KR20220049776A - Carbon nanotube dispersion, manufacturing method of the same, and usage - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a carbon nanotube dispersion, a method for preparing the same and use of the carbon nanotube dispersion. The carbon nanotube dispersion according to the present invention is a dispersion including carbon nanotubes dispersed in a solvent, wherein the dispersed carbon nanotubes have an average particle diameter (D_50) of 1-500 micrometers and an absolute value of zeta potential of 10 mV or more, and thus improves electrical conductivity or heat radiating property to allow quick charging and to provide increased capacity. According to the method for preparing a carbon nanotube dispersion of the present invention, carbon nanotube agglomerates can be separated stably into an individual carbon nanotube level, and carbon nanotubes can be dispersed at high concentration. In addition, the present invention provides a carbon nanotube conductive material which improves electrical conductivity or heat radiating property to allow safe quick charging and to provide increased capacity, and a lithium ion battery which ensures stability, realizes high capacity and shows high cost-efficiency.

Description

탄소나노튜브 분산액, 그 제조방법 및 용도{Carbon nanotube dispersion, manufacturing method of the same, and usage}Carbon nanotube dispersion, manufacturing method and usage thereof

본 발명은 탄소나노튜브 분산액, 그 제조방법 및 용도에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 번들을 분산시켜 얻어진 탄소나노튜브 분산액과 이를 제조하는 일 수단으로서의 방법, 이를 포함하는 도전재, 리튬 이온 배터리와 같은 용도에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon nanotube dispersion, a manufacturing method and use thereof, and more particularly, a carbon nanotube dispersion obtained by dispersing a carbon nanotube bundle, a method as a means for preparing the same, a conductive material comprising the same, and lithium ions It relates to uses such as batteries.

탄소나노튜브(이하, 「CNT」라고 약칭할 수 있다)는 도전성, 열전도성, 기계적 강도 등 여러 가지의 특성이 우수하기 때문에, 종래부터 다양한 공업적 응용이 검토되고 있다. 예를 들면, 전극 재료의 전도성 탄소계 소재로서 응용되고 있다. Carbon nanotubes (hereinafter, may be abbreviated as "CNT") are excellent in various properties such as electrical conductivity, thermal conductivity, and mechanical strength, and thus various industrial applications have been studied. For example, it is applied as a conductive carbon-based material for an electrode material.

환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.As interest in environmental issues grows, research on electric vehicles and hybrid electric vehicles that can replace vehicles using fossil fuels such as gasoline vehicles and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, is being conducted.

이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 대형 리튬 이온 배터리를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다. 이러한 리튬 이온 배터리의 용량 등 전기적 특성은 애노드 및 캐소드 활물질의 전기화학적 특성에 의해 크게 좌우된다.Research using a large-sized lithium-ion battery as a power source for such electric vehicles and hybrid electric vehicles is being actively conducted, and some are in the commercialization stage. Electrical characteristics such as capacity of the lithium ion battery are largely influenced by the electrochemical characteristics of the anode and cathode active materials.

재충전가능한 리튬 이온 배터리와 같은 2차 전지는 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘 이온과 같은 1 이상의 전하 캐리어가 방전이 일어나는 동안 애노드에서 캐소드로 이동하였다가 충전시에는 다시 되돌아가는 배터리군을 구성한다. 리튬 이온 전지와 같은 2차 전지는 중량에 비해 우수한 에너지 출력을 내고, 메모리 효과가 무시해도 좋을 정도이고 사용하지 않을 때에는 전력이 느리게 소진된다는 점에서 항공우주 분야, 군사 분야 및 차량 분야에서도 유용하다. Secondary cells, such as rechargeable lithium-ion batteries, constitute a group of batteries in which one or more charge carriers, such as lithium, sodium, potassium, calcium or magnesium ions, move from the anode to the cathode during discharge and back again during charging. . Secondary batteries, such as lithium-ion batteries, are also useful in aerospace, military and automotive applications in that they provide excellent energy output for their weight, have a negligible memory effect, and dissipate power slowly when not in use.

이와 같은 리튬 이온 배터리에 있어서 애노드 내지 캐소드에 포함되는 도전재로서 탄소나노튜브의 응용이 고려되고 있는데, 탄소나노튜브는 캐소드에 있어서 전도성 소재로 포함되는 경우, 기존 전도성 소재로 다량 사용되는 카본 블랙을 대체하거나 그 사용량을 줄일 수 있으면서도 전도성을 향상시켜 궁극적으로 안전한 고속 충전을 보장할 수 있고, 고가의 카본 블랙을 대체하여 가격을 절감할 수 있는 측면에서 유리할 수 있다. In such a lithium ion battery, the application of carbon nanotubes as a conductive material included in the anode or the cathode is being considered. It can be replaced or its usage can be reduced, but it can be advantageous in terms of improving conductivity, ultimately ensuring safe fast charging, and reducing the price by replacing expensive carbon black.

리튬 이온 배터리에 있어서 애노드는 통상적으로 흑연계 복합층을 갖는 구리 집전장치를 포함하는데, 더 많은 전력을 필요로 하는 새로운 응용 분야, 일예로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차의 개발로 인해 흑연보다 중량 용량이 더 큰 전극 재료에 대한 요구가 있으며 이러한 용량의 증가에 있어서 도전재로서 탄소나노튜브를 혼합하는 것이 바람직할 수 있다.In a lithium-ion battery, the anode typically includes a copper current collector having a graphite-based composite layer, and has a higher weight capacity than graphite due to the development of new applications requiring more power, for example, electric vehicles and hybrid electric vehicles. There is a demand for a larger electrode material, and in increasing the capacity, it may be desirable to mix carbon nanotubes as a conductive material.

이와 같이 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 리튬 이온 배터리를 적용하는 데 있어서 애노드나 캐소드에 탄소나노튜브를 접목하는 것이 안전성을 향상시키고 가격을 낮출 수 있으면서 용량이 증가된 동력원을 제공할 수 있는 장점이 있으나, 이것은 어디까지나 탄소나노튜브가 안정적으로 분산될 것을 전제로 한다. As such, in applying a lithium-ion battery as a power source for electric vehicles and hybrid electric vehicles, grafting carbon nanotubes to the anode or cathode can improve safety, lower the price, and provide a power source with increased capacity. Although there are advantages, this is premised on the stable dispersion of carbon nanotubes to the last.

탄소나노튜브는 나노미터 단위의 원통형상 구조를 가지고 있으며, 탄소 원자가 나선모양에 배열하고 있어, 통상적인 물질에서 찾을 수 없는 특유의 물성을 가지고 있어서, 그 특유의 전기적 특성, 강도, 복원성 및 열전도성 등의 우수한 물성으로 인하여 다양한 응용 기술이 개발되고 있다.Carbon nanotubes have a cylindrical structure in nanometer units, and because carbon atoms are arranged in a spiral shape, they have unique physical properties that cannot be found in conventional materials, and their unique electrical properties, strength, stability, and thermal conductivity. Various application technologies are being developed due to excellent physical properties such as

그러나 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 구성 원자가 전부 표면 원자이기 때문에 탄소나노튜브 간의 반데르발스 힘에 의한 응집이 발생하기 쉽고, 복수 개의 탄소나노튜브로 이루어지는 번들(bundle) 또는 응집체(agglomerate) 구조로 형성되어 있는 경우가 많고, 다중벽 탄소나노튜브도 서로 그물처럼 얽힌 상태로서 큰 응집체를 형성하고 있다.However, single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are prone to aggregation due to van der Waals forces between carbon nanotubes because all constituent atoms are surface atoms, and have a bundle or agglomerate structure composed of a plurality of carbon nanotubes. In many cases, the multi-walled carbon nanotubes are also entangled with each other like a net, forming large aggregates.

