴로니트릴 용액(A)를 제조하였다. 1 g of polyacrylonitrile resin having a weight average molecular weight of 150,000 was added to 7 g of dimethylformamide (N, N-dimethylforamide), and then dissolved at 120 ° C. for 5 hours to prepare a polyacrylonitrile solution (A).

퍼퓨릴 알콜과 5 중량%의 NiCl2 촉매를 이용하여 120℃에서 12시간 교반하여 폴리퍼퓨릴 알콜(B)를 제조한다. Polyperfuryl alcohol (B) was prepared by stirring at 120 ° C. for 12 hours using perfuryl alcohol and 5 wt% of NiCl 2 catalyst.

실온에서 폴리퍼퓨릴 알콜 1g(B)을 폴리아크릴로니트릴 용액(A)에 첨가한 후 다시 3시간 동안 교반하여 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리아크릴로니트릴 수지 용액(C)를 제조하였다. Polyperfuryl alcohol 1 g (B) was added to the polyacrylonitrile solution (A) at room temperature, followed by stirring for 3 hours to prepare a polyperfuryl alcohol / polyacrylonitrile resin solution (C).

이때 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴)와 폴리퍼퓨릴 알콜의 중량비(%)는 1:1이 되도록 하였다. 상기 균질화된 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리아크릴로니트릴 수지 용액(C)을 전기방사하였다. 이때 전기방사 조건은 0.5mm의 주사바늘이 부착된 10ml 주사기에 상기 용액(C)를 넣고 20 kV의 전압으로 전기방사 하였다. 이때 주사바늘과 집전체 간의 거리는 17cm로 유지하고 용액(C)의 용출속도는 1ml/h로 하며, 집전체에서 섬유가 집적되면 부직포를 떼어내어 분리하였다. 분리된 섬유형 전구체를 280℃에서, 공기분위기에서 5시간 산화안정화 하였다. 이때 1℃/분 씩 승온하고, 280℃에서 5시간 유지하였다. 충분히 산화안정화를 거친 후, 800℃에서 1시간 가량 탄화시켜 탄소섬유를 제조하였다.
At this time, the weight ratio (%) of the carbon precursor (polyacrylonitrile) and polyperfuryl alcohol was 1: 1. The homogenized polyperfuryl alcohol / polyacrylonitrile resin solution (C) was electrospun. At this time, the electrospinning conditions were put into the solution (C) in a 10ml syringe attached to a 0.5mm needle was electrospun at a voltage of 20 kV. At this time, the distance between the needle and the current collector was maintained at 17cm and the dissolution rate of the solution (C) was 1ml / h. The separated fibrous precursor was oxidatively stabilized at 280 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. At this time, it heated up at 1 degree-C / min, and hold | maintained at 280 degreeC for 5 hours. After sufficiently oxidative stabilization, carbonization was performed at 800 ° C. for about 1 hour to prepare carbon fibers.

실시예 2. 폴리퍼퓨릴 알콜, 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴), 및 고분자수지(폴리메틸메타아크릴레이트; PMMA)를 이용한 탄소섬유의 제조Example 2 Preparation of Carbon Fiber Using Polyperfuryl Alcohol, Carbon Precursor (Polyacrylonitrile), and Polymer Resin (Polymethylmethacrylate; PMMA)

중량평균 분자량이 130,000인 폴리메틸메타아크릴레이트 수지 1 g을 디메틸포름아미드(N,N-dimethylforamide) 7g 용매에 가한 후 120℃에서 5시간 동안 용해하여 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 수지 용액(D)를 제조하였다.   1 g of a polymethyl methacrylate resin having a weight average molecular weight of 130,000 was added to 7 g of dimethylformamide (N, N-dimethylforamide), and then dissolved at 120 ° C. for 5 hours to give a polymethyl methacrylate (PMMA) resin solution (D ) Was prepared.

