This paper reports three-dimensional carbon nanostructures anchored with nickel nanoparticles as anode materials for lithium ion batteries. The three-dimensional carbon nanostructures were prepared by microwave assisted thermal methods using nickel nanoparticles as the metal catalysts. The formation mechanism of the three-dimensional carbon nanostructures sequentially involved the uniform distribution of nickel nanoparticles on graphene layers, followed by growth of carbon nanotubes anchored with the nickel nanoparticles and the completion of the synthesis of the three-dimensional structures consisting of whole graphene layers covered with carbon nanotube forests. This unique structure showed positive effects as an anode material both in terms of the capacity resulting from the high absolute surface area and in terms of the stability originating from the minimum re-stacking of the graphene layers. The incorporation of graphene and carbon nanotubes increased the high surface to volume ratio and porosity, which increased the sizes of the activation sites and contact area of the anode, resulting in the enhancement of the electronic transport and Li+ migration. The novel synthetic methods proposed and the exceptional characteristics of three-dimensional carbon nanostructures make these materials highly potential candidates that can be applied in future energy storage systems.
본 논문은 탄소체 물질의 기본 물성을 극대화시키기 위한 연구로, 3차원 탄소 나노구조체의 제조법 및 이의 특성에 관한 연구를 포함하고 있다. 3차원 탄소 나노구조체는 2차원의 그래핀 시트에 1차원의 탄소나노튜브가 수직하게 세워진 구조이다. 탄소나노튜브가 성장 하는 과정에서 니켈 금속 입자가 촉매로 사용이 되며 이들이 그래핀 시트의 표면에서 탄소나노튜브의 성장을 이끌어 낸다는 것이 확인 되었다. 본 3차원 탄소 나노구조체의 제조는 마이크로웨이브 조사에 기반하여 단시간에 많은 양을 한번에 얻을 수 있어 기존의 화학증기증착법을 개선시킨 진보한 방식이다. 이렇게 제조된 3차원 탄소 나노구조체는 2차원 시트에 세워진 탄소나노튜브로 말미암아 기존의 탄소체 물질보다는 훨씬 더 큰 부피대비 표면적을 가지고 있다. 이뿐만 아니라 그래핀 시트 표면 및 그래핀 층 사이사이에 존재하는 카본나노튜브가 간격을 띄우는 받침 역할을 하여 그래핀의 시트가 튀틀리거나 포개어지는 것을 막아준다. 이후 3차원 탄소 나노구조체를 리튬 이온 배터리의 음극 활물질로 사용하여 실시한 전기화학 분석 결과 우수한 성능을 보였다. 고용량 및 안정적인 성능 유지를 보여줌으로써 차세대 리튬 이온 배터리의 음극 활물질로서의 가능성을 보였다.