탄소나노튜브가 갖는 우수한 전기적 특성을 전극 소재에서 구현하기 위해서는 얽혀져있는 상태로 존재하는 탄소나노튜브 로프(rope) 내지 번들(bundle)을 적당한 크기로 잘라내고 가능한 한 개별 탄소나노튜브 수준으로 분리하여 안정된 나노분산 상태를 구현해줄 수 있어야 한다. 탄소나노튜브는 응집력이 커서 물이나 유기용매, 폴리머 등에 분산되기 어렵다. In order to realize the excellent electrical properties of carbon nanotubes in electrode materials, the entangled carbon nanotube ropes or bundles are cut to an appropriate size and separated as much as possible at the level of individual carbon nanotubes. It should be able to implement a stable nano-dispersion state. Carbon nanotubes are difficult to disperse in water, organic solvents, polymers, etc. because of their high cohesive force.

탄소나노튜브 응집체는 화학적 및 물리적 조작이 어렵고, 이와 같은 탄소나노튜브의 응집성은 산업적 적용에 큰 장애가 되고 있는바, 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 방법 내지 안정하게 분산된 탄소나노튜브 분산액에 대한 기술개발의 필요성이 커지고 있는 실정이다.Carbon nanotube aggregates are difficult to chemically and physically manipulate, and the cohesion of carbon nanotubes is a major obstacle to industrial applications. The need for is growing.

이의 일환으로 이 건 출원인은 시료를 고압으로 가압하여 미세오리피스를 포함하는 반응기를 통과시키면서 발생되는 다양한 물리, 화학적 변화를 이용한 나노소재 제조장치를 개발하여 기 특허받은 바 있다(국내특허 10-2004756호). As part of this, the applicant of this case has developed and patented a nanomaterial manufacturing device using various physical and chemical changes that occur when a sample is pressurized at high pressure and passed through a reactor containing a micro orifice (Korean Patent No. 10-2004756) ).

본 발명은 도전재로 이용되는 경우 전기전도성 내지 방열특성을 향상시켜 안전한 고속충전을 가능하게 할 수 있고, 용량을 증가시킬 수 있는 탄소나노튜브 분산액을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a carbon nanotube dispersion capable of improving electrical conductivity or heat dissipation characteristics when used as a conductive material to enable safe high-speed charging and increase capacity.

또한, 본 발명은 탄소나노튜브 응집체로부터 개별 탄소나노튜브 수준으로 안정하게 분리되고, 고농도로 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있는 탄소나노튜브 분산액의 제조하는 방법을 제공하고자 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for preparing a carbon nanotube dispersion capable of being stably separated from the carbon nanotube aggregate to the level of individual carbon nanotubes and dispersing the carbon nanotubes at a high concentration.

또한, 본 발명은 전기전도성 내지 방열특성을 향상시켜 안전한 고속충전을 가능하게 할 수 있고, 용량을 증가시킬 수 있는 탄소나노튜브 도전재를 제공하고자 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a carbon nanotube conductive material capable of improving electrical conductivity or heat dissipation characteristics to enable safe high-speed charging and increase capacity.

또한, 본 발명은 이들 탄소나노튜브 분산액이나 도전재를 포함하는 리튬 이온 배터리를 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a lithium ion battery including these carbon nanotube dispersion or a conductive material.

본 발명의 일 구현예에서는, 용매 중에 분산된 탄소나노튜브를 포함하는 분산액으로, 분산된 탄소나노튜브는 그 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이고, 제타전위 절대값이 10 mV 이상인 탄소나노튜브 분산액을 제공한다. In one embodiment of the present invention, as a dispersion comprising carbon nanotubes dispersed in a solvent, the dispersed carbon nanotubes have an average particle diameter (D 50 ) of 1 to 500 μm, and carbon having an absolute zeta potential of 10 mV or more. A nanotube dispersion is provided.

더욱 바람직하게는 탄소나노튜브 분산액은 제타전위 절대값이 30 내지 90mV인 것일 수 있다. More preferably, the carbon nanotube dispersion may have an absolute zeta potential of 30 to 90 mV.

본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 분산액은, 분산제를 포함하는 것일 수 있다. The carbon nanotube dispersion according to an embodiment of the present invention may include a dispersing agent.

본 발명의 다른 일 구현예에서는 탄소나노튜브 번들을 충돌에너지를 인가하는 방법으로 전처리하여 표면결함을 갖는 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 표면결함을 갖는 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 조 분산액을 제조하는 단계; 및 조 분산액을 초고압분산시키는 단계를 포함하는, 탄소나노튜브 분산액의 제조방법을 제공한다. In another embodiment of the present invention, the carbon nanotube bundle is pretreated by a method of applying collision energy to prepare a carbon nanotube having a surface defect; preparing a crude dispersion including carbon nanotubes having surface defects and a solvent; And it provides a method for producing a carbon nanotube dispersion comprising the step of ultra-high pressure dispersion of the crude dispersion.

본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 분산액의 제조방법에 있어서, 조 분산액은 분산제를 포함할 수 있다. In the method for preparing a carbon nanotube dispersion according to an embodiment of the present invention, the crude dispersion may include a dispersing agent.

본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 분산액의 제조방법에 있어서, 조 분산액을 제조하는 단계는 초음파에 의한 분산처리 및 호모게나이져에 의한 분산처리 중 선택된 단독 또는 이들의 혼합방법을 수반하여 수행될 수 있다.In the method for producing a carbon nanotube dispersion according to an embodiment of the present invention, the step of preparing the crude dispersion is carried out with a single method selected from dispersion treatment by ultrasonication and dispersion treatment by a homogenizer or a mixing method thereof. can be

본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 분산액의 제조방법에 있어서, 초고압분산시키는 단계는 공급된 조 분산액에 고압을 가하여 시료를 고속으로 이송시키고, 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 방법으로 수행되며, 상기 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 방법은 적어도 2 이상의 배압부하 분산채널을 통해 수행될 수 있다. In the method for producing a carbon nanotube dispersion according to an embodiment of the present invention, the ultra-high pressure dispersing step is performed by applying high pressure to the supplied crude dispersion to transfer the sample at high speed, and dispersing the sample by applying back pressure. , The method of dispersing the sample by loading the back pressure may be performed through at least two or more back pressure load distribution channels.

본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 분산액의 제조방법에 있어서, 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 방법은 초음파에 의한 분산처리가 병행된 것일 수 있다. In the method for producing a carbon nanotube dispersion according to an embodiment of the present invention, the method of dispersing the sample by applying a back pressure may be a method of dispersing treatment by ultrasonic waves in parallel.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 상기 일 구현예들에 의한 제조방법에 따라 제조되며, 용매 중에 분산된 탄소나노튜브를 포함하는 분산액으로, 분산된 탄소나노튜브는 그 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이고, 제타전위 절대값이 10 mV 이상인, 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.In another embodiment of the present invention, it is prepared according to the manufacturing method according to the embodiments, and is a dispersion containing carbon nanotubes dispersed in a solvent, and the dispersed carbon nanotubes have an average particle diameter (D 50 ) 1 to 500 μm, and an absolute value of the zeta potential of 10 mV or more, to provide a carbon nanotube dispersion.

본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상술한 일 구현예들에 의한 탄소나노튜브 분산액 및 바인더를 포함하는 탄소나노튜브 슬러리를 제공한다. In an exemplary embodiment of the present invention, there is provided a carbon nanotube slurry including the carbon nanotube dispersion and the binder according to the above-described embodiments.

본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상술한 일 구현예들에 의한 탄소나노튜브 분산액을 포함하는 도전재를 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention provides a conductive material including the carbon nanotube dispersion according to the above-described embodiments.