폴리퍼퓨릴 알콜(PFA)과 폴리아크릴로니트릴 수지(PAN), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)의 중량비를 1:1:1가 되도록 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유를 제조하였다.
Carbon fibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight ratio of polyperfuryl alcohol (PFA), polyacrylonitrile resin (PAN), and polymethylmethacrylate (PMMA) was 1: 1: 1. .

실시예 3. 폴리퍼퓨릴 알콜, 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴), 및 고분자수지(폴리비닐피롤리돈; PVP)를 이용한 탄소섬유의 제조Example 3 Preparation of Carbon Fiber Using Polyperfuryl Alcohol, Carbon Precursor (Polyacrylonitrile), and Polymer Resin (Polyvinylpyrrolidone; PVP)

중량평균 분자량이 200,000인 폴리비닐피롤리돈 수지 1 g을 디메틸포름아미드(N,N-dimethylforamide) 7g 용매에 가한 후 120℃에서 5시간 동안 용해하여 폴리비닐피롤리돈 수지 용액(E)를 제조하였다.1 g of polyvinylpyrrolidone resin having a weight average molecular weight of 200,000 was added to 7 g of dimethylformamide (N, N-dimethylforamide), and then dissolved at 120 ° C. for 5 hours to prepare a polyvinylpyrrolidone resin solution (E). It was.

폴리퍼퓨릴 알콜(PFA)과 폴리아크릴로니트릴 수지(PAN), 폴리비닐피롤리돈(PVP)의 중량비를 1:1:1가 되도록 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유를 제조하였다.
Carbon fiber was prepared in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of polyperfuryl alcohol (PFA), polyacrylonitrile resin (PAN), and polyvinylpyrrolidone (PVP) was 1: 1: 1. .

실시예 4. 폴리퍼퓨릴 알콜, 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴), 및 금속전구체(Ni 아세테이트)를 이용한 탄소섬유의 제조Example 4 Preparation of Carbon Fiber Using Polyperfuryl Alcohol, Carbon Precursor (Polyacrylonitrile), and Metal Precursor (Ni Acetate)

실시예 1의 C용액에 Ni 아세테이트를 일정량 첨가 한 후 120℃서 3시간 이상 교반한 후 냉각하고 제조된 용액(F)을 전기방사하였다. 이때 전기방사 조건은 0.5mm의 주사바늘이 부착된 10ml 주사기에 상기 용액(F)을 넣고 20 kV의 전압으로 전기방사 하였다. 이때 주사바늘과 집전체 간의 거리는 17cm로 유지하고 용액(F)의 용출속도는 1ml/h로 하며, 집전체에서 섬유가 집적되면 부직포를 떼어내어 분리하였다. After adding a certain amount of Ni acetate to the solution C of Example 1, the mixture was stirred at 120 ° C. for at least 3 hours, cooled, and the prepared solution (F) was electrospun. At this time, the electrospinning conditions were put into the solution (F) in a 10ml syringe attached to a 0.5mm needle was electrospun at a voltage of 20 kV. In this case, the distance between the needle and the current collector was maintained at 17 cm, and the dissolution rate of the solution (F) was 1 ml / h. When fibers were accumulated in the current collector, the nonwoven fabric was separated and separated.

분리된 Ni 아세테이트/폴리 퍼퓨릴 알콜 및 폴리아크릴로니트릴 수지를 이용한 섬유형 전구체를 280℃ 온도로, 공기분위기에서 5시간 산화안정화 하였다. 이때 1℃/분씩 승온하고, 280℃에서 5시간 유지하였다. 충분히 산화안정화를 거친 후, 900℃에서 1시간 탄화과정을 거친후 NiO 및 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 제조하였다.    Fibrous precursors using the separated Ni acetate / poly perfuryl alcohol and polyacrylonitrile resin were oxidatively stabilized at 280 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. At this time, it heated up at 1 degree-C / min, and hold | maintained at 280 degreeC for 5 hours. After sufficiently oxidative stabilization, after carbonizing at 900 ° C. for 1 hour, carbon fibers using NiO and polyperfuryl alcohol were prepared.

