KR102652684B1 - Anode material for sodium metal battery and the method for manufacturing the same - Google Patents

Anode material for sodium metal battery and the method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
KR102652684B1
KR102652684B1 KR1020210041448A KR20210041448A KR102652684B1 KR 102652684 B1 KR102652684 B1 KR 102652684B1 KR 1020210041448 A KR1020210041448 A KR 1020210041448A KR 20210041448 A KR20210041448 A KR 20210041448A KR 102652684 B1 KR102652684 B1 KR 102652684B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sodium metal
cnt
anode material
carbon
metal battery
Prior art date
Application number
KR1020210041448A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220135579A (en
Inventor
진형준
박선우
윤영수
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단
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 인하대학교 산학협력단, 고려대학교 산학협력단 filed Critical 인하대학교 산학협력단
Priority to KR1020210041448A priority Critical patent/KR102652684B1/en
Publication of KR20220135579A publication Critical patent/KR20220135579A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102652684B1 publication Critical patent/KR102652684B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158Carbon nanotubes
    • C01B32/168After-treatment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50Solid solutions
    • C01P2002/52Solid solutions containing elements as dopants
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/82Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by IR- or Raman-data
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/80Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12Surface area
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/16Pore diameter
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes

Landscapes

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

Abstract

본 명세서에서는, 결정성 그라파이트 탄소 구조; 및 상기 결정성 그라파이트 탄소 구조의 적어도 일부분 상에 위치하는 비정질 탄소 구조;를 포함하며, 상기 비정질 탄소 구조는 이종 원소로 도핑된, 소듐 금속전지용 애노드 소재가 제공된다.In this specification, a crystalline graphitic carbon structure; And an amorphous carbon structure located on at least a portion of the crystalline graphite carbon structure, wherein the amorphous carbon structure is doped with a heterogeneous element. An anode material for a sodium metal battery is provided.

Description

소듐 금속전지용 애노드 소재 및 그 제조 방법{ANODE MATERIAL FOR SODIUM METAL BATTERY AND THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Anode material for sodium metal battery and method of manufacturing the same {ANODE MATERIAL FOR SODIUM METAL BATTERY AND THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 명세서는 소듐 금속전지용 애노드 소재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.This specification relates to anode materials for sodium metal batteries and methods for manufacturing the same.

재충전 가능한 소듐 배터리(RSB)는 자연계에 풍부하고 레독스 활동이 높은 소듐 이온을 사용하므로 향후 그리드 시스템 등에서 유망한 전력원 중 하나로 꼽힌다. 한편 소듐 금속은 산화 환원 전위(-2.714V - 표준 수소 전극)가 낮고 이론적 비 용량(~1,165mA h g-1)이 높은 등 전기 화학적 특성이 높아 소듐 금속 배터리 (SMB)의 활성 애노드 소재로 상당한 관심을 끌고 있으나, 금속 애노드는 쿨롱 효율(CE)이 낮고 덴드라이트 금속 성장으로 인한 안전상의 위험과 같은 문제를 갖는 점에서 문제된다. 이에 균일한 금속 성장을 유도하고 부반응에서 발생하는 부산물을 최소화하는 것을 목표로 하는 연구가 수행되어 왔다.Rechargeable sodium batteries (RSB) are considered one of the promising power sources for future grid systems because they use sodium ions, which are abundant in nature and have high redox activity. Meanwhile, sodium metal has attracted considerable attention as an active anode material for sodium metal batteries (SMB) due to its high electrochemical properties, such as low redox potential (-2.714 V - standard hydrogen electrode) and high theoretical specific capacity (~1,165 mA hg -1). However, metal anodes are problematic in that they have problems such as low coulombic efficiency (CE) and safety hazards due to dendrite metal growth. Accordingly, research has been conducted aimed at inducing uniform metal growth and minimizing by-products generated from side reactions.

한편, 소듐 이온전지는 기존의 리튬 이온전지에서 사용되었던 층간 삽입 기반 메커니즘이 리튬 대비 크고 무거운 소듐 이온으로 인해 적용되지 않기에 적합한 애노드 물질의 개발을 필요로 한다. Meanwhile, sodium ion batteries require the development of suitable anode materials because the interlayer insertion-based mechanism used in existing lithium ion batteries is not applicable due to sodium ions being larger and heavier than lithium.

이러한 새로운 애노드 활물질에 관한 연구 중 소듐금속을 애노드로 사용하는 소듐 금속 전지가 높은 이론 용량과 낮은 레독스 전위로 인해 연구가 진행되고 있다. 또한 종전의 연구에서 탄소 기반 전극 재료에 대한 산소 또는 질소와 같은 이종 원자의 영향을 확인하고 있는 반면, 기능화된 탄소 기반 소듐 금속 애노드에 대하여는 연구가 거의 수행되지 않고 있으며 이러한 기능기들이 소듐 금속 핵 형성에 미치는 영향이 불분명하다. 또한, 비정질 미세 구조를 가지며 이종 원자가 풍부한 탄소 재료는 반복적인 사이클링에서 마모되기 쉽다는 것 또한 중요하다. 사이클링 과정에서 활성탄 표면이 부동태화될 때 금속 증착이 불균일하다면 소듐 금속 애노드는 전기적으로 단락이 있을 수 있으며 이로 인한 안전 위험에 노출되며, 따라서 기능화된 탄소 전극 기반의 설계시에는 더 나은 사이클링 안정성이 요구된다.Among these new anode active materials, research is being conducted on sodium metal batteries that use sodium metal as an anode due to their high theoretical capacity and low redox potential. Additionally, while previous studies have identified the influence of heteroatoms such as oxygen or nitrogen on carbon-based electrode materials, little research has been conducted on functionalized carbon-based sodium metal anodes, and these functional groups have been shown to form sodium metal nuclei. The impact on is unclear. Additionally, it is also important to note that carbon materials with an amorphous microstructure and rich in heteroatoms are prone to wear under repeated cycling. If the metal deposition is non-uniform when the activated carbon surface is passivated during the cycling process, the sodium metal anode may electrically short-circuit, exposing it to safety hazards. Therefore, designs based on functionalized carbon electrodes require better cycling stability. do.

한편, 소듐 금속 애노드는 이론적 에너지 밀도와 실현 가능한 에너지 밀도 사이에 큰 갭이 존재한다는 점에서 문제가 될 수 있다. 이는 CE가 1% 만 감소하더라도 100 사이클 후에는 초기 용량의 36%까지도 용량이 감소할 수 있다는 것을 의미하며, 이로부터 사이클링 과정에서 손실을 메꾸기 위하여는 과잉 소듐 금속이 필요할 수 있다.On the other hand, sodium metal anodes can be problematic in that there is a large gap between theoretical and feasible energy densities. This means that even if the CE decreases by just 1%, the capacity can decrease to 36% of the initial capacity after 100 cycles, and from this, excess sodium metal may be needed to make up for the loss during the cycling process.

따라서 긴 사이클 수명을 유지하기 위하여는 과잉 금속 로딩이 필수적인 요소에 해당인 반면, 이로 인하여 SMB의 비에너지 밀도가 심각하게 저하되기 때문에 높은 비에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 모두 달성하는 것은 매우 어렵다는 문제점을 갖는다.Therefore, while excessive metal loading is an essential factor in maintaining a long cycle life, it seriously reduces the specific energy density of SMB, making it very difficult to achieve both high specific energy density and long cycle life. have

이에 본 발명에 따른 구현예들은 기능화된 탄소 기반 전극 재료로서 반복적인 사이클링에서 마모되기 쉬운 문제를 해결하고자 한다.Accordingly, embodiments according to the present invention seek to solve the problem of functionalized carbon-based electrode materials that are prone to wear during repetitive cycling.

또한, 본 발명에 따른 구현예들은 긴 사이클 수명을 유지하기 위하여는 과잉 금속을 로딩하는 경우 비에너지 밀도가 심각하게 저하되는 문제를 해결하고자 한다.Additionally, embodiments according to the present invention seek to solve the problem of a serious decrease in specific energy density when loading excess metal in order to maintain a long cycle life.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 결정성 그라파이트 탄소 구조; 및 상기 결정성 그라파이트 탄소 구조의 적어도 일부분 상에 위치하는 비정질 탄소 구조;를 포함하며, 상기 비정질 탄소 구조는 이종 원소로 도핑된, 소듐 금속전지용 애노드 소재를 제공한다.In order to achieve the above-described object, in one embodiment according to the present invention, a crystalline graphitic carbon structure; and an amorphous carbon structure located on at least a portion of the crystalline graphite carbon structure, wherein the amorphous carbon structure is doped with a heterogeneous element.

일 구현예에서, 상기 비정질 탄소 구조는 질소(N) 및 산소(O) 중 하나 이상의 원자로 도핑될 수 있다.In one embodiment, the amorphous carbon structure may be doped with one or more atoms of nitrogen (N) and oxygen (O).

일 구현예에서, 상기 비정질 탄소 구조는 질소(N) 및 산소(O) 원자로 도핑될 수 있다.In one embodiment, the amorphous carbon structure may be doped with nitrogen (N) and oxygen (O) atoms.

일 구현예에서, 상기 비정질 탄소 구조는 피리딘-N(pyridinic-N) 및 피리돈-N(pyridonic-N) 구조 중 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.In one embodiment, the amorphous carbon structure may include one or more of pyridinic-N and pyridonic-N structures.

일 구현예에서, 상기 애노드 소재는 150 m2g-1 이상의 비표면적을 가질 수 있다.In one embodiment, the anode material may have a specific surface area of 150 m 2 g -1 or more.

일 구현예에서, 상기 애노드 소재는 라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 D밴드 피크 강도(ID)와 G밴드 피크 강도(IG)의 비 ID/IG를 0.1 내지 0.3으로 가질 수 있다.In one embodiment, the anode material may have a ratio I D /I G of the D-band peak intensity (I D ) and the G-band peak intensity (I G ) measured in a Raman spectroscopic spectrum of 0.1 to 0.3.

일 구현예에서, 상기 애노드 소재는 IUPAC에서 정의한 질소 흡착 등온선이 TYPE Ⅳ의 메조포러스 기공 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, the anode material may have a mesoporous pore structure with a nitrogen adsorption isotherm defined by IUPAC of TYPE IV.

본 발명에 따른 일 구현예에서, 전술한 소듐 금속전지용 애노드 소재를 포함하는 소듐 이차전지를 제공한다.In one embodiment according to the present invention, a sodium secondary battery including the anode material for a sodium metal battery described above is provided.

일 구현예에서, 상기 소듐 금속전지용 애노드 소재는 소듐 금속으로 사전 로딩되어, 과잉 소듐 금속을 함유할 수 있다.In one embodiment, the anode material for a sodium metal battery may be pre-loaded with sodium metal and may contain excess sodium metal.

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 탄소 소재를 준비하는 단계; 상기 탄소 소재를 열처리 하는 단계; 및 상기 탄소 소재를 하나 이상의 이종 전구체로 처리하여 이종 원소로 기능화하는 단계;를 포함하는, 소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법을 제공한다.In another embodiment according to the present invention, preparing a carbon material; heat treating the carbon material; and functionalizing the carbon material with a heterogeneous element by treating the carbon material with one or more heterogeneous precursors. It provides a method of manufacturing an anode material for a sodium metal battery, including a.

일 구현예에서, 상기 탄소 소재는 CNT, RGO, 및 카본 블랙(carbon black)으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one embodiment, the carbon material may be one or more selected from the group consisting of CNT, RGO, and carbon black.

일 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 열처리 온도 프로파일을 제어하여 탄소 소재의 미세 결정 구조를 제어할 수 있다.In one embodiment, the fine crystal structure of the carbon material can be controlled by controlling the heat treatment temperature profile in the heat treatment step.

일 구현예에서, 상기 열처리 단계는 1500 내지 2800 ℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the heat treatment step may be performed in a temperature range of 1500 to 2800 °C.

일 구현예에서, 상기 이종 전구체는 질소(N) 함유 전구체 및 산소(O) 함유 전구체 중 하나 이상의 전구체를 포함할 수 있다.In one embodiment, the heterogeneous precursor may include one or more of a nitrogen (N)-containing precursor and an oxygen (O)-containing precursor.

이에, 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 소재는 고결정을 지닌 탄소나노튜브(CNT) 기반 애노드 물질의 결정성과 표면 특성을 제어하여 낮은 과전압과 우수한 수명특성을 가진 소듐 금속 애노드를 제공할 수 있다.Accordingly, the anode material for a sodium metal battery according to an embodiment of the present invention provides a sodium metal anode with low overvoltage and excellent lifespan characteristics by controlling the crystallinity and surface properties of the highly crystalline carbon nanotube (CNT)-based anode material. You can.

또한, 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 소재는 고결정성의 CNT에 여러 표면작용기중 질소와 산소를 함께 도입하여 쿨롱효율 99.9% 이상의 높은 전기화학 성능과 5mV에 해당하는 과전압을 나타낼 수 있으며, 1000회가 넘는 충방전과정에서 99.9%이상의 쿨롱효율과 안정한 구조를 유지하여 우수한 수명특성을 나타낼 수 있다.In addition, the anode material for a sodium metal battery according to an embodiment of the present invention can exhibit high electrochemical performance with a Coulombic efficiency of 99.9% or more and an overvoltage equivalent to 5 mV by introducing nitrogen and oxygen among various surface functional groups into highly crystalline CNTs. , it can exhibit excellent lifespan characteristics by maintaining a coulombic efficiency of over 99.9% and a stable structure during over 1,000 charging and discharging processes.