본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상술한 일 구현예들에 의한 탄소나노튜브 슬러리를 포함하는 도전재를 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention provides a conductive material including the carbon nanotube slurry according to the above-described embodiments.

본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상술한 일 구현예들에 의한 도전재를 포함하는 리튬 이온 배터리를 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention provides a lithium ion battery including the conductive material according to the above-described embodiments.

본 발명에 따르면 도전재로 이용되는 경우 전기전도성 내지 방열특성을 향상시켜 안전한 고속충전을 가능하게 할 수 있고, 용량을 증가시킬 수 있는 탄소나노튜브 분산액을 제공할 수 있다. According to the present invention, when used as a conductive material, it is possible to provide a carbon nanotube dispersion capable of improving electrical conductivity or heat dissipation characteristics to enable safe high-speed charging and increase capacity.

또한, 본 발명은 탄소나노튜브 응집체로부터 개별 탄소나노튜브 수준으로 안정하게 분리되고, 고농도로 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있는 탄소나노튜브 분산액의 제조방법을 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a method for preparing a carbon nanotube dispersion that can be stably separated from the carbon nanotube aggregate to the level of individual carbon nanotubes and disperse the carbon nanotubes at a high concentration.

또한, 본 발명은 전기전도성 내지 방열특성을 향상시켜 안전한 고속충전을 가능하게 할 수 있고, 용량을 증가시킬 수 있는 탄소나노튜브 도전재를 제공할 수 있으며, 이에 따라 안정성이 확보되고 고용량을 실현할 수 있으면서 경제성이 우수한, 리튬 이온 배터리를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a carbon nanotube conductive material capable of enabling safe high-speed charging and increasing capacity by improving electrical conductivity or heat dissipation characteristics, thereby ensuring stability and realizing high capacity It is possible to provide a lithium-ion battery having excellent economical efficiency.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 용매 중에 분산된 탄소나노튜브를 포함하는 분산액으로, 분산된 탄소나노튜브는 그 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이고, 제타전위 절대값이 10 mV 이상인, 탄소나노튜브 분산액을 제공한다. The present invention is a dispersion comprising carbon nanotubes dispersed in a solvent, wherein the dispersed carbon nanotubes have an average particle diameter (D 50 ) of 1 to 500 μm, and an absolute value of zeta potential of 10 mV or more. to provide.

본 발명에 있어서 "용매"는 물은 물론이고 케톤계 용매 등 전극 재료 분야에서 허용가능한 유기용매를 포함하는 것으로 이해될 것이다. 구체적인 일예로, 용매로는 탄소나노튜브 분산 시 사용되는 유기용매를 제한 없이 사용할 수 있으며， 예를 들면， N-메틸피롤리돈 (NMP), 피리딘， 모폴린， 디메틸아미노벤젠， 디에틸아미노벤젠，n-부틸아민 등의 비공유 전자쌍을 가지는 질소 원자 (N)를 포함하는 유기용매， 메탄올， 에탄올， 프로판올， 부탄올 등의 탄소수 1 내지 4의 알코올， 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으나， 이에 제한되지 않는다. 구체적으로는 N-메틸피를리돈 (NMP)을 사용할 수 있다.In the present invention, "solvent" will be understood to include water as well as organic solvents acceptable in the field of electrode materials, such as ketone-based solvents. As a specific example, as a solvent, an organic solvent used for dispersing carbon nanotubes may be used without limitation, for example, N-methylpyrrolidone (NMP), pyridine, morpholine, dimethylaminobenzene, diethylaminobenzene ，An organic solvent containing a nitrogen atom (N) having a lone pair of electrons such as n-butylamine, an alcohol having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol, propanol, butanol, mixtures thereof, etc. may be used, but not limited thereto does not Specifically, N-methylpyrlidone (NMP) can be used.

본 발명의 탄소나노튜브 분산액은 분산된 탄소나노튜브의 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이다. In the carbon nanotube dispersion of the present invention, the average particle diameter (D 50 ) of the dispersed carbon nanotubes is 1 to 500 μm.

본 발명에서, "분산된 탄소나노튜브"라는 용어는 탄소나노튜브 번들이 분산되어 개별의 탄소나노튜브 형태로 존재하는 것을 의미하며, 본 발명에서,"탄소나노튜브 번들"이란, 하나 이상의 탄소나노튜브가 나란하게 배열 또는 뒤엉켜있는, 다발(bundle) 또는 로프(rope) 형태를 지칭한다. In the present invention, the term "dispersed carbon nanotube" means that carbon nanotube bundles are dispersed and exist in the form of individual carbon nanotubes, and in the present invention, "carbon nanotube bundle" means one or more carbon nanotubes It refers to the form of a bundle or rope, in which tubes are arranged side by side or intertwined.

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 6각형으로 배열된 탄소원자들이 튜브 형태를 이루고 있는 물질로, 가닥 직경이 대략 1 내지 100 nm이다. 탄소나노튜브는 특유의 나선성(chirality)에 따라 부도체, 전도체 또는 반도체 성질을 나타내며, 탄소 원자들이 강력한 공유결합으로 연결되어 있어 인장강도가 강철보다 대략 100 배 이상 크고, 유연성과 탄성 등이 뛰어나며, 화학적으로도 안정한 특성을 가진다.Carbon nanotube (CNT) is a material in which carbon atoms arranged in a hexagonal shape form a tube, and the strand diameter is about 1 to 100 nm. Carbon nanotubes exhibit insulator, conductor, or semiconductor properties according to their unique chirality, and because carbon atoms are connected by strong covalent bonds, their tensile strength is about 100 times greater than that of steel, and they have excellent flexibility and elasticity. It is also chemically stable.

탄소나노튜브의 종류에는, 한 겹으로 구성되고 가닥 직경이 약 1 nm인 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbonnanotube, SWCNT), 두 겹으로 구성되고 가닥 직경이 약 1.4 내지 3 nm인 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT) 및 셋 이상의 복수의 겹으로 구성되고 가닥 직경이 약 5 내지 100 nm인 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 등이 있다. Types of carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), which are composed of one layer and have a strand diameter of about 1 nm, and double-walled carbon nanotubes, which are composed of two layers and have a strand diameter of about 1.4 to 3 nm. There is a tube (double-walled carbon nanotube, DWCNT) and a multi-walled carbon nanotube (MWCNT) composed of a plurality of layers of three or more and having a strand diameter of about 5 to 100 nm.

이러한 탄소나노튜브는 분말상태에서 번들 형태로 존재하며, 이러한 탄소나노튜브 번들은 평균입경이 100 ~ 800㎛ 정도에 달할 수 있다. These carbon nanotubes exist in the form of bundles in a powder state, and these carbon nanotube bundles may have an average particle diameter of about 100 to 800 μm.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산액에 있어서 분산된 탄소나노튜브는 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이며, 이는 사용된 탄소나노튜브 번들을 구성하는 탄소나노튜브의 형태에 따라 달라질 수 있다. 상기 및 이하의 기재에서 평균입경(D50)은 탄소나노튜브의 형상적 특성을 고려할 때, 탄소나노튜브의 가닥 길이로서 이해될 것이며, 바람직한 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 번들로부터 개별적인 탄소나노튜브로 분산되되, 그 고유의 길이는 유지되는 형태인 것이 바람직한바, 그 평균입경이 1 내지 500㎛ 범위 내에 있는 것일 수 있다. In the carbon nanotube dispersion according to the present invention, the dispersed carbon nanotubes have an average particle diameter (D 50 ) of 1 to 500 μm, which may vary depending on the shape of the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube bundle used. In the above and below description, the average particle diameter (D 50 ) will be understood as the strand length of carbon nanotubes when considering the shape characteristics of carbon nanotubes, and a preferred carbon nanotube dispersion is an individual carbon nanotube from a carbon nanotube bundle. It is preferably dispersed as a form in which the intrinsic length is maintained, and the average particle diameter may be within the range of 1 to 500 μm.