실시예 5. 폴리퍼퓨릴 알콜 및 고분자 수지(폴리비닐피롤리돈; PVP)을 이용한 탄소섬유의 제조Example 5 Preparation of Carbon Fiber Using Polyperfuryl Alcohol and Polymer Resin (Polyvinylpyrrolidone; PVP)

중량평균 분자량이 200,000인 폴리비닐피롤리돈 수지 1 g을 디메틸포름아미드(N,N-dimethylforamide) 7g 용매에 가한 후 120 ℃에서 5시간 동안 용해하여 고분자용액(D)를 제조하였다. 이때 폴리퍼퓨릴 알콜(A)과 폴리비닐피롤리돈(PVP)의 중량비를 95 : 5가 되도록 한 후, 800 ℃에서 탄화하여 탄소섬유를 제조하였다. A polymer solution (D) was prepared by adding 1 g of polyvinylpyrrolidone resin having a weight average molecular weight of 200,000 to 7 g of dimethylformamide (N, N-dimethylforamide) and dissolving at 120 ° C. for 5 hours. At this time, the weight ratio of polyperfuryl alcohol (A) and polyvinylpyrrolidone (PVP) was set to 95: 5, and carbonized at 800 ° C. to prepare carbon fibers.

실시예 6. 실시예 3에서 제조된 탄소섬유를 이용한 상대전극의 제조Example 6 Preparation of Counter Electrode Using Carbon Fiber Prepared in Example 3

퍼퓨릴 알콜과 5 중량%의 NiCl2 촉매를 이용하여 120℃에서 12시간 교반하여 제조된 실시예 1의 폴리퍼퓨릴 알콜(B) 95 중량% 용액에 실시예 3에서 폴리비닐피롤리돈 수지용액(E)을 5 중량% 용액을 혼합하여 전기방사한 후 이를 700℃에서 탄화하여 염료감응 태양전지의 상대전극으로 사용하였다. 상대전극의 제조는 탄소섬유를 분쇄한 후 이소프로필알콜(IPA)에 분산시킨후 스프레이 기법으로 FTO 위에 코팅하여 제조하였다. 또한, 상기 탄소섬유 제조시, 전기방사기법을 거치지 않고, 상기 혼합용액을 곧 바로 700℃에서 탄화하여 폴리퍼퓨릴 알콜/폴리비닐피롤리돈(Ni/CP) 탄소를 얻었고, 또한 퍼퓨릴 알콜 만을 곧 바로 700℃에서 탄화하여 폴리퍼퓨릴 알콜 탄소(Ni-free CP)를 얻었다.상기한 방법으로 태양전지의 상대전극으로 제조하였다.
The polyvinylpyrrolidone resin solution of Example 3 was added to a 95% by weight solution of polyperfuryl alcohol (B) of Example 1 prepared by stirring at 120 ° C for 12 hours using perfuryl alcohol and 5 wt% of NiCl2 catalyst. E) a 5 wt% solution was mixed and electrospun and carbonized at 700 ° C. to be used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell. The counter electrode was prepared by pulverizing carbon fiber, dispersing it in isopropyl alcohol (IPA), and then coating it on FTO by spraying. In addition, in the preparation of the carbon fiber, the mixed solution was immediately carbonized at 700 ° C. without undergoing an electrospinning technique to obtain polyperfuryl alcohol / polyvinylpyrrolidone (Ni / CP) carbon, and only perfuryl alcohol was used. The carbon was immediately carbonized at 700 ° C. to obtain polyperfuryl alcohol carbon (Ni-free CP). A counter electrode of a solar cell was prepared by the above-described method.