또한, 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 소재는 전기화학적으로 높은 성능을 보이며, 충방전 과정에서 소모되는 캐소드의 소듐을 애노드에서 보상할 수 있어 오랜 시간 동안 용량 유지가 가능하며 종래의 소듐 이온 기반 에너지 저장 장치 보다 높은 에너지밀도와 출력 밀도를 가질 수 있다.In addition, the anode material for a sodium metal battery according to an embodiment of the present invention exhibits high electrochemical performance, and can compensate for the sodium of the cathode consumed during the charging and discharging process at the anode, enabling capacity maintenance for a long time and exceeding that of conventional sodium. It can have higher energy density and power density than ion-based energy storage devices.

도 1a 및 1b는 본 발명의 구현예에 따른 P-CNT와 NO-S-CNT의 FE-SEM 이미지를 각각 도시한다.
도 1c 및 1d는 본 발명의 구현예에 따른 P-CNT와 NO-S-CNT의 FE-TEM 이미지를 각각 도시한다.
도 1e는 본 발명의 구현예에 따른 P-CNT와 NO-S-CNT의 라만 스펙트럼을 도시한다.
도 1f는 본 발명의 구현예에 따른 P-CNT와 NO-S-CNT의 XRD 패턴을 도시한다.
도 1g는 본 발명의 구현예에 따른 P-CNT와 NO-S-CNT의 질소 흡/탈착 단열 곡선 그래프를 도시한다.
도 1h는 본 발명의 구현예에 따른 P-CNT와 NO-S-CNT의 기공 사이즈 분포 데이터를 도시한다.
도 1i는 본 발명의 구현예에 따른 NO-S-CNT의 XPS 그래프로서, 각각 C 1s, O 1s, 및 O 1s 스펙트럼을 도시한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들 중 O-CNT와 N-CNT의 O 1s와 N 1s의 XPS 스펙트럼을 각각 도시한다.
도 2c 및 2d는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들 중 NO-CNT의 O 1s와 N 1s의 XPS 스펙트럼을 각각 도시한다.
도 2e 및 2f는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 질소 원자비율과 C/O 및 C/N 비율을 각각 도시한다.
도 3a는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들에서 최초 정전류 방전 프로파일을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 쿨롱 효율을 비교 도시한다.
도 3c 및 3d는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 사이클링 성능을 비교 도시한다.
도 4는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들 중 (a)Al 호일, (b)P-CNT, (c)O-CNT, (d)N-CNT, (e)NO-CNT, 및 (f)NO-S-CNT에서의 전해질 액적의 접촉각을 비교 도시한다.
도 5a는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 라만 스펙트럼을 도시한다.
도 5b는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 XRD 패턴을 도시한다.
도 5c는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 질소 흡/탈착 단열 곡선 그래프를 도시한다.
도 5d는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 기공 사이즈 분포 데이터를 도시한다.
도 6은 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들에서 피리돈-N 구조에서 소듐 이온의 화학적 흡착 거동을 개략적으로 도시한다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 ex-situ FE-SEM 이미지를 도시한다.
도 7f는 Al 포일의 ex-situ FE-SEM 이미지를 도시한다.
도 7g 및 7h는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들 중 300 사이클 이후의 NO-CNT와 NO-S-CNT의 FE-SEM 이미지를 각각 도시한다.
도 7i 및 7j는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들 중 300 사이클 이후의 NO-S-CNT와 NO-CNT의 FE-TEM 이미지를 각각 도시한다.
도 7k 및 7l은 ex-situ XPS depth 프로파일로부터 얻은 NO-S-CNT와 NO-CNT의 상대 원자량을 비교 도시한다.
도 7m 및 7n은 다양한 사이클에서 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들 중 NO-S-CNT와 NO-CNT의 Ex-situ EIS 프로파일을 각각 도시한다.
도 8은 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들에서 ex-situ 에너지 분산형 X선 분광(EDS) 맵핑 데이터를 도시한다.
도 9a는 본 발명의 구현예에 따른 NO-S-CNT을 적용한 대칭 셀의 소듐 금속의 2 mA cm-2에서의 증착/용해 사이클 성능을 도시한다.
도 9b는 본 발명의 구현예에 따른 NO-S-CNT을 적용한 대칭 셀의 소듐 금속의 4 mA cm-2에서의 증착/용해 사이클 성능을 도시한다.
도 10a 내지 10c는 Na4Fe3(PO4)2(P2O7) 캐소드의 전기화학적 성능을 나타낸다.
도 11은 풀 셀에서 Na/NO-S-CNT(파란색)와 Na4Fe3(PO4)2(P2O7) 캐소드 (빨간색)의 정전류 충전/방전 프로파일을 나타낸다.
도 12a는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 0.1 A g-1에서의 정전류 충전/방전 프로파일을 비교 도시한다.
도 12b는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의 1.0 A g-1에서의 사이클링 성능을 비교 도시한다.
도 12c는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들의
도 12d는 본 발명의 구현예에 따른 소듐 금속전지용 애노드 샘플들과 여러 에너지 저장 장치들의 라곤 플롯(Ragone plot)을 비교 도시한다.
1A and 1B show FE-SEM images of P-CNT and NO-S-CNT, respectively, according to an embodiment of the present invention.
Figures 1c and 1d show FE-TEM images of P-CNT and NO-S-CNT, respectively, according to an embodiment of the present invention.
Figure 1e shows Raman spectra of P-CNT and NO-S-CNT according to an embodiment of the present invention.
Figure 1f shows the XRD patterns of P-CNT and NO-S-CNT according to an embodiment of the present invention.
Figure 1g shows a nitrogen adsorption/desorption adiabatic curve graph of P-CNT and NO-S-CNT according to an embodiment of the present invention.
Figure 1h shows pore size distribution data of P-CNT and NO-S-CNT according to an embodiment of the present invention.
Figure 1I is an XPS graph of NO-S-CNT according to an embodiment of the present invention, showing C 1s, O 1s, and O 1s spectra, respectively.
Figures 2a and 2b show XPS spectra of O 1s and N 1s of O-CNT and N-CNT, respectively, among anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figures 2c and 2d show XPS spectra of O 1s and N 1s of NO-CNT among anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention, respectively.
Figures 2e and 2f show the nitrogen atom ratio and C/O and C/N ratios of anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention, respectively.
Figure 3A shows the initial galvanostatic discharge profile in anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 3b shows a comparison of the coulombic efficiencies of anode samples for sodium metal batteries according to embodiments of the present invention.
Figures 3c and 3d compare the cycling performance of anode samples for sodium metal batteries according to embodiments of the present invention.
Figure 4 shows (a) Al foil, (b) P-CNT, (c) O-CNT, (d) N-CNT, and (e) NO-CNT among anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention. , and (f) the contact angles of electrolyte droplets on NO-S-CNT are compared.
Figure 5a shows Raman spectra of anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 5b shows an XRD pattern of anode samples for a sodium metal battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 5c shows a nitrogen adsorption/desorption adiabatic curve graph of anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 5d shows pore size distribution data of anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 schematically shows the chemical adsorption behavior of sodium ions in the pyridone-N structure in anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
7A to 7E show ex-situ FE-SEM images of anode samples for sodium metal batteries according to embodiments of the present invention.
Figure 7f shows an ex-situ FE-SEM image of the Al foil.
Figures 7g and 7h show FE-SEM images of NO-CNT and NO-S-CNT after 300 cycles among anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention, respectively.
Figures 7i and 7j show FE-TEM images of NO-S-CNT and NO-CNT after 300 cycles among anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention, respectively.
Figures 7k and 7l compare the relative atomic masses of NO-S-CNT and NO-CNT obtained from ex-situ XPS depth profiles.
Figures 7m and 7n show the ex-situ EIS profiles of NO-S-CNT and NO-CNT among anode samples for sodium metal batteries according to embodiments of the present invention at various cycles, respectively.
Figure 8 shows ex-situ energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping data from anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 9a shows the deposition/dissolution cycle performance of sodium metal at 2 mA cm -2 in a symmetric cell applying NO-S-CNT according to an embodiment of the present invention.
Figure 9b shows the deposition/dissolution cycle performance of sodium metal at 4 mA cm -2 in a symmetric cell applying NO-S-CNT according to an embodiment of the present invention.
Figures 10a to 10c show the electrochemical performance of Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) cathode.
Figure 11 shows galvanostatic charge/discharge profiles of Na/NO-S-CNT (blue) and Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) cathode (red) in a full cell.
Figure 12a shows a comparison of constant current charge/discharge profiles at 0.1 A g -1 of anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 12b shows a comparison of the cycling performance at 1.0 A g -1 of anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 12c shows anode samples for sodium metal batteries according to an embodiment of the present invention.
Figure 12d shows a comparison of Ragone plots of anode samples for sodium metal batteries and various energy storage devices according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrative only for illustrative purposes, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can make various changes and take various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, but all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. It should be understood as including.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

소듐 금속전지용 애노드 소재Anode material for sodium metal batteries

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 예시적인 구현예에서, 결정성 그라파이트 탄소 구조; 및 상기 결정성 그라파이트 탄소 구조의 적어도 일부분 상에 위치하는 비정질 탄소 구조;를 포함하며, 상기 비정질 탄소 구조는 이종 원소로 도핑된, 소듐 금속전지용 애노드 소재를 제공한다.To achieve the above-described object, in an exemplary embodiment according to the present invention, a crystalline graphitic carbon structure; and an amorphous carbon structure located on at least a portion of the crystalline graphite carbon structure, wherein the amorphous carbon structure is doped with a heterogeneous element.

구체적으로, 상기 결정성 그라파이트 탄소 구조는 일반적인 탄소소재, 예컨대 CNT가 다소 왜곡되어 적층된 불규칙한 그라파이트 격자 구조를 갖는 것과 달리, 고도로 정렬된 그라파이트 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 정렬된 그라파이트 구조는 애노드 소재로 적용되는 경우 다공성 구조의 막힘 시간이 상당히 지연되어 전지의 피독을 방지할 수 있고 이로 인하여 더 긴 사이클의 수명을 가질 수 있다.Specifically, the crystalline graphite carbon structure may have a highly aligned graphite structure, unlike general carbon materials, such as CNTs, which have an irregular graphite lattice structure in which CNTs are stacked in a somewhat distorted manner. When such an aligned graphite structure is applied as an anode material, the clogging time of the porous structure is significantly delayed, preventing battery poisoning, thereby enabling a longer cycle life.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 구조들은 CNT, RGO, 및 카본 블랙(carbon black) 으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 탄소 소재로부터 유래된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the carbon structures may be derived from one or more carbon materials selected from the group consisting of CNT, RGO, and carbon black.

예시적인 구현예에서, 상기 비정질 탄소 구조는 질소(N) 및 산소(O) 중 하나 이상의 원자로 도핑될 수 있다. 바람직하게, 상기 비정질 탄소 구조는 질소(N) 및 산소(O) 원자로 도핑될 수 있다. 또한 상기 질소(N) 및 산소(O) 원자는 비정질 탄소 구조의 기저면이 아닌 탄소 구조의 가장자리 부위에 도핑되는 경향을 가질 수 있다. 이와 같이 이종 원소의 도핑에 따라 애노드 소재의 표면 특성과 전기화학적 성능이 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 산소 원자는 소듐 이온 저장을 위한 레독스 호스트을 할 수 있다.In an exemplary embodiment, the amorphous carbon structure may be doped with one or more atoms of nitrogen (N) and oxygen (O). Preferably, the amorphous carbon structure may be doped with nitrogen (N) and oxygen (O) atoms. Additionally, the nitrogen (N) and oxygen (O) atoms may tend to be doped at the edges of the carbon structure rather than at the base of the amorphous carbon structure. In this way, the surface characteristics and electrochemical performance of the anode material may vary depending on the doping of heterogeneous elements. For example, the oxygen atom can serve as a redox host for sodium ion storage.

예시적인 구현예에서, 상기 비정질 탄소 구조는 피리딘-N(pyridinic-N) 및 피리돈-N(pyridonic-N) 구조 중 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 산소 원자 도핑량이 낮은 경우 산소 작용기를 기반으로 하는 피리돈-N 보다는 피리딘-N 구조가 우세할 수 있다. 반면 산소가 더 풍부한 경우에는 피리돈-N 구조가 더 우세하게 나타난다. In an exemplary embodiment, the amorphous carbon structure may include one or more of pyridinic-N and pyridonic-N structures. For example, when the amount of oxygen atom doping is low, the pyridine-N structure may be superior to the pyridone-N structure based on an oxygen functional group. On the other hand, when oxygen is more abundant, the pyridone-N structure appears more dominant.