분산된 탄소나노튜브의 입경은, 시차주사전자현미경(SEM)이나 레이저 회절·산란법에 의해 측정될 수 있다. The particle size of the dispersed carbon nanotubes can be measured by a differential scanning electron microscope (SEM) or a laser diffraction/scattering method.

한편 측정 대상이 되는 입자군 내에, 어떠한 크기(입경)의 입자가 어떠한 비율로 포함되어 있는지를 나타내는 지표로 입도분포를 활용할 수 있으며, 이는 다음 식으로 나타내질 수 있다. On the other hand, the particle size distribution can be used as an index indicating what ratio of particles of which size (particle diameter) is included in the particle group to be measured, and this can be expressed by the following equation.

<식 1><Equation 1>

입도분포도=(D90-D10)/D50 Particle size distribution = (D 90 -D 10 )/D 50

상기 식 1에서, D10은 입도분포에 있어서 입경이 작은 측으로부터 체적누적이 10%에 상당하는 입경이고, D50은 입도분포에 있어서 입경이 작은 측으로부터 체적누적이 50%에 상당하는 입경이며, D90은 입도분포에 있어서 입경이 작은 측으로부터 체적누적이 90%에 상당하는 입경이다. In Equation 1, D 10 is the particle size corresponding to 10% of the volume accumulation from the side with the small particle size in the particle size distribution, and D 50 is the particle size corresponding to the volume accumulation of 50% from the side with the small particle size in the particle size distribution. , D 90 is the particle size corresponding to 90% of the volume accumulation from the side with the smaller particle size in the particle size distribution.

이러한 입도분포도는 레이저 회절·산란법에 의해 측정되는 것이다. 레이저 회절·산란법은, 입자에 광을 조사했을 때의 산란 광을 이용해 입도 분포를 구하는 방법이며, 본 명세서에 있어서의 입도 분포에서는, 입자량의 기준으로서 체적이 이용된다. 또한, D10, D50 및 D90의 정의는 상기와 같다. D50(입도 분포의 체적 누적 50％에 상당하는 입경)은 평균 입경을 가리킨다. (D90-D10)/D50은 입도분포도를 나타내는 지표로 할 수 있고, 평균 입경(D50)이 같은 정도인 경우는, D90-D10의 값이 클수록 입도 분포의 폭이 넓고, D90-D10의 값이 작을수록 입도 분포의 폭이 좁은(미분 및 조분의 함유율이 적다)것이 된다. 즉 분산액 중 탄소나노튜브 입자의 크기에 있어서 크기 균일도가 높을수록 (D90-D10)/D50은 작아진다. This particle size distribution is measured by laser diffraction/scattering method. The laser diffraction/scattering method is a method of obtaining a particle size distribution using scattered light when light is irradiated to particles, and in the particle size distribution in the present specification, a volume is used as a reference for the amount of particles. In addition, the definitions of D 10 , D 50 and D 90 are the same as above. D 50 (particle diameter corresponding to 50% of the cumulative volume of the particle size distribution) indicates an average particle diameter. (D 90 -D 10 )/D 50 can be used as an index indicating the particle size distribution, and if the average particle diameter (D50) is the same, the larger the value of D 90 -D 10 The smaller the value of 90 -D 10 is, the narrower the particle size distribution becomes (the content of fine powder and coarse powder is small). That is, as the size uniformity of the carbon nanotube particles in the dispersion increases, (D 90 -D 10 )/D 50 decreases.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산액은 분산안정성 또한 우수한데, 구체적으로 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 분산액은 제타전위 절대값이 10 mV 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 제타전위 절대값이 30 내지 90mV를 나타낼 수 있다. The carbon nanotube dispersion according to the present invention also has excellent dispersion stability. Specifically, in the carbon nanotube dispersion according to an embodiment of the present invention, the absolute value of the zeta potential may be 10 mV or more, and more preferably, the absolute value of the zeta potential is 30 to 90 mV.

제타전위란, 입자 주변의 전기 이중층(electrical double layer)의 두께를 간접적으로 계산한 값으로, 전기 이중층이 두꺼울수록 입자 간 정전기적 척력이 발생하여 서로 응집하지 않는바, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산액은 제타전위 절대값이 10 mV 이상, 바람직하기로는 제타전위 절대값이 30mV 이상, 가장 바람직하기로는 30 내지 90mV로, 안정적인 분산상태를 구현할 수 있다. The zeta potential is a value obtained by indirectly calculating the thickness of the electrical double layer around the particles. The thicker the electrical double layer is, the more electrostatic repulsive force between the particles is generated and the carbon nanotube according to the present invention is not agglomerated. The dispersion has an absolute zeta potential of 10 mV or more, preferably an absolute zeta potential of 30 mV or more, and most preferably 30 to 90 mV, so that a stable dispersion state can be implemented.

이와 같은 평균입경 및 제타전위를 만족하는 탄소나노튜브 분산액은 균일한 전기적 물성을 발현할 수 있고 고함량으로 탄소나노튜브가 포함된 분산액을 제공할 수 있음에 따라 도전재로 적용시 전기전도도가 높고, 분산액 중 분산된 탄소나노튜브의 표면적이 넓어짐에 따라 적은 함량으로도 동일 성능을 구현할 수 있다. 또한 고용량기존의 도전재와 대등한 성능을 구현할 수 있다. 또한 충전에너지 밀도를 증가하기 위한 음극재인 실리콘을 입체적으로 감싸는 구조를 만들어 실리콘의 충전 중 팽창에 의해 파괴하는 것을 방지하는 데 있어서도 적정한 평균입경과 입도분포도를 만족함으로써 균일한 성능을 발현할 수 있음에 따라 궁극적으로 용량을 증가시킬 수 있는 도전재로 유용하다. The carbon nanotube dispersion that satisfies such an average particle diameter and zeta potential can express uniform electrical properties and can provide a dispersion containing carbon nanotubes in a high content, so when applied as a conductive material, the electrical conductivity is high , as the surface area of the dispersed carbon nanotubes in the dispersion increases, the same performance can be realized even with a small content. In addition, it is possible to realize the performance equivalent to that of the conventional high-capacity conductive material. In addition, in preventing the destruction of silicon by expansion during charging by creating a three-dimensionally enveloping structure of silicon, which is an anode material to increase the charging energy density, uniform performance can be expressed by satisfying the appropriate average particle size and particle size distribution. Therefore, it is useful as a conductive material that can ultimately increase the capacity.

한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산액은 고함량으로 탄소나노튜브가 분산된 분산액을 제공할 수 있는데, 구체적으로 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)인 경우 분산된 탄소나노튜브의 함량이 0.1 내지 2.0중량%일 때 점도가 수백cp 내지 수만cp를 만족할 수 있다. 이와 같이 적은 용매량으로도 안정한 분산액을 제공할 수 있음에 따라 고농도의 탄소나노튜브 슬러리 제조가 가능하며 전극재를 제조하는 데 있어서 고함량으로 탄소나노튜브를 포함시킬 수 있다. On the other hand, the carbon nanotube dispersion according to the present invention can provide a dispersion in which carbon nanotubes are dispersed in a high content. Specifically, when the carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube (SWCNT), the content of the dispersed carbon nanotube When this 0.1 to 2.0% by weight, the viscosity may satisfy hundreds of cps to tens of thousands of cps. As such a stable dispersion can be provided even with a small amount of solvent, a high concentration carbon nanotube slurry can be prepared, and carbon nanotubes can be included in a high content in manufacturing an electrode material.