비교예 1. 탄소전구체(폴리아크릴로니트릴)을 단독으로 이용한 탄소섬유의 제조Comparative Example 1. Preparation of carbon fiber using carbon precursor (polyacrylonitrile) alone

폴피퍼퓨릴 알코올을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리아크릴로니트릴 단독 탄소나노섬유를 제조하였다.
Polyacrylonitrile single carbon nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that no polypiperidyl alcohol was added.

실시예 1에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜 및 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴)을 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진을 도 1 및 2에 나타내었다. Scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol and carbon precursor (polyacrylonitrile) prepared in Example 1 are shown in FIGS. 1 and 2.

도 1 및 2에서 보는 것과 같이 800℃에서 열처리하여 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유의 경우, 매우 균일한 크기의 탄소섬유가 제조된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 폴리퍼퓨릴 알콜과 폴리아크릴로니트릴 간의 좋은 혼화성 때문으로 보인다. As shown in FIGS. 1 and 2, in the case of carbon fibers using polyperfuryl alcohol prepared by heat treatment at 800 ° C., carbon fibers having a very uniform size were produced. It seems to be due to the good miscibility between nitriles.

도 3 내지 5는 실시예 2에 따라 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜과 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타아크릴레이트을 이용한 탄소섬유의 주사현미경 사진으로, 폴리메틸메타아크릴레이트의 첨가에 따라, 섬유 표면 거칠기가 증가하였으며, 중공사 형태(hollow type)의 탄소섬유를 제조할 수 있었다. 3 to 5 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol prepared according to Example 2, polyacrylonitrile, and polymethylmethacrylate, and the surface roughness of the fiber is increased according to the addition of polymethylmethacrylate. Increasingly, it was possible to produce hollow fiber type carbon fiber.

도 6 내지 8은 실시예 3에 의해 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리비닐피롤리돈을 이용한 탄소섬유의 주사현미경 사진으로, 폴리비닐피롤리돈의 첨가에 따라 섬유 표면 거칠기가 증가하였음을 확인할 수 있었다. 6 to 8 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol, polyacrylonitrile, and polyvinylpyrrolidone prepared according to Example 3, wherein fiber surface roughness according to the addition of polyvinylpyrrolidone It can be seen that increased.

도 9 및 10은 실시예 4에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜, 탄소 전구체(폴리아크릴로니트릴), 및 금속전구체(Ni 아세테이트)를 전기방사하고, 산화안정화 후 900℃에서 탄화하여 얻은 탄소섬유의 주사현미경 사진으로, 매우 균일한 탄소섬유 형태의 NiO 및 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 제조할 수 있었다. 9 and 10 are carbon fiber obtained by electrospinning the polyperfuryl alcohol, carbon precursor (polyacrylonitrile), and metal precursor (Ni acetate) prepared in Example 4, and carbonization at 900 ℃ after oxidation stabilization By micrograph, it was possible to produce carbon fibers using NiO and polyperfuryl alcohol in the form of very uniform carbon fibers.

도 11 및 12는 실시에 5에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜 및 고분자 수지(폴리비닐피롤리돈; PVP)을 이용한 탄소섬유의 주사현미경 사진으로, 섬유의 표면이 매우 매끄러운 것을 알 수 있으며, 섬유의 직경이 일정한 탄소섬유가 얻어졌음을 확인 할 수 있다. 11 and 12 are scanning micrographs of carbon fibers using polyperfuryl alcohol and polymer resin (polyvinylpyrrolidone; PVP) prepared in Example 5, and it can be seen that the surface of the fibers is very smooth. It can be confirmed that a carbon fiber having a constant diameter was obtained.

도 13은 실시예 5에서 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜 및 고분자 수지(폴리비닐피롤리돈; PVP)을 이용한 탄소섬유의 주사현미경사진을 나타낸 것으로, 평균직경은 약 300nm를 나타내어 본 발명에 따른 탄소섬유에 비하여 섬유 직경이 큼을 알 수 있었다.13 is a scanning micrograph of the carbon fiber using the polyperfuryl alcohol prepared in Example 5 and a polymer resin (polyvinylpyrrolidone; PVP), the average diameter is about 300nm to represent a carbon fiber according to the present invention It was found that the fiber diameter was larger than that of the fiber.