특히, 여분의 전자 쌍을 보유한 피리딘 질소는 꽉 찬 p-오비탈을 갖는 전자가 풍부한 공여자로 작용할 수 있으면서 산-염기 작용을 통하여 루이스 상성의 Na 이온을 강하게 흡착할 수 있다. 따라서 이와 같은 이종 원자로 기능화된 탄소 구조를 갖는 경우 금속성 Na 핵을 안내하는 활성 부위로 작용할 수 있다. 또한 피리돈 질소 구조의 산소와 질소 원자가 시너지 상호 작용을 하여 Na 이온과 결합할 수 있다.In particular, pyridine nitrogen, which has an extra pair of electrons, can act as an electron-rich donor with a full p-orbital and can strongly adsorb Na ions of the Lewis phase through acid-base action. Therefore, when it has a carbon structure functionalized with such heteroatoms, it can act as an active site that guides the metallic Na nucleus. Additionally, the oxygen and nitrogen atoms of the pyridone nitrogen structure can combine with Na ions through synergistic interaction.

예시적인 구현예에서, 상기 애노드 소재는 C/N 원소 비율 및 C/O 원소 비율이 30 이하일 수 있다. 상기 범위에서 O와 N의 비율이 높을 수 있고 이를 통하여 우수한 전기화학 성능을 나타낼 수 있다. In an exemplary embodiment, the anode material may have a C/N element ratio and a C/O element ratio of 30 or less. In the above range, the ratio of O and N may be high, and through this, excellent electrochemical performance may be exhibited.

예시적인 구현예에서, 상기 결정성 그라파이트 탄소 구조는 100 내지 250의 종횡비를 가질 수 있다. 이와 같은 고 종횡비를 가짐으로써 가질수록 CNT 사이의 공간이 늘어나 소듐이 금속으로 환원될 때 부피팽창을 억제할수 있고 비표면적이 늘어나 실제 전극에서 흐르는 전류속도를 감소시키는 효과를 줄 수 있다. 예를 들어, 약 100배의 비표면적 차이가 나는 경우 단위 면적당 1mA에서 단위면적당 0.01mA으로 감소시킬 수 있다.In an exemplary embodiment, the crystalline graphitic carbon structure can have an aspect ratio of 100 to 250. By having such a high aspect ratio, the space between CNTs increases, suppressing volume expansion when sodium is reduced to metal, and increasing the specific surface area, which has the effect of reducing the current speed flowing in the actual electrode. For example, if there is a difference in specific surface area of about 100 times, it can be reduced from 1 mA per unit area to 0.01 mA per unit area.

예시적인 구현예에서, 상기 애노드 소재는 150 m2g-1 이상의 비표면적을 가질 수 있다. 상기 비표면적이 150 m2g-1 미만인 경우 비표면적이 작거나 내부 기공이 적어 부피팽창의 문제를 해결하기 어려울 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode material may have a specific surface area of 150 m 2 g -1 or more. If the specific surface area is less than 150 m 2 g -1 , it may be difficult to solve the problem of volume expansion due to the small specific surface area or small internal pores.

예시적인 구현예에서, 상기 애노드 소재는 라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 D밴드 피크 강도(ID)와 G밴드 피크 강도(IG)의 비 ID/IG를 0.1 내지 0.3으로 가질 수 있다. 한편, CNT와 같은 탄소 소재의 경우 D 밴드와 G 밴드의 강도 비율이 비슷한 반면, 상기 애노드 소재이 D 밴드 대 G 밴드의 강도 비율이 0.1 내지 0.3, 예컨대 약 0.22로 약 5배 정도 차이가 나고, D 밴드와 G 밴드가 서로 분리되어 있고 폭이 매우 좁을 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode material may have a ratio I D /I G of the D-band peak intensity (I D ) and the G-band peak intensity (I G ) measured in a Raman spectroscopic spectrum of 0.1 to 0.3. Meanwhile, in the case of carbon materials such as CNTs, the intensity ratio of the D band and the G band is similar, while the intensity ratio of the D band to the G band in the anode material is 0.1 to 0.3, for example, about 0.22, which is about 5 times different, and D The band and G band may be separate and very narrow.

예시적인 구현예에서, 상기 애노드 소재는 IUPAC에서 정의한 질소 흡착 등온선이 TYPE Ⅳ의 메조포러스 기공 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 탄소 구조는 관형 몰폴로지를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode material may have a mesoporous pore structure with a nitrogen adsorption isotherm defined by IUPAC of TYPE IV. Additionally, the carbon structure may have a tubular morphology.

본 발명에 따른 일 구현예에서, 전술한 소듐 금속전지용 애노드 소재를 포함하는 소듐 이차전지를 제공한다.In one embodiment according to the present invention, a sodium secondary battery including the anode material for a sodium metal battery described above is provided.

예시적인 구현예에서, 상기 애노드 소재는 상기 소듐 금속으로 사전 로딩되어 과잉 소듐 금속(excessive sodium metal)을 함유할 수 있다. 구체적으로, 상기 과잉 소듐 금속은 0.12 mg cm-2 내지 0.60 mg cm-2의 로딩량을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode material may be pre-loaded with the sodium metal to contain excess sodium metal. Specifically, the excess sodium metal may have a loading amount of 0.12 mg cm -2 to 0.60 mg cm -2 .

소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법Method for manufacturing anode material for sodium metal battery

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 탄소 소재를 준비하는 단계; 상기 탄소 소재를 열처리 하는 단계; 및 상기 탄소 소재를 하나 이상의 이종 전구체로 처리하여 이종 원소로 기능화하는 단계;를 포함하는, 소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법을 제공한다.In another embodiment according to the present invention, preparing a carbon material; heat treating the carbon material; and functionalizing the carbon material with a heterogeneous element by treating the carbon material with one or more heterogeneous precursors. It provides a method of manufacturing an anode material for a sodium metal battery, including a.

먼저, 탄소 소재를 준비할 수 있으며, 상기 탄소 소재는 CNT, 및 카본 블랙(carbon black)으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.First, a carbon material can be prepared, and the carbon material may be one or more selected from the group consisting of CNT and carbon black.

다음으로, 상기 탄소 소재를 열처리할 수 있다.Next, the carbon material can be heat treated.

예시적인 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 열처리 온도 프로파일을 제어하여 탄소 소재의 미세 결정 구조를 제어할 수 있다. 구체적으로 열처리를 통하여 결정성 그라파이트 탄소 구조를 형성할 수 있으며, 견고한 미세 탄소 구조를 가져 더 긴 사이클의 수명을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the fine crystal structure of the carbon material can be controlled by controlling the heat treatment temperature profile in the heat treatment step. Specifically, a crystalline graphite carbon structure can be formed through heat treatment, and a strong fine carbon structure can be obtained, resulting in a longer cycle life.

예시적인 구현예에서, 상기 열처리 단계는 1500 내지 2800 ℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 1500 ℃ 미만인 경우 결정성 그라파이트 탄소 구조의 발달이 적고 이종원소 도입과정에서 탄소의 결함부분으로 도핑이 많이되어 충방전과정에서 탄소의 분해가 일어나 수명특성이 좋지 않을 수 있고, 2800 ℃ 초과인 경우 그라파이트 탄소 구조의 발달정도가 너무 높아 탄소의 결함부분이 적어 이종원소 도입이 쉽지 않을 것이고 전해질과의 wetting이 좋지않아 소듐금속의 균일한 성장이 어려울 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment step may be performed in a temperature range of 1500 to 2800 °C. If the heat treatment temperature is less than 1500 ℃, the development of the crystalline graphitic carbon structure is small, and the defective portion of the carbon is heavily doped in the process of introducing heterogeneous elements, so the carbon decomposes during the charging and discharging process, and the lifespan characteristics may be poor. 2800 ℃ If it is exceeded, the degree of development of the graphite carbon structure is too high and there are few defects in the carbon, making it difficult to introduce heterogeneous elements, and uniform growth of sodium metal may be difficult due to poor wetting with the electrolyte.

다음으로, 상기 탄소 소재를 하나 이상의 이종 전구체로 처리하여 이종 원소로 기능화할 수 있다. 구체적으로 하나 이상의 이종 전구체를 열처리 하여 이종 원소 작용기를 유도할 수 있다. 이때 약 500℃의 온도로 열처리할 수 있다.Next, the carbon material can be functionalized with a heterogeneous element by treating it with one or more heterogeneous precursors. Specifically, one or more heterogeneous precursors can be heat treated to induce heterogeneous elemental functional groups. At this time, heat treatment can be performed at a temperature of approximately 500°C.

예시적인 구현예에서, 상기 이종 전구체는 질소(N) 함유 전구체 및 산소(O) 함유 전구체 중 하나 이상의 전구체를 포함할 수 있다. In an exemplary embodiment, the heterogeneous precursor may include one or more of a nitrogen (N)-containing precursor and an oxygen (O)-containing precursor.

실시예Example

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are provided only for illustrative purposes to aid understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention are not limited by the following examples.

실시예 1: CNT 기반 전극 재료 제조('NO-S-CNT')Example 1: Preparation of CNT-based electrode material ('NO-S-CNT')

프리스틴 CNT(한화 케미칼)은 30 중량%의 질산 용액에 함침시켜 3시간 동안 초음파 처리하여 정제하였다. 정제한 프리스틴 CNT('P-CNT')는 증류수와 에탄올로 진공 여과하여 여러번 세척하고 30℃ 진공 오븐에서 건조시켰다. 그런 뒤, Ar 가스 분위기 하에서 흑연로(graphite furnace)(ThermVac, South Korea)에서 2,800℃로 가열하였다. 가열 공정에서 다양한 가열 속도가 적용되었는데, 실온에서 1800℃까지는 10℃min-1로, 1800℃에서 2400℃에서 5℃min-1로, 2400℃에서 2800℃까지는 3℃min-1 속도로 가열되었으며, 최종적으로 2,800℃에서 2 시간 동안 열처리 한 후, 노를 자연적으로 실온으로 냉각 시켜 고결정의 CNT를 수득하였다.Pristine CNTs (Hanwha Chemical) were purified by impregnating them in a 30% by weight nitric acid solution and sonicating them for 3 hours. The purified pristine CNT ('P-CNT') was vacuum filtered with distilled water and ethanol, washed several times, and dried in a vacuum oven at 30°C. Then, it was heated to 2,800°C in a graphite furnace (ThermVac, South Korea) under Ar gas atmosphere. In the heating process, various heating rates were applied: from room temperature to 1800°C at a rate of 10°C min -1 , from 1800°C to 2400°C at a rate of 5°C min -1 , and from 2400°C to 2800°C at a rate of 3°C min -1. , Finally, after heat treatment at 2,800°C for 2 hours, the furnace was naturally cooled to room temperature to obtain highly crystalline CNTs.

생성된 CNT(1g)를 계면 활성제(Triton X-100, 2g) 및 멜라민(1g)과 함께 모르타르에서 혼합하였고 혼합물을 100 ml min-1의 질소 흐름 하에 500℃의 관로(tube furnace)에서 열처리 하였다. 이러한 열처리를 위하여 10℃min-1의 가열 속도로 실온에서 500℃까지 온도를 높인 뒤 2시간 동안 유지시켰다. 관로를 상온으로 식힌 후, 제조된 'NO-S-CNT'를 증류수와 에탄올로 진공 여과하여 여러번 세척하고 30℃ 진공 오븐에 보관하였다. The resulting CNTs (1g) were mixed with a surfactant ( Triton . For this heat treatment, the temperature was raised from room temperature to 500°C at a heating rate of 10°C min -1 and maintained for 2 hours. After cooling the pipe to room temperature, the prepared 'NO-S-CNT' was washed several times by vacuum filtration with distilled water and ethanol and stored in a vacuum oven at 30°C.

실시예 2: CNT 기반 전극 재료 제조('N-CNT')Example 2: Preparation of CNT-based electrode material ('N-CNT')

N-CNT 샘플은 고온 열처리 공정(2800℃) 없이 P-CNT를 멜라민과 함께 500℃에서 2시간 동안 가열하여 수득한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.N-CNT samples were prepared in the same manner as in Example 1, except that they were obtained by heating P-CNTs with melamine at 500°C for 2 hours without a high temperature heat treatment process (2800°C).

실시예 3: CNT 기반 전극 재료 제조('O-CNT')Example 3: Preparation of CNT-based electrode material ('O-CNT')

O-CNT 샘플은 고온 열처리 공정(2800℃) 없이 P-CNT를 티리톤 X-100과 함께 500℃에서 2시간 동안 가열하여 수득한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The O-CNT sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the O-CNT sample was obtained by heating the P-CNT with Tiriton

실시예 4: CNT 기반 전극 재료 제조('NO-CNT')Example 4: Preparation of CNT-based electrode material ('NO-CNT')

NO-CNT 샘플은 고온 열처리 공정(2800℃) 없이 P-CNT를 멜라닌 및 티리톤 X-100과 함께 500℃에서 2시간 동안 가열하여 수득한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The NO-CNT sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was obtained by heating P-CNT with melanin and Tyriton X-100 at 500°C for 2 hours without a high temperature heat treatment process (2800°C).