다른 한편으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 분산액은, 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브(MVCNT)인 경우, 분산된 탄소나노튜브의 함량이 5 내지 10중량%일 때 점도가 수백cp 내지 수만cp를 만족할 수 있다. On the other hand, the carbon nanotube dispersion according to an embodiment of the present invention, when the carbon nanotube is a multi-walled carbon nanotube (MVCNT), the viscosity when the content of the dispersed carbon nanotube is 5 to 10% by weight Hundreds of cps to tens of thousands of cps can be satisfied.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산액을 얻을 수 있는 일 수단으로, 탄소나노튜브 분산액은 바람직하기로는 분산제를 포함할 수 있다. 여기서, 분산제는 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리비닐리덴플로라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐피를리돈 (Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinylalchol), 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide), 카르복시메틸셀룰로오즈(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 같은 셀룰로오스 유도체, 전분유도체 및 디이소프로필아민 (Diisopropylamine, DIPA) 중 선택된 적어도 1종의 것으로, 이에 한정이 있는 것은 아니며, 바람직하기로는 폴리비닐리덴플로라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF) 또는 카르복시메틸셀룰로오즈(Carboxymethyl cellulose, CMC)일 수 있다. As one means for obtaining the carbon nanotube dispersion according to the present invention, the carbon nanotube dispersion may preferably include a dispersant. Here, the dispersant is polyacrylate, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (Polyvinylalchol), polyacrylamide (Polyacrylamide), polyethylene oxide (Polyethyleneoxide), a cellulose derivative such as carboxymethyl cellulose (CMC), a starch derivative, and at least one selected from diisopropylamine (DIPA), but not limited thereto, preferably polyvinyl Liden fluoride (Polyvinylidene fluoride, PVDF) or carboxymethyl cellulose (Carboxymethyl cellulose, CMC) may be.

이러한 분산제의 첨가량은 분산효과를 고려하되 탄소나노튜브의 고유물성을 저하시키지 않는 범위로 적의 조절될 수 있다.The amount of the dispersant added may be appropriately adjusted in a range that does not degrade the intrinsic properties of the carbon nanotubes while considering the dispersing effect.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산액을 얻을 수 있는 다른 일 수단으로는 제조방법을 고려할 수 있는데, 바람직한 일예로는 탄소나노튜브 번들을 충돌에너지를 인가하는 방법으로 전처리하여 표면결함을 갖는 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 표면결함을 갖는 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 조 분산액을 제조하는 단계; 및 조 분산액을 초고압분산시키는 단계를 포함하는, 탄소나노튜브 분산액의 제조방법을 들 수 있다. As another means for obtaining the carbon nanotube dispersion according to the present invention, a manufacturing method can be considered. As a preferred example, carbon nanotubes having surface defects are obtained by pre-treating the carbon nanotube bundle by applying collision energy. manufacturing; preparing a crude dispersion including carbon nanotubes having surface defects and a solvent; and a method for preparing a carbon nanotube dispersion, comprising the step of dispersing the crude dispersion at ultra-high pressure.

본 발명의 일 구현예에 있어서 충돌에너지를 인가하는 방법으로 전처리하는 것의 일예는 구체적으로， 볼 밀 (ball mill), 비드 밀 (bead mill), 바스켓 밀 (basket mill) 등의 통상의 밀링 (milling) 장비， 예를 들면， 비드 밀을 이용한 밀링 장치를 사용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한이 있는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, an example of the pretreatment by the method of applying the collision energy is specifically, a conventional milling such as a ball mill, a bead mill, a basket mill, etc. ) equipment, for example, may be performed using a milling apparatus using a bead mill, but is not limited thereto.

이와 같이 탄소나노튜브 번들을 고상(solid state)에서 충돌에너지를 인가하는 방법으로 전처리하게 되면 탄소나노튜브 번들에 표면결함이 발생될 수 있는데, 이와 같은 표면결함으로 인해 탄소나노튜브가 갖는 고유전도성은 일부 변화가 발생되지만 실질적으로 도전재로서 기능하는 데 있어서 문제를 일으킬 범위가 아니고, 오히려 표면결함으로 인해 탄소나노튜브 간 응집력을 떨어뜨림으로써 궁극적으로는 안정한 탄소나노튜브 분산액을 제공하여 고함량, 고점도로 탄소나노튜브를 포함시킬 수 있게 됨에 따라 목적하는 전기전도성을 충족할 수 있는 정도이다. When the carbon nanotube bundle is pre-treated by applying collision energy in a solid state, surface defects may occur in the carbon nanotube bundle. Due to such surface defects, the high conductivity of carbon nanotubes is Although some changes occur, it is not in a range that will cause problems in practically functioning as a conductive material, but rather reduces cohesion between carbon nanotubes due to surface defects, ultimately providing a stable carbon nanotube dispersion with high content and high viscosity As carbon nanotubes can be included as a result, the desired electrical conductivity can be satisfied.

이와 같이 탄소나노튜브 번들에 표면결함을 갖도록 하여 얻어진 탄소나노튜브를 용매에 분산시켜 조 분산액을 제조하는데, 이때 상술한 분산제를 포함하여 조 분산액을 제조하는 것이 바람직할 수 있다. As described above, the carbon nanotubes obtained by making the carbon nanotube bundles have surface defects are dispersed in a solvent to prepare a crude dispersion, in which case it may be preferable to prepare a crude dispersion including the above-described dispersing agent.

조 분산액을 제조하는 단계에서 초음파에 의한 분산처리 및 호모게나이져에 의한 분산처리 중 선택된 단독 또는 이들의 혼합방법을 수반할 수 있는데, 초음파에 의한 분산처리나 호모게나이져에 의한 분산처리는 높은 전단 에너지를 통해 탄소나노튜브를 분산시키는 기술이다. In the step of preparing the crude dispersion, a single method selected from dispersion treatment by ultrasonication and dispersion treatment by a homogenizer or a mixing method thereof may be involved. It is a technology that disperses carbon nanotubes through energy.

다음으로, 얻어진 조 분산액을 초고압 분산시키는 단계를 거치는데, 초고압분산시키는 단계는 공급된 조 분산액에 고압을 가하여 시료를 고속으로 이송시키고, 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 방법으로 수행될 수 있다. 일예로 이 건 출원인에 의해 기 출원되어 특허된 국내특허 10-2004756호에 기재된 나노소재 제조장치를 이용할 수 있다. Next, the obtained crude dispersion is dispersed at an ultra-high pressure. The ultra-high pressure dispersion may be performed by applying a high pressure to the supplied crude dispersion to transfer the sample at high speed, and dispersing the sample by applying a back pressure. As an example, the device for manufacturing a nanomaterial described in Korean Patent No. 10-2004756 previously applied and patented by the applicant for this case can be used.