도 14는 실시예 1에 의해 제조된 폴리퍼퓨릴 알콜 및 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소섬유를 전극으로 사용했을 때의 충방전 용량과 사이클 특성을 나타내었다. 또한, 도 15는 음극으로 사용 시 쿨롱효율이다. 폴리퍼퓨릴 알콜과 폴리아크릴로니트릴의 중량비가 1 : 2.33 일때 초기 방전용량은 959.9 mAh/g이고, 30번째 사이클에서 489 mAh/g으로 폴리퍼퓨릴 알콜과 폴리아크릴로니트릴의 중량비가 1 : 1 일때 보다 높은 용량을 나타냄을 알 수 있다. 또한 초기 쿨롱효율 역시 폴리퍼퓨릴 알콜과 폴리아크릴로니트릴의 중량비가 1 : 2.33 인 경우가 58.34%로 더 높은 경향을 나타내었다. FIG. 14 shows charge and discharge capacity and cycle characteristics when carbon fibers using polyperfuryl alcohol and polyacrylonitrile prepared in Example 1 were used as electrodes. In addition, Figure 15 is the Coulomb efficiency when used as a negative electrode. When the weight ratio of polyperfuryl alcohol and polyacrylonitrile is 1: 2.33, the initial discharge capacity is 959.9 mAh / g, and the weight ratio of polyperfuryl alcohol and polyacrylonitrile is 1: 1 at the 30th cycle of 489 mAh / g. It can be seen that when the higher capacity. In addition, the initial coulombic efficiency also showed a higher tendency of 58.34% when the weight ratio of polyperfuryl alcohol and polyacrylonitrile was 1: 2.33.

도 16 및 17은 실시예 5의 폴리퍼퓨릴 알콜 및 고분자 수지(폴리비닐피롤리돈; PVP)을 이용한 탄소섬유의 리튬이차전지 음극 특성을 나타낸다. 도 9와 10에서 알 수 있듯이 폴리아크릴로니트릴을 단독으로 이용한 탄소섬유의 경우 첫 번째 사이클의 방전용량은 826 mAh/g이었고 30번째 사이클에서 386 mAh/g의 용량을 나타내었다. 또한 초기 쿨롱효율이 약 56%로 폴리퍼퓨릴 알콜이 첨가된 탄소섬유에 비해 낮은 전기화학적 특성을 나타냄을 알 수 있다. 이는 폴리퍼퓨릴 알콜이 폴리아크릴로니트릴과 잘 혼화되어 미세세공의 형성을 감소시켜 SEI 형성을 감소시켰으며, 폴리퍼퓨릴 알콜에 존재하는 산소의 비공유전자쌍이 Li이온과 산화환원 반응에 참여하였기 때문으로 보인다. 16 and 17 show the negative electrode characteristics of the lithium secondary battery of the carbon fiber using the polyperfuryl alcohol and the polymer resin (polyvinylpyrrolidone; PVP) of Example 5. 9 and 10, the carbon fiber using polyacrylonitrile alone had a discharge capacity of 826 mAh / g for the first cycle and 386 mAh / g for the 30th cycle. In addition, it can be seen that the initial coulombic efficiency is about 56%, which shows lower electrochemical properties compared to the carbon fiber to which polyperfuryl alcohol is added. This is because the polyperfuryl alcohol is well mixed with polyacrylonitrile, which reduces the formation of micropores, thereby reducing the formation of SEI. The non-covalent electron pair of oxygen in the polyperfuryl alcohol participates in the red ion reaction and redox reaction. Seems.