실험예 1: 애노드 소재의 구조 분석Experimental Example 1: Structural analysis of anode material

FE-TEM 및 FE-SEM 분석FE-TEM and FE-SEM analysis

실시예의 P-CNT와 NO-S-CNT를 다공성 알루미나 시트에 분산시킨 뒤 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, S-4300SE, Hitachi, Japan)으로 샘플의 외부 형태를 분석하였다. The P-CNTs and NO-S-CNTs of the examples were dispersed in a porous alumina sheet, and the external morphology of the samples was analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, S-4300SE, Hitachi, Japan).

도 1a에서는P-CNT를 도시하는데, 직선형 CNT에 영구적인 변형을 가져올 수 있는 오각-칠각 커플(pentagon-heptagon couple)과 같은 고유한 결함으로 인하여 굽힘 비율(bending ratio)이 0.55이고 지속되는 길이가 약 230nm 인 구불구불한 형태를 갖는 것을 확인할 수 있다.Figure 1a shows a P-CNT, which has a bending ratio of 0.55 and a sustained length of 0.55 due to inherent defects such as the pentagon-heptagon couple, which can cause permanent deformation of straight CNTs. It can be seen that it has a serpentine shape of about 230 nm.

도 1b에서는 NO-S-CNT를 도시하는데, NO-S-CNT 제조 과정에서 P-CNT가 2,800℃의 고열 처리됨에도 불구하고 높은 종횡비를 갖는 P-CNT 고유의 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.Figure 1b shows NO-S-CNT, and it can be seen that the P-CNT maintains its unique form with a high aspect ratio even though the P-CNT is treated at a high temperature of 2,800°C during the NO-S-CNT manufacturing process. .

이와 같이, P-CNT와 NO-S-CNT이 형태상으로는 유사하지만, 각 샘플의 탄소 미세 구조를 FE-TEM(JEM2100F, JEOL, Japan)으로 분석한 결과, 미세 구조 면에서는 차이를 갖는 것을 도 1c와 1d에서 확인하였다.In this way, although P-CNTs and NO-S-CNTs are similar in shape, the carbon microstructure of each sample was analyzed by FE-TEM (JEM2100F, JEOL, Japan), and as a result, there were differences in microstructure (Figure 1c). and 1d.

도 1c의 P-CNT의 전계 방출 투과 전자 현미경(FE-TEM) 이미지에서는 P-CNT가 다소 왜곡된 적층 층으로 구성된 불규칙한 그라파이트 격자를 갖는 반면, 도 1d의 NO-S-CNT의 경우 고도로 정렬된 그라파이트 구조(graphitic structure)를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 질소와 산소를 함유하는 비정질 탄소가 이러한 정렬된 그라파이트 구조의 표면을 부분적으로 코팅하고 있는 구조 또한 관찰할 수 있다.The field emission transmission electron microscopy (FE-TEM) image of the P-CNT in Figure 1c shows that the P-CNT has an irregular graphitic lattice composed of somewhat distorted stacked layers, whereas the NO-S-CNT in Figure 1d shows a highly ordered graphite lattice. It can be confirmed that it has a graphitic structure. Additionally, a structure in which amorphous carbon containing nitrogen and oxygen partially coats the surface of this aligned graphite structure can also be observed.

라만 분광 및 XRD 분석Raman spectroscopy and XRD analysis

라만 분광법(LabRAm HR Evolution, HORIBA)과 X-선 회절 분석법(XRD, Rigaku, MiniFlex)을 통하여 P-CNT와 NO-S-CNT샘플의 탄소 미세 구조를 추가적으로 분석하였다.The carbon microstructure of P-CNT and NO-S-CNT samples was additionally analyzed through Raman spectroscopy (LabRAm HR Evolution, HORIBA) and X-ray diffraction analysis (XRD, Rigaku, MiniFlex).

도 1e의 라만 분광에서, P-CNT 샘플의 경우 비슷한 강도 비율(ID/IG = ~1.02)을 갖는 D 밴드와 G 밴드 쌍을 확인하였다. 반면, NO-S-CNT 샘플의 경우 D 밴드 대 G 밴드의 강도 비율이 ID/IG = ~0.22으로 약 5배 정도 차이가 나고, D 밴드와 G 밴드가 서로 분리되어 있고 폭이 매우 좁은 것을 확인할 수 있다.In the Raman spectroscopy in Figure 1e, a pair of D and G bands with similar intensity ratios (I D /I G = ~1.02) were identified for the P-CNT sample. On the other hand, in the case of the NO-S-CNT sample, the intensity ratio of the D band to the G band is I D /I G = ~0.22, which is about 5 times different, and the D and G bands are separated from each other and have a very narrow width. You can check that.

이러한 결과를 Tuinstra 및 Koenig 방정식에 적용하면, P-CNT 샘플과 NO-S-CNT 샘플의 평균 측면 폴리 육각 탄소 결정 크기(La)가 각각 ~4.3과 ~19.8nm로 두 샘플이 결정면 크기에서 큰 차이를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, NO-S-CNT 샘플이 약 2,680cm-1에서 P-CNT 샘플에 비하여 상대적으로 더 날카롭고 큰 2D 밴드를 갖는데, 이를 통하여 정렬된 3 차원 그라파이트 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있다.Applying these results to the Tuinstra and Koenig equations, the average lateral polyhexagonal carbon crystal size (La) of the P-CNT sample and the NO-S-CNT sample is ~4.3 and ~19.8 nm, respectively, which shows that the two samples have a large difference in crystal plane size. It can be seen that it has . In addition, the NO-S-CNT sample has a relatively sharper and larger 2D band than the P-CNT sample at about 2,680 cm -1 , which confirms that it has an aligned three-dimensional graphite structure.

한편, P-CNT와 NO-S-CNT샘플의 La 값이 크게 차이남에도 불구하고 도 1f의 XRD 패턴은 유사 그라파이트 (002) 피크를 나타내는데, 이는 고온 가열 후에 스택되는 탄소 층의 수가 비슷하게 때문이다. 반면, 가열 공정에서 그라파이트 (100) 피크가 더욱 발달되는데, 이는 전술한 라만 분광 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다.Meanwhile, despite the large difference in La values of the P-CNT and NO-S-CNT samples, the . On the other hand, the graphite (100) peak is further developed during the heating process, which is in good agreement with the Raman spectroscopy results described above.

질소 흡착 및 탈착 등온선Nitrogen adsorption and desorption isotherms

다공성 분석기 (ASAP 2020, Micromeritics, USA)를 이용하여 제조된 샘플의 다공성 및 표면 특성을 질소 흡착 및 탈착 등온선 곡선 분석하였다.Nitrogen adsorption and desorption isotherm curves were analyzed for the porosity and surface properties of the prepared samples using a porosity analyzer (ASAP 2020, Micromeritics, USA).

도 1g의 등온선 곡선에서, 0.8 이상의 상대 압력 섹션에서 흡착된 질소 양이 급격히 증가하여 IUPAC의 Type-IV에 해당하는 메조 포러스 구조를 나타냈다. 흡착 및 탈착 곡선 사이의 히스테리시스 루프(hysteresis roof)는 규칙적으로 배열된 H1 type의 균일한 구형을 나타내며, 이는 CNT가 관형 몰폴로지를 갖기 때문이다. 등온 곡선은 이들의 몰폴로지와 다공성이 유사한 것을 알 수 있으며, 도 1h의 기공 사이즈 분포 데이터를 통하여도 확인할 수 있다. P-CNT와 NO-S-CNT의 비표면적은 각각 208.9와 194.6 m2g-1이었으며, 상기 비표면적이 고온 가열로 약 9% 정도 감소하였지만, NO-S-CNT가 여전히 고 종횡비 나노 구조와 높은 비표면적을 갖는 것을 알 수 있다.From the isotherm curve in Figure 1g, the amount of adsorbed nitrogen increased rapidly at relative pressure sections above 0.8, revealing a mesoporous structure corresponding to Type-IV of IUPAC. The hysteresis roof between the adsorption and desorption curves shows regularly arranged H1 type uniform spheres, which is because CNTs have a tubular morphology. The isothermal curves show that their morphologies and porosity are similar, which can also be confirmed through the pore size distribution data in Figure 1h. The specific surface areas of P-CNT and NO-S-CNT were 208.9 and 194.6 m 2 g -1 , respectively. Although the specific surface area decreased by about 9% due to high temperature heating, NO-S-CNT still had a high aspect ratio nanostructure and It can be seen that it has a high specific surface area.

XPS 분석XPS analysis

XPS (PHI 5700 ESCA, Chanhassen, USA)를 사용하여 제조된 샘플의 다공성 및 표면 특성을 분석하였다.The porosity and surface properties of the prepared samples were analyzed using XPS (PHI 5700 ESCA, Chanhassen, USA).

도 1i에서, 디콘볼루션된 C1s 스펙트럼은 sp2 C=C, sp3 C-C, C-O/C-N 및 C=O 결합과 같은 여러 화학 구조를 나타내는데 여기서 방향족 탄소-탄소 이중 결합이 주요 화학 구조이다.In Figure 1i, the deconvoluted C1s spectrum shows several chemical structures, such as sp2 C=C, sp3 C-C, C-O/C-N, and C=O bonds, where the aromatic carbon-carbon double bond is the main chemical structure.

도 1j에서 디콘볼루션된 O1s 스펙트럼은 주로 C-O와 C=O 결합의 두 가지 구조로 구성된 산소 결합기를 나타낸다.The deconvoluted O1s spectrum in Figure 1j shows the oxygen bond group mainly composed of two structures: C-O and C=O bonds.

C/O 원자 비율은 17.2로 NO-S-CNT에 친수성을 부여하여 glyme 기반 전해질에서 우수한 습윤성을 나타낸다. 또한 NO-S-CNT는 C/N 원자 비율이 25.3 인 질소 작용기를 포함하며, 주로 피리딘-N(pyridinic-N)과 N-옥사이드기(N-oxide group)가 있는 피리돈-N(pyridonic-N) 구조로 구성된다(도 1k). The C/O atomic ratio is 17.2, which gives NO-S-CNT hydrophilicity and shows excellent wettability in glyme-based electrolytes. In addition, NO-S-CNT contains nitrogen functional groups with a C/N atomic ratio of 25.3, mainly pyridinic-N and pyridonic-N with an N-oxide group. N) structure (Figure 1k).

산소 및 질소 작용기는 열처리 (500℃)를 통하여 트리톤 X-100과 멜라민으로부터 각각 유도되었다.Oxygen and nitrogen functional groups were derived from Triton X-100 and melamine, respectively, through heat treatment (500°C).

산소 또는 질소 함량이 유사한 NO-S-CNT를 O-CNT (C/O 원자 비율 18.2) 또는 N-CNT (C/N 원자 비율 29.5)의 표면에 각각 도입하였다(도 2a 및 2b). O-CNT의 산소 구성은 NO-S-CNT의 구성과 유사했지만, N-CNT의 질소 구성은 NO-S-CNT의 구성과 매우 달랐다. N-CNT는 주로 피리딘-N(pyridinic-N) 구조로 구성되어 있으며, 훨씬 적은 양의 피리돈-N(pyridonic-N) 및 N-옥사이드기(N-oxide group)을 갖는다(도 2b). NO-S-CNTs with similar oxygen or nitrogen contents were introduced onto the surface of O-CNTs (C/O atomic ratio 18.2) or N-CNTs (C/N atomic ratio 29.5), respectively (Figures 2a and 2b). The oxygen composition of O-CNTs was similar to that of NO-S-CNTs, but the nitrogen composition of N-CNTs was very different from that of NO-S-CNTs. N-CNTs are mainly composed of a pyridinic-N structure and have much smaller amounts of pyridonic-N and N-oxide groups (Figure 2b).

이는 N-CNT가 산소 함량이 낮다는 점을 감안할 때, 피리돈-N 구조가 산소 작용기를 기반으로 하기 때문에 피리딘-N 구조가 우세한 것으로 보인다. 또한 고온 가열 공정 없이 P-CNT로부터 산소와 질소 공동 도핑된 CNT (NO-CNT)를 제조하였으며, 표면 특성은 주로 피리돈-N 그룹으로 구성되었다(도 2c 및 2d).Considering that N-CNTs have a low oxygen content, the pyridine-N structure appears to be dominant because the pyridone-N structure is based on oxygen functional groups. Additionally, oxygen and nitrogen co-doped CNTs (NO-CNTs) were prepared from P-CNTs without a high-temperature heating process, and the surface properties were mainly composed of pyridone-N groups (Figures 2c and 2d).

대부분의 산소와 질소 원자가 기저면이 아닌 폴리-육각 탄소 구조의 가장자리 부위를 도핑하는 경향이 있다는 점을 감안할 때, 산소가 풍부한 NO-S-CNT(도 1k)와 NO-CNT(도 s1d)에서 피리돈-N 기가 나타난다. 도 2e는 NO-S-CNT, NO-CNT 및 N-CNT에서 질소 작용기의 상대적 비율을 나타낸다. P-CNT는 각각 ~67.2 및 ~76.4의 C/O 및 C/N 비율에 해당하는 낮은 산소 함량을 갖는다. 도 2f는 모든 샘플에서의 C/O와 C/N 비율을 나타낸다. Given that most oxygen and nitrogen atoms tend to dope the edge regions of the poly-hexagonal carbon structure rather than the basal plane, pyrids in oxygen-rich NO-S-CNTs (Figure 1k) and NO-CNTs (Figure S1d) Don-N Gi appears. Figure 2e shows the relative proportions of nitrogen functional groups in NO-S-CNT, NO-CNT and N-CNT. P-CNTs have low oxygen content corresponding to C/O and C/N ratios of ∼67.2 and ∼76.4, respectively. Figure 2f shows the C/O and C/N ratios for all samples.