여기에는, 시료를 공급하는 공급부; 상기 공급부를 통해 내부에 공급되는 시료에 고압을 가하여 상기 시료를 이송시키는 가압부; 상기 가압부와 연결되며 상기 시료를 통과시키는 이송부; 상기 이송부와 연결되며 상기 시료를 분산시키는 반응부; 상기 반응부와 연결되며 상기 시료를 냉각시키는 온도제어부; 상기 시료의 방향을 결정하는 배출제어밸브, 상기 배출제어밸브에 연결되고 상기 시료를 상기 가압부로 이송시키는 리사이클라인 및 상기 배출제어밸브에 연결되고 상기 시료를 토출시키는 토출라인을 포함하고 상기 온도제어부와 연결되며 상기 시료를 배출시키는 토출부; 상기 배출제어밸브의 구동을 제어하는 제어부; 및 상기 가압부에서 가압된 시료를 상기 반응부로 이동시키는 바이패스부;를 포함하고, 상기 배출제어밸브는 상기 제어부의 신호에 따라 상기 리사이클라인 또는 상기 토출라인으로 상기 시료를 이동시키며, 상기 바이패스부를 통해 상기 반응부로 공급되는 시료는, 상기 이송부를 통해 상기 반응부로 공급되는 시료와 반대방향으로 상기 반응부를 통과하는 것을 특징으로 하는 자동제어기반 스마트 나노소재 제조장치가 개시되어 있다. Here, a supply unit for supplying a sample; a pressurizing unit for transferring the sample by applying a high pressure to the sample supplied therein through the supply unit; a transfer unit connected to the pressing unit and passing the sample; a reaction unit connected to the transfer unit and dispersing the sample; a temperature control unit connected to the reaction unit and cooling the sample; and a discharge control valve for determining the direction of the sample, a recycling line connected to the discharge control valve and transferring the sample to the pressurizing unit, and a discharge line connected to the discharge control valve and discharging the sample, and the temperature control unit and a discharge unit connected to and discharging the sample; a control unit for controlling the operation of the discharge control valve; and a bypass unit for moving the sample pressurized by the pressurizing unit to the reaction unit, wherein the discharge control valve moves the sample to the recycling line or the discharge line according to a signal from the control unit, and the bypass unit An automatic control-based smart nanomaterial manufacturing apparatus is disclosed, wherein the sample supplied to the reaction unit through the transfer unit passes through the reaction unit in the opposite direction to the sample supplied to the reaction unit through the transfer unit.

보다 바람직하기로는, 이러한 장치에 더하여 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 데 있어서 적어도 2 이상의 배압부하 분산채널을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. More preferably, in addition to such a device, it may be preferable to use at least two or more back pressure load distribution channels to distribute the sample by applying back pressure.

보다 좋기로는 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 데 있어서 배압부하 분산채널 중 적어도 하나는 초음파에 의한 분산처리를 병행하여 수행되는 것일 수 있다. More preferably, in dispersing the sample by loading the back pressure, at least one of the back pressure load distribution channels may be performed in parallel with the dispersion treatment by ultrasonic waves.

이와 같은 제조방법에 따르면, 용매 중에 분산된 탄소나노튜브를 포함하는 분산액으로, 분산된 탄소나노튜브는 그 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이고, 제타전위 절대값이 10 mV 이상인, 탄소나노튜브 분산액을 얻을 수 있다. According to this manufacturing method, a dispersion comprising carbon nanotubes dispersed in a solvent, the dispersed carbon nanotubes having an average particle diameter (D 50 ) of 1 to 500 μm, and an absolute zeta potential value of 10 mV or more, carbon A nanotube dispersion can be obtained.

재충전가능한 리튬 이온 배터리 전지와 같은 2차 배터리는 일반적으로 애노드(Anode), 캐소드(Cathode) 및 전해질(Electrolyte)을 포함한다.A secondary battery, such as a rechargeable lithium ion battery cell, generally includes an anode, a cathode, and an electrolyte.

애노드는 통상적으로 흑연계 복합층을 갖는 구리 집전장치를 포함한다. The anode typically comprises a copper current collector having a graphitic composite layer.

캐소드는 일반적으로 전하 캐리어종을 포함하는 재료로부터 형성되거나 전하 캐리어종을 포함하는 복합층을 갖는 집전장치를 포함한다. 흔히 사용되는 전하 캐리어의 예로는 리튬, 나트륨 및 칼륨 이온과 같은 알칼리 금속 이온 및 칼슘 및 마그네슘과 같은 알칼리토 금속 이온을 들 수 있다. 재충전가능한 리튬 이온 배터리에 있어서, 캐소드는 통상적으로 금속 산화물계 복합층이 적용된 리튬 함유 알루미늄 집전장치를 포함한다. 현재, 리튬 이차전지용 캐소드 소재로 다양한 재료들이 연구되고 있으며, 특히 산화물, 금속, 탄소계 소재 기반의 이종 복합소재에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만, 리튬과의 반응을 통해 형성된 전하의 이동경로 제약으로 인해 전극으로의 특성이 제한되고 있으며, 이를 보완하기 위해 탄소계 전도성 소재를 첨가함으로서 특성개선의 효과를 확보하고 있다.The cathode generally comprises a current collector formed from a material comprising charge carrier species or having a composite layer comprising charge carrier species. Examples of commonly used charge carriers include alkali metal ions such as lithium, sodium and potassium ions and alkaline earth metal ions such as calcium and magnesium. In rechargeable lithium ion batteries, the cathode typically comprises a lithium-containing aluminum current collector to which a metal oxide based composite layer is applied. Currently, various materials are being studied as cathode materials for lithium secondary batteries, and in particular, a lot of research is being conducted on heterogeneous composite materials based on oxide, metal, and carbon-based materials. However, the characteristics of the electrode are limited due to restrictions on the movement path of the charge formed through the reaction with lithium, and to compensate for this, the effect of property improvement is secured by adding a carbon-based conductive material.

이때 탄소계 전도성 소재로는 카본 블랙을 주로 사용해 왔는데, 이러한 카본 블랙은 방열의 문제가 있어서 안전성이 떨어지고 가격이 높은 문제가 있어 왔다. At this time, carbon black has been mainly used as a carbon-based conductive material, but such carbon black has a problem of poor safety and high price due to a problem of heat dissipation.

본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상술한 일 구현예들에 의한 탄소나노튜브 분산액을 포함하는 도전재를 제공하며, 이는 리튬 이온 배터리에 있어서 캐소드의 도전재로 유용할 수 있다. An exemplary embodiment of the present invention provides a conductive material including the carbon nanotube dispersion according to the above-described embodiments, which may be useful as a conductive material for a cathode in a lithium ion battery.

애노드와 캐소드 사이에는 다공성 플라스틱 스페이서 또는 세퍼레이터가 제공되며, 다공성 플라스틱 스페이서, 복합 애노드층 및 복합 캐소드 층 사이에 액체 전해질이 분산되어 있다.A porous plastic spacer or separator is provided between the anode and the cathode, and a liquid electrolyte is dispersed between the porous plastic spacer, the composite anode layer and the composite cathode layer.

배터리는 애노드와 캐소드의 집전장치에 전압을 인가함으로써 충전할 수 있다. 리튬-이온 배터리의 충전 프로세스에서, 리튬 이온은 캐소드의 리튬을 포함하는 복합 금속 산화물층으로부터 애노드로 이동하여 여기서 삽입(insertion)이라 알려진 프로세스를 통해 흑연에 매립되게 되어 예컨대 LiC6와 같은 리튬 탄소 삽입 화합물을 형성하게 된다. 방전 프로세스가 일어나는 동안, 리튬 이온은 흑연으로부터 추출 또는 제거되어 전해질을 통해 캐소드로 되돌아온다. 마찬가지로, 나트륨 또는 마그네슘계 배터리의 충방전은 나트륨 또는 마그네슘 이온의 하나의 전극으로부터 다른 전극으로의 각각의 가역적인 전달을 필요로 한다.The battery can be charged by applying voltage to the current collectors of the anode and cathode. In the charging process of a lithium-ion battery, lithium ions migrate from the lithium-containing composite metal oxide layer of the cathode to the anode where they become embedded in graphite through a process known as insertion, resulting in lithium carbon intercalation compounds such as LiC6. will form During the discharge process, lithium ions are extracted or removed from the graphite and returned to the cathode through the electrolyte. Likewise, charging and discharging of sodium or magnesium-based batteries requires the respective reversible transfer of sodium or magnesium ions from one electrode to the other.