따라서 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유는 전기방사기법을 이용하여 손쉽게 제조할 수 있었으며, 폴리퍼퓨릴 알콜과 혼합되는 열가소성 고분자의 종류 및 함량에 따라 섬유의 직경, 섬유 표면 거칠기, 다공성구조가 발달된 탄소섬유을 제조할 수 있었다. 또한 금속 또는 금속산화물이 포함된 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 제조할 수 있었고, 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유는 리튬이차전지용 음극물질으로 사용 시, 기존 폴리아크릴로니트릴을 단독 이용한 탄소섬유에 비해 높은 비용량을 나타냄을 확인할 수 있다.Therefore, carbon fiber using polyperfuryl alcohol could be easily produced by using an electrospinning technique, and the diameter, fiber surface roughness, and porous structure of the fiber were developed according to the type and content of the thermoplastic polymer mixed with the polyfuryl alcohol. Carbon fibers could be prepared. In addition, carbon fiber using polyperfuryl alcohol containing a metal or metal oxide could be prepared, and carbon fiber using polyperfuryl alcohol was used as a negative electrode material for a lithium secondary battery. It can be seen that it represents a higher specific capacity than.

도 18 는 상기 Ni 및 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유(e-Ni/CNF)의 SEM, TEM이미지를 나타내고, 도 19는 상기 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유(e-Ni/CNF) 및 Ni와 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소(Ni/CP), 전기방사가 제외되고 Ni을 첨가하지 않은 폴리퍼퓨릴을 이용한 탄소(Ni-free CP), Pt 상태전극 염료감응 태양전지용 상대전극특성을 나타낸다. 도 18에서 알 수 있듯이 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유의 경우 매우 작은 크기의 Ni 입자가 분산되었으며, 도 19에서 알 수 있듯시 본 발명의 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유를 염료감응태양전지의 상대전극으로 사용할 경우 기존 Pt 상대전극에 비해 우수한 광전효율을 보이는 것을 알 수 있고, 또한 파우더 형태의 Ni/CP, Ni-free CP에 비해 우수한 광전환 효율을 보였다. FIG. 18 shows SEM and TEM images of carbon fibers (e-Ni / CNF) using Ni and polyperfuryl alcohol, and FIG. 19 shows carbon fibers (e-Ni / CNF) and Ni using polyperfuryl alcohol. And the relative electrode properties of carbon (Ni / CP) using polyperfuryl alcohol, carbon (Ni-free CP) using polyperfuryl without Ni, and Pt state electrode dye-sensitized solar cell without electrospinning. As can be seen in FIG. 18, in the case of carbon fibers using polyperfuryl alcohol, very small size Ni particles were dispersed, and as shown in FIG. 19, carbon fibers using polyperfuryl alcohol according to the present invention were used in dye-sensitized solar cells. When used as a counter electrode, it can be seen that the photoelectric efficiency is superior to that of the conventional Pt counter electrode, and also has an excellent light conversion efficiency compared to the powder type Ni / CP and Ni-free CP.


Claims (15)

(a) 폴리퍼퓨릴 알콜 및 금속전구체를 포함하는 방사 조성물을 전기방사하여 섬유형 전구체를 제조하는 단계;
(b) 상기 단계(a)에서 제조된 섬유형 전구체를 산소의 존재하에 열처리하여 산화안정화된 섬유형 전구체를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 산화안정화된 섬유형 전구체를 탄화시켜 탄소 섬유를 제조하는 단계;
를 포함하는 탄소섬유의 제조방법.
(a) electrospinning a spinning composition comprising polyperfuryl alcohol and a metal precursor to prepare a fibrous precursor;
(b) heat treating the fibrous precursor prepared in step (a) in the presence of oxygen to produce an oxidative stabilized fibrous precursor; And
(c) carbonizing the oxidative stabilized fibrous precursor to produce carbon fibers;
Method for producing a carbon fiber comprising a.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 방사 조성물은 탄소 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The spinning composition further comprises a carbon precursor, a polymer resin or a mixture thereof.
제 3항에 있어서,
상기 탄소 전구체는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 셀룰로오스, 글루코오스, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리아크릴산, 폴리락트산, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리피롤, 폴리이미드, 폴리아미드이미드(PAI), 폴리아라미드, 폴리벤질이미다졸, 페놀수지 및 피치류, 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리티오펜, 및 폴리티오펜 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상 선택된 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The carbon precursor is polyacrylonitrile (PAN), cellulose, glucose, polyvinyl chloride (PVC), polyacrylic acid, polylactic acid, polyethylene oxide, polypyrrole, polyimide, polyamideimide (PAI), polyaramid, polybenzyl One or two or more selected from the group consisting of midazole, phenol resins and pitches, polyaniline, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polythiophene, and polythiophene derivatives Method for producing carbon fiber.
제 3항에 있어서,
상기 고분자 수지는 폴리비닐알콜(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리비닐아세테이트 (PVAc, polyvinyl acetate), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 폴리에틸렌옥사이드 (PEO) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The polymer resin is polyvinyl alcohol (PVA, polyvinyl alcohol), polyvinyl acetate (PVAc, polyvinyl acetate), polymethyl methacrylate (PMMA, polymethyl methacrylate), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethylene oxide (PEO) Method for producing a carbon fiber, characterized in that any one or more selected from.
제 3항에 있어서,
상기 고분자 수지의 중량평균 분자량은 50,000 내지 500,000인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The weight average molecular weight of the polymer resin is 50,000 to 500,000 method for producing carbon fiber.
제 3항에 있어서,
상기 방사 조성물은 N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 감마부티로락톤, N-메틸피롤리돈, 클로로포름, 톨루엔 및 아세톤에서 하나 이상 선택된 용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The spinning composition comprises N, N-dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide (DMSO), gamma butyrolactone, N-methylpyrrolidone, chloroform, Method for producing a carbon fiber characterized in that it further comprises at least one solvent selected from toluene and acetone.
제 7항에 있어서,
상기 용매의 중량부는 탄소 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물 1중량부에 대하여 0.05 내지 1 중량부인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The weight part of the solvent is 0.05 to 1 part by weight based on 1 part by weight of the carbon precursor, the polymer resin or a mixture thereof.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 금속전구체는 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 틴(Sn), 실리콘(Si), 철(Fe), 안티몬(Sb), 알루미늄(Al), 또는 비스무트(Bi)중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 염 또는 유기금속화합물인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal precursor is selected from among copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), tin (Sn), silicon (Si), iron (Fe), antimony (Sb), aluminum (Al), or bismuth (Bi). Method of producing a carbon fiber, characterized in that the salt or organometallic compound containing any one or more selected metals.
제 3항에 있어서,
상기 폴리퍼퓨릴 알콜 : 탄소전구체의 중량비는 1 : 0.01 내지 100인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The polyperfuryl alcohol: the weight ratio of the carbon precursor is 1: method of producing carbon fibers, characterized in that from 100 to 100.
제 3항에 있어서,
상기 폴리퍼퓨릴 알콜 : 고분자 수지의 중량비는 1 : 0.01 내지 20인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The polyperfuryl alcohol: the weight ratio of the polymer resin is 1: method of producing a carbon fiber, characterized in that 20.
제 1항에 있어서,
상기 방사조성물 : 금속전구체의 중량비는 1 : 0.015 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The spinning composition: the weight ratio of the metal precursor is 1: method for producing carbon fiber, characterized in that from 0.015 to 0.5.
제 1항에 따른 제조방법으로 제조된 탄소섬유.Carbon fiber produced by the manufacturing method according to claim 1. 제 14항의 탄소섬유를 포함하는 리튬이차전지용 또는 태양전지용 전극물질. An electrode material for a lithium secondary battery or a solar cell comprising the carbon fiber of claim 14.
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