전기 화학적 분석을 통한 표면 특성 분석Surface characterization through electrochemical analysis

일련의 CNT 기반 전극 재료에 대한 다양한 표면 특성의 영향은 전기 화학적 분석을 통해 조사되었습니다. 실시예의 CNT 기반 샘플을 Al 호일에 코팅하였으며, 0.5mAhcm-2의 컷오프 방전 용량으로 갈바노스태틱 소듐 금속 증착/용해 공정을 통해 전기 화학적 성능을 테스트하였으며, 이들의 전기 화학적 성능을 Al 호일의 성능과 비교하여 특정 헤테로 원자 구성의 효과를 확인하였다(도 3).The influence of different surface properties on a series of CNT-based electrode materials was investigated through electrochemical analysis. The CNT-based samples of the examples were coated on Al foil, and their electrochemical performance was tested through a galvanostatic sodium metal deposition/dissolution process with a cutoff discharge capacity of 0.5 mAh cm -2 , and their electrochemical performance was compared to that of the Al foil. Comparison confirmed the effect of specific heteroatom configurations (Figure 3).

도 3a는 Al 포일, P-CNT, N-CNT, O-CNT 및 NO-CNT의 첫번째 정류 방전 프로파일로, 소듐 금속 핵 형성 분극에서 비롯된 다른 전압 오버 슈팅(VO) 값을 보여준다. Al 포일의 VO 값은 ~30mV였으며, 이는 P-CNT를 도입하는 경우 유효 표면적이 확장되어(~208.9m2g-1) 최대 ~18mV까지 현저하게 감소하였다. 0.1 mg P-CNTs를 1 cm-2의 Al 호일에 도입하는 경우, P-CNT의 비표면적은 Al 호일보다 적어도 200배 더 높은 것으로 계산되었다.Figure 3a shows the first rectification discharge profiles of Al foil, P-CNT, N-CNT, O-CNT and NO-CNT, showing different voltage overshooting (VO) values resulting from sodium metal nucleation polarization. The VO value of the Al foil was ~30 mV, which significantly decreased up to ~18 mV when P-CNT was introduced due to the expansion of the effective surface area (~208.9 m 2 g -1 ). When introducing 0.1 mg P-CNTs into 1 cm -2 of Al foil, the specific surface area of P-CNTs was calculated to be at least 200 times higher than that of Al foil.

한편 도 4 는 P-CNT에서 전해질 액적에 대한 P-CNT의 접촉각 데이터를 도시하는데, P-CNT에서는 수 초 후에 액적이 흡수된 반면 Al 호일의 경우 초기 접촉각을 유지하여 전해질 친화성을 확인할 수 있다(도 4). 이는 P-CNT가 훨씬 더 높은 활성 표면적을 가지고 있음을 보여준다.Meanwhile, Figure 4 shows the contact angle data of P-CNT with respect to the electrolyte droplet. In P-CNT, the droplet was absorbed after several seconds, while in the case of Al foil, the initial contact angle was maintained, confirming electrolyte affinity. (Figure 4). This shows that P-CNTs have a much higher active surface area.

또한, VO 값은 헤테로 원자로 도핑하는 경우 더욱 감소하였으며, O-CNT와 N-CNT에 대하여 각각 ~9mV와 ~8mV를 나타냈다(도 3a). O-CNT 및 N-CNT는 표면 특성을 제외하고 P-CNT와 유사한 재료 특성을 갖기 때문에, 핵 생성 과전위 효과가 감소하는 것은 산소 또는 질소 작용기로 인한 것임을 알 수 있다(도 5).Additionally, the VO value further decreased when doped with hetero atoms, showing ~9 mV and ~8 mV for O-CNT and N-CNT, respectively (Figure 3a). Since O-CNTs and N-CNTs have similar material properties to P-CNTs except for surface properties, it can be seen that the reduction in the nucleation overpotential effect is due to the oxygen or nitrogen functional groups (Figure 5).

구체적으로, 고전적인 핵 생성 방정식인 아래의 수학식 1에 따르면, 전착되는 Na 핵의 크기는 핵 형성 과전압과 밀접한 관련이 있는 것을 알 수 있다.Specifically, according to Equation 1 below, which is the classical nucleation equation, it can be seen that the size of the electrodeposited Na nuclei is closely related to the nucleation overpotential.

[수학식 1][Equation 1]

여기서, △Gnucleation은 반경 r의 구형 핵을 형성하는 데 필요한 Gibbs 에너지, △GV는 부피당 자유 에너지 변화, 는 Na 전해질 계면의 표면 에너지이다. 핵 생성 과전압은 아래의 수학식 (2)에 의해 △GV와 연관되고, 임계 반경은 아래 수학식 3에 의하여 핵 생성 과전압에 반비례한다.Here, △Gnucleation is the Gibbs energy required to form a spherical nucleus of radius r, △GV is the free energy change per volume, is the surface energy of the Na electrolyte interface. The nucleation overvoltage is related to △GV by equation (2) below, and the critical radius is inversely proportional to the nucleation overvoltage by equation (3) below.

[수학식 2][Equation 2]

[수학식 3][Equation 3]

여기서 rcrit는 임계 반경, Vm은 Na의 몰 부피, F는 패러데이 상수, ηn은 핵 생성 과전압이다.where r crit is the critical radius, V m is the molar volume of Na, F is Faraday's constant and η n is the nucleation overpotential.

상기 수학식 3을 통하여 임계 반경이 전해질과 소듐 금속 사이의 표면 에너지에 크게 의존한다는 것을 알 수 있다. 이와 달리, 기존의 핵 형성 이론에서는 소듐 금속과 강한 상호 작용을 하는 기질의 영향을 고려하지 않았다.Through Equation 3 above, it can be seen that the critical radius greatly depends on the surface energy between the electrolyte and sodium metal. In contrast, the existing nucleation theory did not consider the influence of substrates that strongly interact with sodium metal.

또한, 탄소 기반 물질에서 산소 작용기는 소듐 이온 저장을 위한 레독스 호스트로 잘 알려져 있으며, 전기화학적 전압 창에서 Na-O 결합이 가능하다. 루이스 산-염기 이론에 따르면 Na (0.93)보다 산소 (3.44)의 전기 음성도가 높기 때문에 산소와 Na 원자 간의 상호 작용이 Na 결합보다 강하다. O-CNT이 상부 표면에 전구체 핵에 대한 결합 에너지가 더 높은 Na-O 결합 부위가 많기 때문에 보다 작은 표면 장력을 갖는 소듐 핵 생성 과정은 O-CNT (표면 코팅)의 표면을 따라 진행된다. 전기 음성도가 더 높은 질소 (3.04)로 인하여 산소 원자와 유사한 Na 핵 형성 과정을 가질 수 있다.Additionally, oxygen functional groups in carbon-based materials are well known as redox hosts for sodium ion storage and are capable of Na-O bonding in the electrochemical voltage window. According to Lewis acid-base theory, the interaction between oxygen and Na atoms is stronger than the Na bond because the electronegativity of oxygen (3.44) is higher than that of Na (0.93). The sodium nucleation process with smaller surface tension proceeds along the surface of O-CNTs (surface coating) because O-CNTs have more Na-O binding sites on the top surface with higher binding energy to the precursor nuclei. Due to the higher electronegativity of nitrogen (3.04), Na can have a nucleation process similar to that of oxygen atoms.

특히 여분의 전자 쌍을 보유한 피리딘 질소는 자연적으로 루이스 염기 자리로 작용하는 꽉 찬 p-오비탈을 갖는 전자가 풍부한 공여자로서 산-염기 작용을 통하여 루이스 상성의 Na 이온을 강하게 흡착할 것으로 예상된다. 따라서 산소 또는 질소 원자는 기능화된 CNT의 표면에 균일하게 증착되어 금속성 Na 핵을 안내하는 활성 부위로 기능 할 수 있다.In particular, the pyridine nitrogen, which has an extra pair of electrons, is an electron-rich donor with a packed p-orbital that naturally acts as a Lewis base site, and is expected to strongly adsorb Na ions of the Lewis phase through acid-base action. Therefore, oxygen or nitrogen atoms can be uniformly deposited on the surface of functionalized CNTs and function as active sites to guide metallic Na nuclei.

질소 및 산소가 동시 도핑되 샘플(NO-CNT 및 NO-S-CNT)은 단일 산소나 또는 질소로 도핑된 샘플보다 낮은 VO 값(각각 ~5mV 및 ~4mV)을 나타냈다.Samples co-doped with nitrogen and oxygen (NO-CNT and NO-S-CNT) showed lower VO values (~5 mV and ~4 mV, respectively) than samples doped with single oxygen or nitrogen.

도 2d 및 도 1k에서와 같이, NO-CNT와 NO-S-CNT샘플은 주로 피리돈 구조를 가지고 있는데, 이는 피리딘 질소 작용기로 구성된 N-CNT와의 주요 차이점에 해당한다(도 2b). As shown in Figures 2d and 1k, NO-CNT and NO-S-CNT samples mainly have pyridone structures, which corresponds to the main difference from N-CNTs, which are composed of pyridine nitrogen functional groups (Figure 2b).

비표면적, 기공 구조, 및 전해질에 대한 습윤성과 같은 이중 헤테로 원자 도핑 샘플의 재료 특성은 O-CNT 및 N-CNT와 비슷하기 때문에, 이중 헤테로 원자는 전기 화학 성능 면에서 중요한 역할을 한다(도 4 및 5). 피리돈 구조의 산소와 질소 원자가 시너지 상호 작용에 의해 Na 이온과 결합할 수 있다는 점을 감안할 때, Na가 고전압 섹션에서 두 개의 헤테로 원자에 강하게 결합 할 수 있다(도 6). 전구체 핵에 대한 시너지 상호 작용으로 인하여 더 낮은 핵 생성 과전압을 가지면서 균질한 Na 금속 증착될 수 있다. 이러한 결과는 금속 핵 형성을 위한 활성 표면적뿐만 아니라 표면 작용기가 Na 금속 핵 형성 과전압에서 중요한 역할을한다는 것을 뒷받침한다.Because the material properties of double heteroatom doped samples, such as specific surface area, pore structure, and wettability to electrolytes, are similar to O-CNTs and N-CNTs, double heteroatoms play an important role in terms of electrochemical performance (Figure 4 and 5). Given that the oxygen and nitrogen atoms of the pyridone structure can bind Na ions by synergistic interactions, it is possible that Na can bind strongly to the two heteroatoms in the high-voltage section (Figure 6). Homogeneous Na metal deposition can be achieved with lower nucleation overpotential due to synergistic interactions with the precursor nuclei. These results support that surface functional groups as well as active surface area for metal nucleation play an important role in Na metal nucleation overpotential.

실험예 2: 하프 셀 분석Experimental Example 2: Half-cell analysis

실시예들의 CE 값을 각 샘플에 대해 10 개 이상의 셀을 사용하여 서로 다른 전류 속도로 수 회 테스트하였다. The CE values of the examples were tested several times at different current rates using at least 10 cells for each sample.

도 3b는 10 번째와 100 번째 주기 사이의 평균 CE 값을 보여준다. 헤테로 원자 도핑된 CNT 샘플은 모든 면적 전류 속도에서 Al 포일 및 P-CNT 보다 훨씬 더 높은 평균 CE 값과 더 낮은 셀 간 변동을 나타냈다. 특히, NO-S-CNT와 NO-CNT는 1.0mA cm-2에서 ≥99.9%의 높은 평균 CE 값을 보였으며, 이는 P-CNT (~99.2, ~99.6 및 ~99.5 %)보다 유의미하게 높은 값에 해당한다.Figure 3b shows the average CE values between the 10th and 100th cycles. Heteroatom-doped CNT samples showed significantly higher average CE values and lower cell-to-cell variation than Al foil and P-CNTs at all areal current rates. In particular, NO-S-CNT and NO-CNT showed a high average CE value of ≥99.9% at 1.0 mA cm -2 , which was significantly higher than that of P-CNT (~99.2, ~99.6, and ~99.5%) corresponds to

도 3b에서 N-CNT 및 O-CNT는 각각 동일한 면적 전류 속도로 나타냈는데, 모든 샘플의 CE 값은 전류 속도가 1.0에서 0.2mA cm-2로 감소함에 따라 감소하였고, 전류 속도가 1.0에서 6.0mA cm-2로 증가함에 따라 감소하였으며, 이와 같이 낮은 전류 속도에서 CE 값이 감소하는 것은 소듐 금속 증착/용해 순환 과정에서 더 많은 부반응이 발생하기 때문이다.In Figure 3b, N-CNTs and O-CNTs were each shown at the same area current rate, and the CE values of all samples decreased as the current rate decreased from 1.0 to 0.2 mA cm -2 and the current rate decreased from 1.0 to 6.0 mA. It decreased as cm -2 increased, and the reason why the CE value decreases at such a low current rate is because more side reactions occur during the sodium metal deposition/dissolution cycle.