배터리를 밀폐된 외부 회로에 설정함으로써 방전 중의 배터리로부터 유용한 일(useful work)을 얻을 수 있다.By setting the battery in a sealed external circuit, useful work can be obtained from the battery during discharge.

배터리 전지로부터 얻을 수 있는 발생한 유용한 일의 양은 전지에 인가된 충전 전압의 크기와, 애노드 활성 물질 및 캐소드 활성 물질 양자의 중량 용량 (gravimetric capacity)의 두 가지 모두에 의존한다. 예컨대 리튬이 개재된 흑연 재료는 이론상 최대 중량 용량이 372 mAh/g이다. 흑연계 전극에 의해 제공된 중량 용량은 많은 경우 충분한 것으로 밝혀지기는 했지만, 더 많은 전력을 필요로 하는 새로운 응용 분야의 개발로 인해 흑연보다중량 용량이 더 큰 전극 재료를 포함하는 재충전가능한 리튬 이온 배터리를 개발하는 것이 필요하게 되었다. 이에 따라, 집전장치에 실리콘(실리콘), 게르마늄, 주석 또는 갈륨계 복합층이 인가된 애노드와 같은 전극의 개발이 요망되게 되었다. 실리콘계 복합층을 포함하는 전극들이 가장 집중적으로 연구 조사되었다. 흑연과 마찬가지로, 실리콘 역시도 배터리의 충전 기간 동안 리튬과의 삽입 화합물을 형성한다. 리튬-실리콘 삽입 화합물인 Li21Si5는 이론상 최대 중량 용량이 4,200 mAh/g이며, 이 화합물은 고온에서만 형성된다. 그러나, 화합물 Li15Si4은 실온에서 존재하며 이론상 최대 용량(capacity)는 3,600 mAh/g이다. 게르마늄 역시도 리튬 삽입 화합물, Li21Ge5를 형성하며, 이것의 이론상 최대 용량은 1624 mAh/g이다. 주석은 삽입 화합물, Li21Sn5를 형성하며, 이것의 이론상 최대 중량 용량은 800 내지 1000 mAh/g이다. 갈륨의 리튬 삽입 화합물 역시도 알려져 있으며 이들 화합물의 이론상 최대 중량 용량은 577 mAh/g이다. 이것은 실리콘, 게르마늄, 갈륨 및 주석계 애노드를 포함하는 배터리는 흑연계 애노드를 포함하는 배터리에 비해 훨씬 더 높은 고유한 용량을 갖는다는 것을 의미한다. 이와같이 에너지 밀도가 더 높다는 것은, 실리콘, 게르마늄 또는 주석계 애노드를 포함하는 배터리들이 실질적으로 힘을 요구하는 디바이스에 사용하기에 잠재적으로 적합하다는 것을 의미한다.The amount of useful work generated that can be obtained from a battery cell depends both on the magnitude of the charging voltage applied to the cell and on the gravimetric capacity of both the anode active material and the cathode active material. For example, a graphite material interposed with lithium has a theoretical maximum weight capacity of 372 mAh/g. Although the gravimetric capacity provided by graphite-based electrodes has been found to be sufficient in many cases, the development of new applications requiring more power has led to the development of rechargeable lithium-ion batteries comprising electrode materials with a higher gravimetric capacity than graphite. development became necessary. Accordingly, it is desired to develop an electrode such as an anode to which a silicon (silicon), germanium, tin or gallium-based composite layer is applied to a current collector. Electrodes including a silicon-based composite layer have been studied most intensively. Like graphite, silicon also forms intercalating compounds with lithium during the charging period of the battery. Li21Si5, a lithium-silicon intercalation compound, has a theoretical maximum weight capacity of 4,200 mAh/g, and this compound is formed only at high temperatures. However, compound Li15Si4 exists at room temperature and has a theoretical maximum capacity of 3,600 mAh/g. Germanium also forms a lithium intercalation compound, Li21Ge5, which has a theoretical maximum capacity of 1624 mAh/g. Tin forms an intercalating compound, Li21Sn5, which has a theoretical maximum weight capacity of 800 to 1000 mAh/g. Lithium intercalation compounds of gallium are also known, and the theoretical maximum weight capacity of these compounds is 577 mAh/g. This means that batteries comprising silicon, germanium, gallium and tin-based anodes have a much higher intrinsic capacity compared to batteries comprising graphite-based anodes. This higher energy density means that batteries containing silicon, germanium or tin-based anodes are potentially suitable for use in devices that require substantial power.

그러나 각각 충전 및 방전상 동안 실리콘, 게르마늄, 갈륨 및 주석 애노드 재료 내로 또는 이러한 재료로부터의 리튬 삽입 및 추출 또는 제거는 커다란 용량 변화를 수반한다. 일예로 실리콘 화합물의 충전 동안 최대 300%까지 용량이 증가된다. 이는 흑연 애노드를 함유하는 전지에서 관찰되는 대응하는 용량 변화에 비해 훨씬 큰 것이다. 이러한 심각한 용량 변화는 전극 구조 내에서 스트레스를 현저한 양으로 증강시키고, 이로 인해 전극재료가 균열되어 복합 재료 내에서의 응집력 손실과 집전장치로부터의 복합 전극 재료의 접착력 손실의 두 가지가 모두 일어나게 된다. However, lithium insertion and extraction or removal into or from silicon, germanium, gallium and tin anode materials during the charge and discharge phases, respectively, involves large capacity changes. For example, the capacity is increased by up to 300% during the filling of the silicone compound. This is much larger than the corresponding capacity change observed in cells containing graphite anodes. This severe capacity change builds up a significant amount of stress within the electrode structure, which causes the electrode material to crack, resulting in both loss of cohesion within the composite material and loss of adhesion of the composite electrode material from the current collector.

탄소나노튜브는 이러한 커다란 용량 변화를 개선하는 역할을 할 수 있는데, 탄소나노튜브가 일예로 실리콘을 입체적으로 감싸는 구조를 만듦으로써 충전 중 팽창에 의한 파괴를 방지하여 궁극적으로 고용량의 애노드를 제공할 수 있다. Carbon nanotubes can play a role in improving this large capacity change. For example, carbon nanotubes create a structure that surrounds silicon three-dimensionally, thereby preventing destruction by expansion during charging, ultimately providing a high-capacity anode. there is.

이러한 견지에서 본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상술한 일 구현예들에 의한 탄소나노튜브 분산액을 포함하는 도전재를 제공하며, 이는 리튬 이온 배터리에 있어서 애노드의 도전재로 유용할 수 있다. From this point of view, an exemplary embodiment of the present invention provides a conductive material including the carbon nanotube dispersion according to the above-described embodiments, which may be useful as an anode conductive material in a lithium ion battery.

대부분의 2차 배터리 응용 분야에서, 전극 집전장치에 인가된 복합층 (실리콘 또는 흑연)은 전형적으로 실리콘, 주석, 게르마늄, 갈륨 또는 흑연과 같은 전기활성 재료 및 바인더를 포함한다. 바인더는 복합 전극 재료의 성분들 간에 우수한 응집력, 집전장치에 대한 전기활성 재료의 우수한 접착력을 제공하고, 전기활성 재료와 집전장치 사이에 우수한 전기전도성을 촉진하기 위해 사용된다.In most secondary battery applications, the composite layer (silicon or graphite) applied to the electrode current collector typically comprises an electroactive material such as silicon, tin, germanium, gallium or graphite and a binder. The binder is used to provide good cohesion between the components of the composite electrode material, good adhesion of the electroactive material to the current collector, and promote good electrical conductivity between the electroactive material and the current collector.

이러한 견지에서 본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상술한 일구현예들에 의한 탄소나노튜브 분산액 및 바인더를 포함하는 탄소나노튜브 슬러리를 제공하며, 이는 리튬 이온 배터리에 있어서 애노드의 도전재로 유용할 수 있다. From this point of view, an exemplary embodiment of the present invention provides a carbon nanotube slurry including the carbon nanotube dispersion and the binder according to the above-described embodiments, which may be useful as a conductive material for the anode in a lithium ion battery. can

"복합 전극 재료(composition electrode material)"라 함은 전도성 물질, 점도 조절제, 충전제, 가교촉진제, 커플링제 및 접착 가속제를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 임의 성분, 전기활성 재료 및 바인더를 포함하는 혼합물 좋기로는 실질적으로 균일한 혼합물로 된 재료를 의미하는 것이다. 이러한 복합 재료의 성분들은 적절히 한데 혼합되어 복합 전극층을 형성하도록 기판 또는 집전장치에 대한 피막으로서 적용될 수 있는 균일한 복합 전극 재료를 형성하는데 적합하다. 좋기로는 복합 전극 재료의 성분들은 용매와 혼합하여 전극 믹스를 형성한 다음 이 전극 믹스를 기판 또는 집전장치에 적용한 다음 건조시켜 복합 전극 재료를 형성하는 것이 바람직하다. The term "composite electrode material" means at least one optional component selected from the group comprising a conductive material, a viscosity modifier, a filler, a crosslinking accelerator, a coupling agent and an adhesion accelerator, an electroactive material and a binder. Mixture is intended to mean a material, preferably of a substantially homogeneous mixture. The components of this composite material are suitably mixed together to form a uniform composite electrode material that can be applied as a coating to a substrate or current collector to form a composite electrode layer. Preferably, the components of the composite electrode material are mixed with a solvent to form an electrode mix, then the electrode mix is applied to a substrate or current collector and then dried to form the composite electrode material.

"전극 믹스(electrode mix)"라 함은 캐리어 또는 용매로서 바인더 용액 중의 전기활성 재료의 슬러리 또는 분산물(dispersion)을 포함하는 조성물을 의미하는 것이다. 이것은 또한 용매 또는 액체 담체 중 바인더와 전기활성재료의 슬러리 또는 분산물을 의미하는 것으로도 이해되어야 한다. By "electrode mix" is meant a composition comprising a slurry or dispersion of an electroactive material in a binder solution as a carrier or solvent. It should also be understood as meaning a slurry or dispersion of an electroactive material with a binder in a solvent or liquid carrier.

"전기활성 재료(전기활성 재료)"라는 용어는 배터리의 충전 및 방전 페이즈 동안 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘과 같은 금속 이온 전하 캐리어를 그 구조내로 통합하고 실질적으로 이들을 그 구조로부터 방출시킬 수 있는 재료를 의미하는 것이다. 좋기로는 이 재료는 리튬을 통합(또는 삽입) 및 방출할 수 있는 것이 바람직하다.The term "electroactive material (electroactive material)" refers to the ability to incorporate metal ion charge carriers such as lithium, sodium, potassium, calcium or magnesium into its structure and substantially release them from its structure during the charging and discharging phases of a battery. It means the material is there. Preferably, the material is capable of incorporating (or intercalating) and releasing lithium.

Claims (14)

용매 중에 분산된 탄소나노튜브를 포함하는 분산액으로,
분산된 탄소나노튜브는 그 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이고,
제타전위 절대값이 10 mV 이상인, 탄소나노튜브 분산액.
A dispersion comprising carbon nanotubes dispersed in a solvent,
The dispersed carbon nanotubes have an average particle diameter (D 50 ) of 1 to 500 μm,
A carbon nanotube dispersion having an absolute zeta potential of 10 mV or more.
 제 1 항에 있어서, 제타전위 절대값이 30 내지 90mV인 것인, 탄소나노튜브 분산액.
The carbon nanotube dispersion according to claim 1, wherein the absolute value of the zeta potential is 30 to 90 mV.
 제 1 항에 있어서, 분산제를 포함하는 것인,
탄소나노튜브 분산액.
The method of claim 1 comprising a dispersing agent,
Carbon nanotube dispersion.
 탄소나노튜브 번들을 충돌에너지를 인가하는 방법으로 전처리하여 표면결함을 갖는 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
표면결함을 갖는 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 조 분산액을 제조하는 단계; 및
조 분산액을 초고압분산시키는 단계를 포함하는,
탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
preparing carbon nanotubes having surface defects by pretreating the carbon nanotube bundles by applying collision energy;
preparing a crude dispersion including carbon nanotubes having surface defects and a solvent; and
comprising the step of ultra-high pressure dispersion of the crude dispersion,
A method for preparing a carbon nanotube dispersion.
 제 4 항에 있어서, 조 분산액은 분산제를 포함하는 것인, 탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
The method of claim 4, wherein the crude dispersion contains a dispersant.
 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 조 분산액을 제조하는 단계는 초음파에 의한 분산처리 및 호모게나이져에 의한 분산처리 중 선택된 단독 또는 이들의 혼합방법을 수반하여 수행되는, 탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
[Claim 6] The preparation of carbon nanotube dispersion according to claim 4 or 5, wherein the preparing of the crude dispersion is carried out with a single method selected from dispersion treatment by ultrasonication and dispersion treatment by a homogenizer or a mixing method thereof. Way.
 제 4 항에 있어서, 초고압분산시키는 단계는 공급된 조 분산액에 고압을 가하여 시료를 고속으로 이송시키고, 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 방법으로 수행되며, 상기 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 방법은 적어도 2 이상의 배압부하 분산채널을 통해 수행되는 것인, 탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the ultra-high pressure dispersing step is performed by applying high pressure to the supplied crude dispersion to transfer the sample at high speed, and dispersing the sample by applying a back pressure, wherein the method of dispersing the sample by loading the back pressure comprises: A method for producing a carbon nanotube dispersion, which is carried out through at least two or more back pressure load dispersion channels.
 제 7 항에 있어서, 배압을 부하하여 시료를 분산시키는 방법은 초음파에 의한 분산처리가 병행된 것인, 탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
The method according to claim 7, wherein the method of dispersing the sample by applying back pressure is parallel to the dispersion treatment by ultrasonic waves.
 제 4 항의 제조방법에 따라 제조되며, 용매 중에 분산된 탄소나노튜브를 포함하는 분산액으로, 분산된 탄소나노튜브는 그 평균입경(D50)이 1 내지 500㎛이고, 제타전위 절대값이 10 mV 이상인 탄소나노튜브 분산액.
It is prepared according to the preparation method of claim 4, and is a dispersion containing carbon nanotubes dispersed in a solvent. The dispersed carbon nanotubes have an average particle diameter (D 50 ) of 1 to 500 μm, and an absolute zeta potential value of 10 mV. Carbon nanotube dispersion liquid.
 제 1 항 또는 제 9 항의 탄소나노튜브 분산액 및 바인더를 포함하는 탄소나노튜브 슬러리.
A carbon nanotube slurry comprising the carbon nanotube dispersion of claim 1 or 9 and a binder.
 제 1 항의 탄소나노튜브 분산액을 포함하는 도전재.
A conductive material comprising the carbon nanotube dispersion of claim 1.
 제 9 항의 탄소나노튜브 분산액을 포함하는 도전재.
A conductive material comprising the carbon nanotube dispersion of claim 9 .
 제 10 항의 탄소나노튜브 슬러리를 포함하는 도전재.
A conductive material comprising the carbon nanotube slurry of claim 10 .
 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 도전재를 포함하는 리튬이온배터리.A lithium ion battery comprising the conductive material of any one of claims 11 to 13.
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