전류가 음 전압으로 감소하는 경우, 더 많은 에너지가 있는 전자가 전해질로 전달되어 SEI(solid-electrolyte-interface)층이 형성하는데, 전해질의 환원 반응은 반응 시간에 따라 달라지기 때문에 전류 속도가 낮을수록 더 많은 전해질 분해 반응을 유발할 수 있다. When the current is reduced to a negative voltage, electrons with more energy are transferred to the electrolyte to form a solid-electrolyte-interface (SEI) layer. Since the reduction reaction of the electrolyte depends on the reaction time, the lower the current rate, the lower the current rate. It may cause further electrolyte decomposition reactions.

반면, 전류 속도가 더 높을 수록 동역학적으로 제어되는 반응보다 확산 제어 반응을 더 많이 유발하게 되고 더 높은 표면적을 갖는 고르지 않은 소듐 금속을 성장시키게 된다. 따라서 높은 전류 속도에서 전해질 분해가 더 많이 발생할 수 있다. On the other hand, higher current rates induce more diffusion-controlled reactions than kinetically-controlled reactions and grow uneven sodium metal with higher surface areas. Therefore, electrolyte decomposition may occur more at high current rates.

한편, NO-S-CNT에서 CE 값이 현저하게 낮은 표준 편차를 갖는데(도 3b), 이러한 셀 간 변화가 낮은 결과로 높은 신뢰성과 재현성을 가질 수 있다. Al 호일과 P-CNT이 큰 표준 편차(1.0~3.0% 및 0.5~2.0%)를 갖는 것과 달리, 기능화된 CNT 샘플은 전체 평균 CE 값에서 상당히 낮은 셀 간 변동 값(0.2~1.3%)을 나타낸다. 또한, NO-S-CNTs는 주어진 모든 면적 전류 범위에서 ≤0.6%의 셀 간 변동을 가져 최적의 성능을 나타냈으며, 소듐 금속 핵 생성과 성장 면에서 우수한 효과를 나타냈다(도 3b).On the other hand, the CE value in NO-S-CNT has a significantly low standard deviation (Figure 3b), and as a result of this low cell-to-cell variation, it can have high reliability and reproducibility. Unlike Al foil and P-CNT, which have large standard deviations (1.0–3.0% and 0.5–2.0%), functionalized CNT samples exhibit significantly lower cell-to-cell variation values (0.2–1.3%) in overall average CE values. . Additionally, NO-S-CNTs showed optimal performance with a cell-to-cell variation of ≤0.6% in all given area current ranges and showed excellent effects in terms of sodium metal nucleation and growth (Figure 3b).

도 7a-7f에서는 Ex-situ FE-SEM를 통하여 소듐 금속 증착 후 P-CNT, O-CNT, N-CNT, NO-CNT, NO-S-CNT 및 Al 포일에 증착된 소듐 금속의 표면 형태를 분석하였다. 이종 원자가 도핑된 CNT 샘플은 모두 여러 개의 필름과 같은 시트로 구성된 균일한 소듐 금속 형태를 보였으며(도 7a-7e), 또한 Ex-situ 에너지 분산형 X-ray 분광법을 통하여 필름과 같이 증착된 시트는 주로 소듐 금속이라는 것을 확인하였다(도 8). 이러한 필름 형태와는 반대로, Al 호일은 높은 종횡비 형태로 무작위로 성장한 수많은 수지상 소듐 금속을 나타냈으며(도 7f), 고르지 않게 금속 증착되는 경우 전해질 분해와 이끼 같은 부산물을 촉진하여 낮은 CE 값을 가질 수 있다.Figures 7a-7f show the surface morphology of sodium metal deposited on P-CNT, O-CNT, N-CNT, NO-CNT, NO-S-CNT, and Al foil after sodium metal deposition through ex-situ FE-SEM. analyzed. All heteroatom-doped CNT samples showed a uniform sodium metal morphology consisting of several film-like sheets (Figures 7a-7e), and ex-situ energy dispersive X-ray spectroscopy revealed that the film-like sheets were deposited. It was confirmed that it was mainly sodium metal (Figure 8). In contrast to this film morphology, the Al foil exhibited numerous dendritic sodium metals grown randomly in a high aspect ratio form (Figure 7f), which, if unevenly deposited, can promote electrolyte decomposition and moss-like by-products, resulting in low CE values. there is.

도 3c에서는 0.5mA h cm-2의 컷오프 용량으로 1mA cm-2에서 P-CNT, O-CNT, N-CNT 및 NO-CNT에 대한 소듐 금속 도금/스트리핑 공정의 사이클링 성능을 테스트 하였다.In Figure 3c, the cycling performance of the sodium metal plating/stripping process for P-CNT, O-CNT, N-CNT, and NO-CNT was tested at 1 mA cm -2 with a cutoff capacity of 0.5 mA h cm -2 .

도 3d를 참고하면 헤테로 원자 도핑 샘플의 사이클링 안정성은 P-CNT의 안정성보다 우수했다. 구체적으로 P-CNT는 200 사이클 후 사이클 붕괴를 보인 반면, O-CNT, N-CNT 및 NO-CNT는 반복적인 사이클 프로세스에서 300~350 사이클을 견뎌냈다. 한편 NO-S-CNT는 1,000 회 이상 작동 할 수 있으며, 20~1,000 회 사이클 사이에 1, 2, 4mA cm-2에서 ~99.9%의 높은 평균 CE 값을 가졌다.Referring to Figure 3d, the cycling stability of the heteroatom-doped sample was superior to that of P-CNT. Specifically, P-CNTs showed cycle collapse after 200 cycles, whereas O-CNTs, N-CNTs, and NO-CNTs survived 300 to 350 cycles in the repetitive cycling process. Meanwhile, NO-S-CNTs can be operated for more than 1,000 cycles and have a high average CE value of ~99.9% at 1, 2, and 4 mA cm -2 between 20 and 1,000 cycles.

또한 두 개의 동일한 NO-S-CNT 기반 애노드를 사용하여 제조된 대칭 셀을 통하여 사이클링 성능을 추가로 확인하였다(도 3d 및 도 9). 대칭 셀 테스트에서 매우 안정적인 사이클링 동작이 관찰되었으며 서로 다른 전류 속도에서 1,000주기 동안 초기 과전압이 잘 유지되었다. NO-CNT와 NO-S-CNT 사이의 표면 특성이 유사하다는 점을 감안할 때 헤테로 원자가 사이클링 성능을 결정하는 데 중요한 요소가 아님을 알 수 있다.In addition, cycling performance was further confirmed through a symmetric cell fabricated using two identical NO-S-CNT-based anodes (Figures 3d and 9). In symmetric cell tests, very stable cycling behavior was observed and the initial overvoltage was well maintained for 1,000 cycles at different current rates. Given the similarity of surface properties between NO-CNTs and NO-S-CNTs, it can be seen that heteroatoms are not a critical factor in determining cycling performance.

ex-situ분석ex-situ analysis

NO-S-CNT에서 사이클링 성능이 더 우수한 구체적인 원인을 명확히 하기 위하여 300 회 반복 사이클 후 NO-CNT 및 NO-S-CNT에 대하여 ex-situ분석을 수행하였으며, 도 7g 내지 7n에 그 결과를 도시한다.In order to clarify the specific cause of better cycling performance in NO-S-CNT, ex-situ analysis was performed on NO-CNT and NO-S-CNT after 300 repeated cycles, and the results are shown in Figures 7g to 7n. do.

300 번째 사이클 후 1.0V까지 탈염 상태에서 찍은 두 샘플의 ex-situ FE-SEM 이미지는 사이클링 프로세스에서 다른 형태학적 변화를 보여준다(도 7g 및 7h). Ex-situ FE-SEM images of the two samples taken under desalting conditions up to 1.0 V after the 300th cycle show different morphological changes during the cycling process (Figures 7g and 7h).

도 7g를 참고하면 NO-CNT의 경우 많은 양의 이끼 같은 부산물이 표면에서 확인되었으며, 대부분의 기공은 배출 부산물로 막혔다. Referring to Figure 7g, in the case of NO-CNT, a large amount of moss-like by-products were confirmed on the surface, and most pores were clogged with discharged by-products.

도 7h을 참고하면, 고밀도 물질의 존재로 인하여 Li 이온의 질량 전달을 방해하여 순환 붕괴를 일으키게 되는데, 반면 NO-S-CNT는 동일한 조건 하에서도 고유한 형태와 다공성 구조를 유지하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 7h, the presence of a high-density material interferes with the mass transfer of Li ions, causing cyclic collapse, whereas it can be seen that NO-S-CNT maintains its unique shape and porous structure even under the same conditions. .

NO-S-CNT의 미세 구조적 특징은 300주기 후 ex-situ FE-TEM 관찰을 통하여도 확인할 수 있는데, 도 7i에서 NO-S-CNT의 잘 정렬된 그래파이트 격자 구조가 사이클링 후에도 잘 유지되는 반면, 도 7j에서 NO-CNT는 격자가 닳고 손상되었음을 볼 수 있다.The microstructural features of NO-S-CNTs can also be confirmed through ex-situ FE-TEM observation after 300 cycles. In Figure 7i, the well-ordered graphite lattice structure of NO-S-CNTs is well maintained even after cycling. In Figure 7j, it can be seen that the lattice of NO-CNT is worn and damaged.

또한 도 7k의 상단을 참고하면, 300 번째 사이클 이후 NO-CNT의 ex-situ XPS 깊이 프로파일은 상당히 높은 산소와 소듐 함량을 보인다. 그 중 O/C 및 O/Na 비율은 3,000 초 이상의 에칭 과정에서 높은 것으로 관찰되었다. 이러한 산소와 소듐 원자는 주로 결함이 있는 탄소 표면이나 반복적인 사이클링 중에 형성된 부산물에서 비롯되며, 따라서 많은 수의 산소와 소듐 원자로부터 탄소 구조가 부식되었고 많은 양의 부산물이 순환하면서 표면에 쌓여 있음을 알 수 있다.Also, referring to the top of Figure 7k, the ex-situ XPS depth profile of NO-CNT after the 300th cycle shows significantly higher oxygen and sodium contents. Among them, the O/C and O/Na ratios were observed to be high during etching processes longer than 3,000 seconds. These oxygen and sodium atoms mainly come from defective carbon surfaces or by-products formed during repeated cycling, so it can be seen that the carbon structure has been corroded from a large number of oxygen and sodium atoms and a large amount of by-products are accumulated on the surface as it cycles. You can.

한편, NO-CNT의 ex-situ XPS 데이터는 NO-S-CNT의 데이터와 대조되는데, NO-S-CNT의 데이터는 에칭 깊이에 따라 훨씬 더 작은 O/C 및 Na/C 비율을 유지하게 된다(도 7). 모든 ex-situ 결과를 고려할 때 사이클링 붕괴는 탄소 미세 구조와 밀접하게 관련되어 있다. 사이클링 과정에서 탄소 구조의 열화는 CNT 표면의 비활성 표면 영역이 확대되었음을 의미한다. 비활성 탄소 표면에 형성된 더 많은 부산물이 다공성 구조를 막아 셀의 피독을 유발한다. 따라서 이러한 ex-situ 결과는 보다 정렬된 흑연 구조에서 막힘 시간이 상당히 지연되어 더 긴 사이클의 수명을 가질 수 있음을 나타낸다. Meanwhile, the ex-situ (Figure 7). Considering all ex-situ results, cycling decay is closely related to carbon microstructure. Deterioration of the carbon structure during the cycling process means that the inactive surface area of the CNT surface is expanded. More by-products formed on the inert carbon surface block the porous structure, causing cell poisoning. Therefore, these ex-situ results indicate that in a more ordered graphitic structure, the plugging time is significantly delayed, leading to a longer cycle life.

전기 화학 임피던스 분광법 (EIS)Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

사이클링 과정에서 전기 화학 저항의 변화를 확인하기 위해 ex-situ 전기 화학 임피던스 분광법 (EIS)을 수행하였으며, 임피던스 분석기(ZIVE SP2, WonATech)를 사용하여 실온에서 1MHz~1mHz 주파수 범위로 수행되었다(도 7l).To determine changes in electrochemical resistance during the cycling process, ex-situ electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed using an impedance analyzer (ZIVE SP2, WonATech) at room temperature and in the frequency range of 1 MHz to 1 mHz (Figure 7l). ).

NO-CNT의 EIS 프로파일은 10 번째 사이클에서 ~200 Ω의 전하 전달 저항 (Rct)을 가지며, Rct 값은 각각 50, 100 및 300 번째 사이클에서 ~250, ~270 및 ~320 Ω으로 사이클링이 증가함에 따라 증가했다. 따라서 사이클 수가 증가함에 따라 소듐 이온 및 전자 수송이 더 어려워지는 것을 확인할 수 있다. The EIS profile of NO-CNT has a charge transfer resistance (Rct) of ~200 Ω at the 10th cycle, with Rct values increasing with cycling to ~250, ~270, and ~320 Ω at the 50th, 100th, and 300th cycle, respectively. increased accordingly. Therefore, it can be seen that as the number of cycles increases, sodium ion and electron transport becomes more difficult.

NO-S-CNT의 EIS 프로파일에서도 유사한 경향이 관찰되나, NO-S-CNT의 Rct 값은NO-CNT에 비하여 훨씬 작았고 증가율 또한 낮았다. 구체적으로 10 번째 사이클에서 NO-S-CNT의 Rct 값은 ~120 Ω이었으며, 이는 각각 50, 100 및 300 번째 사이클에서 ~135, ~145 및 ~160 Ω으로 증가하였다.A similar trend was observed in the EIS profile of NO-S-CNT, but the Rct value of NO-S-CNT was much smaller and the increase rate was also lower than that of NO-CNT. Specifically, the Rct value of NO-S-CNT at the 10th cycle was ~120 Ω, which increased to ~135, ~145, and ~160 Ω at the 50th, 100th, and 300th cycles, respectively.

상기 EIS 데이터는 ex-situ FE-SEM, FE-TEM 및 XPS 결과와 일치하며, 이러한 ex-situ 결과를 통하여 탄소 미세 구조가 가역 소듐 금속 저장을 위한 탄소 기반 전극 재료의 사이클링 성능에 있어서 중요한 역할을 함을 알 수 있다.The EIS data are consistent with ex-situ FE-SEM, FE-TEM, and XPS results, which show that carbon microstructure plays an important role in the cycling performance of carbon-based electrode materials for reversible sodium metal storage. It can be seen that

실험예 3: 풀 셀 테스트Experimental Example 3: Full cell test

철 기반 캐소드인 Na4Fe3(PO4)2(P2O7)를 사용하여 풀 셀 실험을 수행하였다.Full-cell experiments were performed using an iron-based cathode, Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ).

도 10은 glyme 기반 전해질(DEGDME에서 1 M NaPF6)에서 1.7 ~ 4.0 V의 전압 창에 걸쳐서 10mA gcathode -1의 특정 전류 속도에서 ~110mA h gcathode -1의 비용량과 ~2.98V의 평균 전압을 갖는 캐소드의 전기화학적 성능을 보여준다(도 10a).Figure 10 shows a specific capacity of ∼110 mA h g cathode −1 and an average voltage of ∼2.98 V at a specific current rate of 10 mA g cathode −1 over a voltage window of 1.7 to 4.0 V in a glyme-based electrolyte (1 M NaPF6 in DEGDME). The electrochemical performance of the cathode is shown (Figure 10a).

도 10b 및 S7c에서 Na4Fe3(PO4)2(P2O7) 캐소드는 뛰어난 방전용량비(rate capability)와 사이클링 안정성을 보여주었다. 구체적으로 도 10b에서 비전류율이 0.02 A gcathode -1, 0.05 A gcathode -1, 0.1 A gcathode -1, 0.2 A gcathode -1, 0.4 A gcathode -1, 0.7 A gcathode -1, 1.0 A gcathode -1, 1.5 A gcathode -1, 2.0 A gcathode -1, 4.0 A gcathode -1 및 8.0A gcathode -1로 점진적으로 증가함에 따라 비용량은 108.3 mA h gcathode -1, 106.5 mA h gcathode -1, 103.5 mA h gcathode -1, 102.5 mA h gcathode -1, 100.8 mA h gcathode -1, 98.7 mA h gcathode -1, 97.1 mA h gcathode -1, 94.8 mA h gcathode -1, 92.7 mA h gcathode -1, 85.6 mA h gcathode -1 및 72.1mA h gcathode -1로 잘 유지되었으며, 800 배 더 높은 전류 속도에서도 초기 용량에 비해 ~65%의 용량을 유지하는 것을 확인하였다. 또한 도 10c에서 500 회 이상의 반복적인 정류 충전/방전 사이클 후에 거의 100% 용량 유지가 달성되었으며 평균 CE 값은 99.8%였다.In FIGS. 10b and S7c, the Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) cathode showed excellent rate capability and cycling stability. Specifically, in Figure 10b, the specific current rates are 0.02 A g cathode -1 , 0.05 A g cathode -1 , 0.1 A g cathode -1 , 0.2 A g cathode -1 , 0.4 A g cathode -1 , 0.7 A g cathode -1 , With gradual increase to 1.0 A g cathode -1 , 1.5 A g cathode -1 , 2.0 A g cathode -1 , 4.0 A g cathode -1 and 8.0 A g cathode -1 , the specific capacity is 108.3 mA hg cathode -1 , 106.5 mA hg cathode -1 , 103.5 mA hg cathode -1 , 102.5 mA hg cathode -1 , 100.8 mA hg cathode -1 , 98.7 mA hg cathode -1 , 97.1 mA hg cathode -1 , 94.8 mA hg cathode -1 , 92.7 mA hg cathode -1 , 85.6 mA hg cathode -1, and 72.1 mA hg cathode -1 were well maintained, and it was confirmed that ~65% of the initial capacity was maintained even at a current rate 800 times higher. Additionally, in Figure 10c, almost 100% capacity retention was achieved after more than 500 repetitive rectified charge/discharge cycles, with an average CE value of 99.8%.

빠르고 안정적인 소듐 이온 저장 성능을 갖는 Na4Fe3(PO4)2(P2O7) 캐소드를 SMB 용 NO-S-CNT 기반 소듐 금속 애노드의 대응 전극으로 사용하였다. 각각의 반쪽 전지에서 NO-S-CNT 전극과 Na4Fe3(PO4)2(P2O7) 전극은 프리사이클한 후 SMB를 조립하여, SEI 층 형성으로 인한 초기 부반응과 두 전극에서 발생하는 다른 비가역적 반응을 줄였다. 프리사이클링 공정에서는 과잉 소듐 금속(excessive sodium metal) 로딩량을 달리 하여 사이클링 공정 중 소듐 손실을 보완하였다. NO-S-CNT와 Na4Fe3(PO4)2(P2O7) 모두 약 100 %의 상당히 높은 CE 값을 나타내기 때문에, 과잉 소듐 금속량이 적으면 애노드 최소화된 SMB의 수명이 더 길어질 수 있다.Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) cathode, which has fast and stable sodium ion storage performance, was used as the corresponding electrode of NO-S-CNT-based sodium metal anode for SMB. In each half-cell, the NO-S-CNT electrode and the Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) electrode are precycled and then assembled into SMB, causing initial side reactions due to the formation of an SEI layer and occurring at the two electrodes. Reduces other irreversible reactions. In the precycling process, sodium loss during the cycling process was compensated by varying the loading amount of excess sodium metal. Since both NO-S-CNT and Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) exhibit significantly high CE values of approximately 100%, a lower amount of excess sodium metal would lead to a longer lifetime of the anode-minimized SMB. You can.

과잉 소듐 금속의 로딩량이 적은 SMB의 높은 성능을 입증하기 위하여, 과잉 소듐 금속의 로딩량을 달리하는 Na-NO-S-CNT//Na4Fe3(PO4)2(P2O7) 셀의 전기 화학적 성능을 전류 속도를 달리하며 테스트하였으며, 총 전극 중량은 Na 금속, Na-NO-S-CNT, 및 Na4Fe3(PO4)2(P2O7)의 로딩량의 합으로 계산되었다. 활성 애노드와 캐소드 로딩 질량은 각각 ~0.14 및 ~2.05 mg cm-2이고, 전극 면적은 각각 2.0 cm-2로 구성되었다(총 애노드와 캐소드 로딩 질량: 각 ~0.28 mg 및 ~4.10 mg). 프리사이클링 프로세스에서 NO-S-CNT에 각각 ~0.17 mg (~0.2mAh), ~0.34 mg (~0.4mAh), ~0.51 mg (~0.6mAh), ~0.68 mg (~0.8mAh), ~0.86mg (~1.0mAh)의 과잉 소듐 금속을 로드 하였다. 이렇게 주입된 과잉 소듐 금속 함량의 비용량은 캐소드 용량의 40~200%에 해당하고 총 애노드 질량(소듐 금속+NO-S-CNT)은 활성 캐소드 질량의 11 ~ 28 %였다.In order to demonstrate the high performance of SMB with a low loading amount of excess sodium metal, Na-NO-S-CNT//Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) cells with different loading amounts of excess sodium metal were used. The electrochemical performance of was tested at different current rates, and the total electrode weight was calculated as the sum of the loading amounts of Na metal, Na-NO-S-CNT, and Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ). It was calculated. The active anode and cathode loading masses were ~0.14 and ~2.05 mg cm -2 , respectively, and the electrode area consisted of 2.0 cm -2 respectively (total anode and cathode loading masses: ~0.28 mg and ~4.10 mg, respectively). In the precycling process, ~0.17 mg (~0.2 mAh), ~0.34 mg (~0.4 mAh), ~0.51 mg (~0.6 mAh), ~0.68 mg (~0.8 mAh), and ~0.86 mg were added to NO-S-CNTs, respectively. (~1.0 mAh) of excess sodium metal was loaded. The specific capacity of this injected excess sodium metal content corresponded to 40 to 200% of the cathode capacity, and the total anode mass (sodium metal + NO-S-CNT) was 11 to 28% of the active cathode mass.

도 12a는 소듐 금속 함량을 다르게 포함한 풀 셀의 정전류 충전/방전 프로파일을 보여 주며, 여기서 애노드 및 캐소드 프로파일은 도 11에 도시된다. 풀 셀 프로파일은 하프 셀 구성(도 10)의 캐소드 프로파일과 유사했지만, 애노드 질량이 증가함에 따라 비용량이 감소했다. 애노드 질량 제어 풀 셀 테스트를 통하여 과잉 소듐 금속 함량으로 인해 SMB의 사이클 수명이 체계적으로 연장될 수 있음을 확인하였다. Figure 12a shows galvanostatic charge/discharge profiles of full cells with different sodium metal contents, where the anode and cathode profiles are shown in Figure 11. The full-cell profile was similar to the cathode profile of the half-cell configuration (Figure 10), but the specific capacity decreased with increasing anode mass. Through anode mass-controlled full-cell testing, it was confirmed that the cycle life of SMB could be systematically extended due to excess sodium metal content.

과잉 소듐 금속 없이 NO-S-CNT를 적용했을 경우, 애노드가 없는 SMB는 애노드와 캐소드가 모두 높은 CE 값을 가짐에도 불구하고 용량이 급격히 감소했으며, 이때 애노드가 없는 SMB의 용량 유지력은 5 사이클, 10사이클, 및 15사이클에서 각각 초기 용량의 94.2%, 80.8%, 및 75.2%였다(도 12b). 이를 통하여 SMB에 거의 100% CE 값을 갖는 고성능 전극 쌍이 사용되는 경우에도 안정적인 사이클링을 유지하기 위해 여분의 소듐 금속이 필수적임을 나타낸다.When NO-S-CNTs were applied without excess sodium metal, the capacity of the anode-free SMB decreased rapidly even though both the anode and cathode had high CE values, and the capacity retention of the anode-free SMB was 5 cycles; It was 94.2%, 80.8%, and 75.2% of initial capacity at 10 and 15 cycles, respectively (Figure 12b). This shows that extra sodium metal is essential to maintain stable cycling even when high-performance electrode pairs with nearly 100% CE values are used in SMB.

~0.2mAh, ~0.4mAh, ~0.6mAh, ~0.8mAh 및 ~1.0mAh의 과잉 소듐 금속이 NO-S-CNT에 로드되는 경우, Na/NO-S-CNT//Na4Fe3(PO4)2(P2O7) SMB에서 각각 125 사이클, 235 사이클, 370 사이클, 650 사이클 및 1000사이클 동안 유지되는 현저하게 향상된 사이클링 성능을 보여 주었다. 상기 사이클링 성능은 용량 유지력이 초기 용량의 최대 75%에 도달한 시점에서 계산되었다. 특히, ~1.0mA h의 과잉 소듐을 포함하는 SMB는 초기 용량의 75.2% 용량 유지력으로 1,000 회 이상 작동할 수 있었다. 또한 금속 함량이 증가되었음에도 불구하고 SMB의 방전용량비(rate capabilities)는 0.1~8 Ag-1의 전류 밀도 범위에 걸쳐서 약간의 영향을 받았으며, 이는 우수한 전력 성능을 나타낸다(도 12c). When excess sodium metal of ~0.2 mAh, ~0.4 mAh, ~0.6 mAh, ~0.8 mAh and ~1.0 mAh is loaded into the NO-S-CNT, Na/NO-S-CNT//Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) SMB showed significantly improved cycling performance maintained for 125 cycles, 235 cycles, 370 cycles, 650 cycles, and 1000 cycles, respectively. The cycling performance was calculated when capacity retention reached up to 75% of initial capacity. In particular, the SMB containing excess sodium of ~1.0 mA h was able to operate for more than 1,000 cycles with a capacity retention of 75.2% of the initial capacity. Additionally, despite the increased metal content, the rate capabilities of SMB were slightly affected over the current density range of 0.1 to 8 Ag -1 , indicating excellent power performance (FIG. 12c).

도 12d는 비에너지(specific energy)와 전력 밀도 간의 관계를 종래 보고된 결과값들과 함께 라곤 플롯(Ragone plot)에 표시하였다. 애노드를 달리한 SMB의 에너지 밀도는 과잉 소듐 금속의 로딩량에 따라서 달라지며, 0.2mAh-1 Na 로딩 SMB에서 ~289Wh kg-1의 높은 비에너지 밀도를 가졌다. 특히 1.0 mAh-1 Na 로딩 SMB 샘플의 경우, 295.87 W kg-1에서 ~214.7 Wh kg-1의 가장 낮은 에너지 밀도를 보였지만, 비에너지 밀도는 FeS2 - xSex//NVP, SnPSe3@G//NVP, FeS2//NVP, FeP@OCF//NVP, NMTiO2//NG, VN//AC, 및 S-HIC 셀과 같은 종전 연구에 비하여는 여전히 훨씬 높은 값을 보였다. Figure 12d shows the relationship between specific energy and power density in a Ragone plot along with previously reported results. The energy density of SMB with different anodes varies depending on the loading amount of excess sodium metal, and the SMB loaded with 0.2 mAh -1 Na had a high specific energy density of ~289 Wh kg -1 . In particular, the 1.0 mAh -1 Na loading SMB sample showed the lowest energy density of ~214.7 Wh kg -1 at 295.87 W kg -1 , but the specific energy density was lower than that of FeS 2 - x Se x //NVP, SnPSe 3 @G //NVP, FeS 2 //NVP, FeP@OCF//NVP, NMTiO 2 //NG, VN//AC, and S-HIC cells still showed much higher values compared to previous studies.

과잉 애노드를 적용한 SMB 테스트에서 알 수 있듯이, 과잉 소듐 금속 로딩량을 조절하여 비에너지 밀도와 사이클링 안정성을 얻을 수 있었다. 즉, SMB의 전기 화학적 성능은 과잉 소듐 금속 로딩량을 통하여 제어할 수 있으며, 이는 타겟으로 하는 응용 분야에 따라 조정할 수 있다. 우수한 전기 화학적 성능과 저렴한 가격을 감안할 때, 본 발명의 구현예에 따른 SMB는 그리드 시스템용 대규모 에너지 저장 장치에 적용될 수 있을 뿐 아니라 EV 및 드론 시장에서 경쟁력을 가질 수 있다. As seen in the SMB test with excess anode, specific energy density and cycling stability could be obtained by controlling the excess sodium metal loading. In other words, the electrochemical performance of SMB can be controlled through excess sodium metal loading, which can be adjusted depending on the targeted application. Considering its excellent electrochemical performance and low price, SMB according to embodiments of the present invention can not only be applied to large-scale energy storage devices for grid systems, but also be competitive in the EV and drone markets.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters stated in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention into various forms. Accordingly, such improvements and changes will fall within the scope of protection of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

Claims (15)

결정성 그라파이트 탄소 구조; 및
상기 결정성 그라파이트 탄소 구조의 적어도 일부분 상에 위치하는 비정질 탄소 구조;를 포함하며,
상기 비정질 탄소 구조는 질소(N) 및 산소(O) 원자로 도핑되며,
상기 비정질 탄소 구조는 피리딘-N(pyridinic-N) 구조 및 피리돈-N(pyridonic-N) 구조를 포함하되, 피리딘-N(pyridinic-N) 구조에 비하여 피리돈-N(pyridonic-N) 구조를 많은 양으로 포함하며,
라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 D밴드 피크 강도(ID)와 G밴드 피크 강도(IG)의 비 ID/IG를 0.1 내지 0.3으로 갖는, 소듐 금속전지용 애노드 소재.
Crystalline graphitic carbon structure; and
An amorphous carbon structure located on at least a portion of the crystalline graphite carbon structure,
The amorphous carbon structure is doped with nitrogen (N) and oxygen (O) atoms,
The amorphous carbon structure includes a pyridinic-N structure and a pyridonic-N structure. Compared to the pyridinic-N structure, the pyridonic-N structure Contains a large amount of
An anode material for a sodium metal battery having a ratio I D /I G of 0.1 to 0.3 between the D-band peak intensity (I D ) and the G-band peak intensity (I G ) measured in a Raman spectroscopic spectrum.
제1항에 있어서,
상기 애노드 소재는 150 m2g-1 이상의 비표면적을 갖는, 소듐 금속전지용 애노드 소재.
According to paragraph 1,
The anode material is an anode material for a sodium metal battery having a specific surface area of 150 m 2 g -1 or more.
제1항에 있어서,
상기 애노드 소재는 C/N 원소 비율 및 C/O 원소 비율이 30 이하인, 소듐 금속전지용 애노드 소재.
According to paragraph 1,
The anode material is an anode material for a sodium metal battery having a C/N element ratio and a C/O element ratio of 30 or less.
제1항에 있어서,
상기 애노드 소재는 IUPAC에서 정의한 질소 흡착 등온선이 TYPE Ⅳ의 메조포러스 기공 구조를 갖는, 소듐 금속전지용 애노드 소재.
According to paragraph 1,
The anode material is an anode material for a sodium metal battery that has a mesoporous pore structure with a nitrogen adsorption isotherm defined by IUPAC of TYPE Ⅳ.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 소듐 금속전지용 애노드 소재를 포함하는, 소듐 이차전지.A sodium secondary battery comprising the anode material for a sodium metal battery of any one of claims 1 to 4. 제5항에 있어서,
상기 소듐 금속전지용 애노드 소재는 소듐 금속으로 사전 로딩되어 과잉 소듐 금속을 함유하는, 소듐 이차전지.
According to clause 5,
The anode material for the sodium metal battery is pre-loaded with sodium metal and contains excess sodium metal.
탄소 소재를 준비하는 단계;
상기 탄소 소재를 열처리 하는 단계; 및
상기 탄소 소재를 하나 이상의 이종 전구체로 처리하여 이종 원소로 기능화하는 단계;를 포함하는, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법.
Preparing a carbon material;
heat treating the carbon material; and
The method of manufacturing an anode material for a sodium metal battery according to any one of claims 1 to 4, comprising the step of functionalizing the carbon material with a heterogeneous element by treating the carbon material with one or more heterogeneous precursors.
제7항에 있어서,
상기 탄소 소재는 CNT, RGO 및 카본 블랙(carbon black)으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상인, 소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법.
In clause 7,
A method of manufacturing an anode material for a sodium metal battery, wherein the carbon material is at least one selected from the group consisting of CNT, RGO, and carbon black.
제7항에 있어서,
상기 열처리 단계에서, 열처리 온도 프로파일을 제어하여 탄소 소재의 미세 결정 구조를 제어하는, 소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법.
In clause 7,
In the heat treatment step, a method of manufacturing an anode material for a sodium metal battery, wherein the fine crystal structure of the carbon material is controlled by controlling the heat treatment temperature profile.
제7항에 있어서,
상기 열처리 단계는 1500 내지 2800 ℃ 온도 범위에서 수행되는, 소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법.
In clause 7,
The heat treatment step is performed in a temperature range of 1500 to 2800 ° C.
제7항에 있어서,
상기 이종 전구체는 질소(N) 함유 전구체 및 산소(O) 함유 전구체 중 하나 이상의 전구체를 포함하는, 소듐 금속전지용 애노드 소재 제조 방법.
In clause 7,
The heterogeneous precursor is a method of manufacturing an anode material for a sodium metal battery, including one or more precursors of a nitrogen (N)-containing precursor and an oxygen (O)-containing precursor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020210041448A 2021-03-30 2021-03-30 Anode material for sodium metal battery and the method for manufacturing the same KR102652684B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210041448A KR102652684B1 (en) 2021-03-30 2021-03-30 Anode material for sodium metal battery and the method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210041448A KR102652684B1 (en) 2021-03-30 2021-03-30 Anode material for sodium metal battery and the method for manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220135579A KR20220135579A (en) 2022-10-07
KR102652684B1 true KR102652684B1 (en) 2024-04-01

Family

ID=83596004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210041448A KR102652684B1 (en) 2021-03-30 2021-03-30 Anode material for sodium metal battery and the method for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102652684B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107331833A (en) 2017-05-27 2017-11-07 深圳大学 A kind of preparation method of anode material of lithium-ion battery
CN108821258A (en) 2018-06-15 2018-11-16 陕西科技大学 A kind of stub constructs the preparation method of three-dimensional porous nitrogen sulfur doping carbon material used as anode
CN109706551A (en) 2018-11-27 2019-05-03 陆鹏蓉 A kind of nitrogen, the Carbon fibe beam of oxygen codope and its application as anode material of lithium-ion battery
US20190165365A1 (en) 2017-11-30 2019-05-30 Nanotek Instruments, Inc. Anode Particulates or Cathode Particulates and Alkali Metal Batteries Containing Same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101602168B1 (en) * 2014-03-31 2016-03-11 인하대학교 산학협력단 Manufacturing method of natrium ion battery anode material
US10170749B2 (en) * 2016-06-07 2019-01-01 Nanotek Instruments, Inc. Alkali metal battery having an integral 3D graphene-carbon-metal hybrid foam-based electrode
KR101972952B1 (en) * 2017-09-29 2019-04-26 인하대학교 산학협력단 Catalytic Carbon Nanotemplate for Sodium Metal Battery Anode and Method for Preparing the Same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107331833A (en) 2017-05-27 2017-11-07 深圳大学 A kind of preparation method of anode material of lithium-ion battery
US20190165365A1 (en) 2017-11-30 2019-05-30 Nanotek Instruments, Inc. Anode Particulates or Cathode Particulates and Alkali Metal Batteries Containing Same
CN108821258A (en) 2018-06-15 2018-11-16 陕西科技大学 A kind of stub constructs the preparation method of three-dimensional porous nitrogen sulfur doping carbon material used as anode
CN109706551A (en) 2018-11-27 2019-05-03 陆鹏蓉 A kind of nitrogen, the Carbon fibe beam of oxygen codope and its application as anode material of lithium-ion battery

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Applied Physics Reviews 8, 011402 (2021)
Scientific Reports volume 10, Article number: 18793 (2020)
Small(이태릭). Wiley-VCH. 2021.3.18., vol.17(제1면 내지 제10면, 뒷받침 자료) 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220135579A (en) 2022-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200343557A1 (en) Lithium ion battery and battery materials
Kim et al. Facile conversion of activated carbon to battery anode material using microwave graphitization
Zhang et al. Capillarity composited recycled paper/graphene scaffold for lithium–sulfur batteries with enhanced capacity and extended lifespan
Zheng et al. Activated graphene with tailored pore structure parameters for long cycle-life lithium–sulfur batteries
Liu et al. Nitrogen-doped carbon nanotube sponge with embedded Fe/Fe 3 C nanoparticles as binder-free cathodes for high capacity lithium–sulfur batteries
Zhao et al. Sulfur-infiltrated porous carbon microspheres with controllable multi-modal pore size distribution for high energy lithium–sulfur batteries
Li et al. Carbon black cathodes for lithium oxygen batteries: Influence of porosity and heteroatom-doping
Bulusheva et al. Creation of nanosized holes in graphene planes for improvement of rate capability of lithium-ion batteries
EP3168905A1 (en) Carbon composites
Liu et al. Electrospun nitrogen-doped carbon nanofibers with tuned microstructure and enhanced lithium storage properties
Saroha et al. V2O3-decorated carbon nanofibers as a robust interlayer for long-lived, high-performance, room-temperature sodium–sulfur batteries
Li et al. Heteroatom dopings and hierarchical pores of graphene for synergistic improvement of lithium–sulfur battery performance
KR101904360B1 (en) Sulfur embedded composite using nonconductor and Li―S battery
Wang et al. Sulfur impregnated in tunable porous N-doped carbon as sulfur cathode: effect of pore size distribution
Zhao et al. Fabrication of high conductive S/C cathode by sulfur infiltration into hierarchical porous carbon/carbon fiber weave-structured materials via vapor-melting method
Lin et al. Nitrogen-doped porous carbon fiber/vertical graphene as an efficient polysulfide conversion catalyst for high-performance lithium–sulfur batteries
Wang et al. Toward a practical Li-S battery enabled by synergistic confinement of a nitrogen-enriched porous carbon as a multifunctional interlayer and sulfur-host material
Lin et al. Effect of nitrogen-doped carbon/Ketjenblack composite on the morphology of Li2O2 for high-energy-density Li–air batteries
Gaikwad et al. In situ graphitized hard carbon xerogel: A promising high-performance anode material for Li-ion batteries
US10910638B2 (en) Method of making hard carbon materials
Yu et al. Porous activity of biomass-activated carbon enhanced by nitrogen-dopant towards high-performance lithium ion hybrid battery-supercapacitor
Wang et al. 3D porous Li 3 V 2 (PO 4) 3/hard carbon composites for improving the rate performance of lithium ion batteries
WO2021246965A1 (en) A coral-like composite material and a method of preparing the same
KR102652684B1 (en) Anode material for sodium metal battery and the method for manufacturing the same
EP3940828A1 (en) Carbon electrode material for manganese/titanium-based redox flow battery

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant