(57)【要約】    一態様において、本願発明は、内部に多孔質グラフェン構造体の分散系を形成する為に、溶剤中に多孔質グラフェン構造体を分散することと、前駆体混合物を形成する為に溶剤中の多孔質グラフェン構造体の分散系にナノ粒子の前躯体を添加することと、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を形成する為に、前駆体混合物を処理することとを含む、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を合成する方法に関する。複合材料は、ナノ粒子が、グラフェン構造体の孔に均一に分布するように形成される。複合材料は、効率的なイオンや電子の伝達が求められる電気化学的装置における電極材料として非常に有用である。
2019503977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部に多孔質グラフェン構造体の分散系を形成する為に、多孔性グラフェン構造体を溶剤内に分散することと、
前駆体混合物を形成する為に、前記溶剤内の前記多孔質グラフェン構造体の分散系にナノ粒子の前駆体を加えることと、
ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を形成する為に、前記前駆体混合物を処理することと、前記ナノ粒子が、前記グラフェン構造体の孔の中に均一に分布することとからなる、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を合成する方法。
【請求項２】
前記ナノ粒子は、１０ナノメートル以下のサイズである、請求項１の方法。
【請求項３】
前記多孔質グラフェン構造体は、メソ多孔質グラフェンファイバー、メソ多孔質グラフェンチューブ、メソ多孔質グラフェンワイヤ、またはそれらの組み合わせからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記メソ多孔質グラフェンファイバーは、窒素ドープしたグラフェンファイバーからなる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記溶剤は、アルコール、水、またはそれらの組み合わせからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記溶剤は、エタノール、またはエチレングリコールからなる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記溶剤に溶解した前駆体は、前記多孔質グラフェン構造体の孔の中に吸着される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ナノ粒子の前記前駆体は、金属酸化物、金属、および無機化合物のうちの少なくともいずれか１つである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ナノ粒子は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（ＬＴＯ）からなり、前記ＬＴＯのナノ粒子前駆体は、前記多孔質グラフェン構造体の分散系の中に添加される、酢酸リチウムと、チタン酸テトラ‐ｎ‐ブチルとからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記処理する工程は、乾燥粉末を形成する為に前記溶剤を揮発させることと、前記ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を形成する為に前記乾燥粉末を焼きなましすることとからなる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ナノ粒子は、Ｆ３Ｏ４からなり、Ｆ３Ｏ４ナノ粒子の前駆体は、前記多孔質グラフェン構造体の分散系の中に添加されるＦｅＣｌ３とＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記処理する工程は、前記多孔質ファイバーの内部にＦｅ３Ｏ４の共沈が生じるように前記前駆体混合物にアンモニア水溶液を添加して、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェン複合材料を形成することと、
濾過して回収した後、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェン複合材料を処理することとからなる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ナノ粒子は、Ｐｔからなり、Ｐｔナノ粒子の前駆体は、前記多孔質グラフェン構造体の分散系の中に添加されたＨ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記処理する工程は、前記Ｐｔナノ粒子が、前記多孔質グラフェン構造体の内部で沈殿するように、前記前駆体混合物を還流して、Ｐｔ／多孔質グラフェン複合材料を形成することと、
濾過して回収した後、前記Ｐｔ／多孔質グラフェン複合材料を乾燥することとからなる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１に従って合成されたナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料。
【請求項１６】
請求項１に従って合成された前記ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料からなる物品。
【請求項１７】
前記物品はバッテリまたはスーパーキャパシタ用に使用可能な電極である、請求項１６に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にナノテクノロジー分野に関する。より詳細には、窒素でドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーに活性ナノ粒子を装填する方法と、それから得られる複合材料と、その用途とに関する。得られる複合材料は、優れた電気化学特性と、リチウムイオン電池やスーパーキャパシタ等、様々な用途に使用される可能性を備える。
【背景技術】
【０００２】
ナノカーボン、及びその複合材料は、様々な用途を有する。それらは、リチウムイオン電池（ＬＩＢｓ：lithium-ion  batteries）など電気化学エネルギーの貯蔵分野で広く使用されている。今日では、リチウムイオン電池は、電気自動車、大規模送電網、および再生可能なエネルギーの貯蔵システムにその用途を拡大している。より高いエネルギーまたは電力密度と、高い安全性とを備えるＬＩＢｓの開発は、上記用途において非常に重要である。グラファイトは、ＬＩＢｓの陰極材料として広く使用されている。しかしながら、グラファイト陰極の速度性能の低さや安全性への懸念が、ＬＩＢｓの発展の妨げになっている。高性能の陰極材料を探し出すことは、エネルギー貯蔵分野における重要なテーマの１つである。近年、リチウム挿入離脱反応を繰り返しても高い安定性を有すること、充電／放電プラトーが安全であること、高速を要する用途などに大きな可能性を秘めていることなどから、スピネルＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（ＬＴＯ）が大きな関心を集めている。しかしながら、ＬＴＯは、電子伝達性が低くイオン拡散速度が限られているため、低い速度性能しか提供できていない。
【０００３】
性能を向上させるために、ＬＴＯの炭素変性複合材料が開発され、速度性能は大いに改善されてきている。しかしながら、放電速度をさらに高める為には、現在の電池の性能は、活物質の大きなサイズによって、まだ制限されている。活物質のサイズを小さくすることは、さらなる可能性を実現する為に必須である。カーボンナノチューブやグラフェンをベースとするＬＴＯナノ複合材料を形成することが電池性能を高める有効な手段であることが明らかになってきてはいるが、複合材料の混合を困難にするナノカーボンの分散と再会合とによって、この戦略はうまくいっていない。したがって、活物質をナノカーボンに装填して高性能電極物質を形成することには、まだ課題が残されている。
【０００４】
よって、当該技術分野には、上述した不足点と欠点に応える、解決されていない課題が存在する。
【発明の概要】
【０００５】
上述した不足点と欠点とを解決する為に、本願発明の目的の１つは、多孔質グラフェン構造体中にナノ粒子を装填して均一なナノ粒子／多孔性グラフェン複合材料を形成する調製方法を提供することにある。本願発明のもう１つの目的は、エネルギー貯蔵の為の高性能電極材料用複合材料を提供することにある。
【０００６】
一態様において、本願発明は、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料の合成方法に関する。ある実施形態では、方法は、内部に多孔性グラフェン構造体の分散を形成する為に多孔質グラフェン構造体を溶剤内に分散させる工程と、前駆体混合物を形成する為に溶剤内の多孔質グラフェン構造体の分散系の中にナノ粒子の前駆体を加える工程と、ナノ粒子／グラフェン複合体を形成する為に前駆体混合物を処理する工程とからなる。ある実施形態では、複合材料は、ナノ粒子が、グラフェン構造体の孔の中に均一に分散するように形成される。ナノ粒子は、１０ナノメートル以下のサイズである。
【０００７】
ある実施形態では、多孔質グラフェン構造は、メソ多孔質グラフェンファイバー、またはメソ多孔質グラフェンチューブ、またはメソ多孔質グラフェンワイヤ、またはそれらの組み合わせからなる。ある実施形態では、メソ多孔質グラフェンファイバーは、窒素でドープされたグラフェンファイバーを含む。
【０００８】
ある実施形態では、溶剤は、アルコール、水、またはそれらの組み合わせからなる。ある実施形態では、溶剤は、エタノールまたはエチレングリコールからなる。
ある実施形態では、溶剤に溶解された前駆体は、グラフェン構造体の孔の中に吸着される。
【０００９】
ある実施形態では、ナノ粒子の前駆体は、金属酸化物、金属、および無機化合物のうちの少なくともいずれか１つからなる。
ある実施形態では、ナノ粒子は、ＬＴＯからなり、ＬＴＯの前駆体は、多孔質グラフェン構造体の分散系に添加される酢酸リチウムとチタン酸テトラ‐ｎ‐ブチル（tetra‐n‐butyltitanate）とからなる。ある実施形態では、処理工程は、乾燥粉末を形成する為に溶剤を揮発させることと、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を形成する為に乾燥粉末を焼きなましすることとからなる。
【００１０】
ある実施形態では、ナノ粒子は、Ｆ３Ｏ４を含み、Ｆ３Ｏ４ナノ粒子の前駆体は、多孔質グラフェン構造体の分散系の中に添加された塩化鉄（ＦｅＣｌ３）と塩化鉄（ＩＩ）四水和物（ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ）とからなる。ある実施形態では、処理工程は、多孔質グラフェン構造体の内部でＦｅ３Ｏ４の共沈が生じるように前駆体混合物の中にアンモニア溶液を添加して、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェン複合材料を形成することと、濾過して回収した後、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェン複合体を処理することとからなる。
【００１１】
ある実施形態では、ナノ粒子は、プラチナ（Ｐｔ）からなり、Ｐｔナノ粒子の前駆体は、多孔質グラフェン構造体の分散系に添加されたヘキサクロロ白金酸六水和物（Ｈ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ）からなる。ある実施形態では、処理工程は、Ｐｔナノ粒子が多孔質グラフェン構造体の中で沈殿するように前駆体混合物を還流することによってＰｔ／多孔質グラフェン複合体を形成することと、濾過して回収した後Ｐｔ／多孔質グラフェン複合体を乾燥することとからなる。
【００１２】
別の態様において、本願発明は、上述した方法に従って合成されたナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料に関する。
さらに別の態様では、本願発明は、上述した方法に従って合成されたナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料からなる物品に関する。
【００１３】
ある実施形態では、物品は、電池またはスーパーキャパシタに使用可能な電極である。
本願発明の一態様において、低次元ナノ粒子が、窒素でドープしたメソ多孔質グラフェンファイバー上に均一に装填される。ほとんどの場合において、特に高温の合成工程が必要な場合において、電気化学活性を備えるナノ粒子は、凝集の問題を抱える。本願発明によれば、メソ多孔質グラフェンが合成されてエネルギー貯蔵において優れた性能を発揮する。ある実施形態では、高性能陰極材料用の有効なナノ複合材料構造を形成する為に、窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバー（ＮＰＧＦｓ）のメソ細孔内に限定してＬＴＯナノ粒子を成長させる。ナノ複合材料構造体では、活性ＬＴＯナノ粒子は、マトリックス内で均一に成長する。ある実施形態では、窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーは、長距離導電用の連続性導電マトリックスを提供するだけではなく、ナノサイズのＬＴＯを限定的に成長させるためのホストとして機能して、焼きなます間にＬＴＯが凝集することを防止する。ＮＰＧＦｓの互いに連絡した孔のネットワークは、電解質輸送の為の大きな表面積も提供する。これらの特性に基づいて、この複合材料は、電池耐久性能の点で期待されている。
【００１４】
本願発明のある態様において、複合材料を合成する為に、窒素ドープしたファイバーが、エタノールなどの溶剤の中に分散された後、溶剤内の窒素ドープしたファイバーの分散の中に活性ＬＴＯナノ粒子の前駆体が添加される。ファイバーの高い吸着性に基づいて、エタノールに溶解された前駆体は、メソ細孔の中に完全に吸着される。活性ナノ粒子の前駆体は、ＬＴＯに限定されず、様々な金属酸化物、金属、および無機化合物などのその他の活性ナノ粒子も本願発明の実施に使用可能である。本願発明の例示的な例では、メソ多孔質グラフェンファイバー（またはナノファイバー）を使用しているが、メソ多孔質グラフェンチューブ（またはナノチューブ）、メソ多孔質グラフェンワイヤ（またはナノワイヤ）などのその他のメソ多孔質グラフェン構造体も本願発明の実施に使用可能である。
【００１５】
溶剤を揮発した後、回収された複合材料の前駆体は、最終的な複合材料を形成する為に焼きなましされる。最終的な複合材料では、ＬＴＯは、グラフェンファイバーの孔の中において均一に成長されている。限局させて成長させることにより、ナノ粒子のサイズは小さくなり、１０ナノメートル以下となる。このような複合材料は、リチウムイオン電池などのエネルギー貯蔵用に優れた性能を備える。
【００１６】
上記手順は、非常に簡単に実施できるため、上述の合成アプローチは、大規模生産用に低コストですぐに規模を拡大しうる。
本願発明の新規概念の主旨及び範囲を逸脱することなく、様々なバリエーションおよび変更が可能であるが、本願発明の上記およびその他の態様は、以下の図面と合わせて好ましい実施形態についての下記の詳細な説明から明らかであろう。
【００１７】
添付の図面は、本願発明の１つ以上の実施形態を示しており、詳細な説明と共に、本願発明の本質を説明するのに役立つ。可能な限りにおいて、実施形態の同一または類似の要素について言及する際には、図面全体を通して同一の参照番号が使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本願発明の一実施形態にかかるナノ粒子／メソ多孔質グラフェン複合材料を合成する為の手順を示す略式図。
【図２】窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーに活性ＬＴＯナノ粒子を装填して本願発明の一実施形態にかかるナノ複合材料を形成する合成手順を示す略式図。
【図３】本願発明の一実施形態に従って、多孔質ファイバー上にＬＴＯナノ粒子を均一に装填されていることを示す、ＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料を示すＴＥＭ画像。
【図４】本願発明の一実施形態に従って、多孔質ファイバー上に酸化物ナノ粒子（Ｆｅ３Ｏ４）が均一に装填されていることを示す、金属酸化物／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料を示すＴＥＭ画像。
【図５】本願発明の一実施形態に従って、１〜２．８Ｖで１〜１０Ｃの様々な速度で、純粋なＬＴＯと比較したＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料の充電／放電能を示す図。
【図６】本願発明の一実施形態に従って、１０Ｃの速度で、ＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料の循環安定性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
添付の図面を用いて、本願発明の実施形態について説明する。本願発明の目的に従って、本明細書において、具体化され、且つ広義に説明されているように、本願発明は、活性ナノ粒子を多孔質グラフェン構造体に装填する方法、それから得られる複合材料、およびその用途に関する。得られる複合材料は、優れた特性を提供し、リチウムイオン電池やスーパーキャパシタといった多様な用途において大きな可能性を有する。
【００２０】
一態様において、本願発明は、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料の合成方法に関する。一実施形態では、図１に示されているように、方法は、以下の工程を含む。
工程１１０では、多孔質グラフェン構造体は、溶剤中に多孔質グラフェン構造体の分散系を形成する為に、溶剤の中に分散される。
【００２１】
ある実施形態において、多孔質グラフェン構造体は、メソ多孔質グラフェンファイバー、またはメソ多孔質グラフェンチューブ、またはメソ多孔質グラフェンワイヤ、またはそれらの組み合わせからなる。ある実施形態では、メソ多孔質グラフェンファイバーは、窒素ドープしたグラフェンファイバーを含む。
【００２２】
ある実施形態では、溶剤は、アルコール、水、またはそれらの組み合わせからなる。ある実施形態では、溶剤は、エタノールまたはエチレングリコールからなる。
工程１２０では、前駆体混合物を形成する為に溶剤中の多孔質グラフェン構造体の分散系に、ナノ粒子の前駆体が添加される。ある実施形態では、溶剤に溶解された前駆体は、グラフェン構造体の孔の中に吸着される。ある実施形態では、ナノ粒子の前駆体は、金属酸化物、金属、および無機化合物のうちの少なくともいずれか１つである。
【００２３】
工程１３０では、前駆体混合物が、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を形成する為に処理される。
ある実施形態では、複合材料は、ナノ粒子が、グラフェン構造体の孔の中に均一に分布するように形成される。ナノ粒子は、１０ナノメートル以下の大きさである。
【００２４】
ある実施形態では、ナノ粒子は、ＬＴＯからなり、ＬＴＯナノ粒子の前駆体は、多孔質グラフェン構造体の分散系に添加された酢酸リチウムとチタン酸テトラ‐ｎ‐ブチルとからなる。
【００２５】
ある実施形態では、処理工程は、乾燥粉末を形成する為に溶剤を揮発することと、ナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料を形成する為に乾燥粉末を焼きなましすることとを含む。
【００２６】
ある実施形態では、ナノ粒子は、Ｆ３Ｏ４からなり。Ｆ３Ｏ４の前駆体は、多孔質グラフェン構造体の分散系に添加されたＦｅＣｌ３とＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏとからなる。
ある実施形態では、処理工程は、多孔質グラフェン構造体内でＦｅ３Ｏ４の共沈が生じるように、前駆体混合物の中にアンモニア溶液を添加してＦｅ３Ｏ４／多孔質グラフェン複合材料を形成することと、濾過して回収した後にＦｅ３Ｏ４／多孔質グラフェン複合材料を処理することとからなる。
【００２７】
ある実施形態において、ナノ粒子は、Ｐｔからなり、Ｐｒナノ粒子の前駆体は、多孔質グラフェン構造体の分散系に添加されたＨ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏからなる。
ある実施形態において、処理工程は、Ｐｔナノ粒子が、多孔質グラフェン構造体内で沈殿するように前駆体混合物を還流してＰｔ／多孔質グラフェン複合材料を形成することと、濾過して回収した後、Ｐｔ／多孔質グラフェン複合材料を乾燥することとからなる。
【００２８】
別の態様では、本願発明は、上記方法に従って合成されたナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料に関する。
さらに別の態様では、本願発明は、上記方法に従って合成されたナノ粒子／多孔質グラフェン複合材料からなる物品に関する。
【００２９】
ある実施形態では、物品は、バッテリまたはスーパーキャパシタ用の電極である。
本願発明の一態様は、窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーにナノ粒子を装填する方法と、得られた複合材料構造体と、を提供する。より詳細には、階層的に構造化されたナノ粒子／窒素ドープした多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料は、窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバー内に機能性ナノ粒子を限定的に成長させることによって合成される。均一な孔構造を有するグラフェンファイバーが活性ナノ粒子の前駆体を収納するテンプレートとして使用され、その後に焼きなまし処理される。得られた複合材料は、ナノ粒子が、ファイバー内で均一に分布しているために、非常に均一性の高い構造を備える。複合材料は、効率的なイオンと電子の伝達が求められる電気化学的装置における電極材料として非常に有用である。
【００３０】
一実施例において、ＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料を合成する為に、約１０ｍｌのエタノールに約２０ｍｇの窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを加えた。その後、窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーの分散に、ＬＴＯ前駆体として約０．１１ｇの酢酸リチウムと約０．７２ｇのチタン酸テトラ‐ｎ−ブチルとを溶解した。混合物は、エタノールを揮発させるために処理した。回収された乾燥粉末は、ＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料を形成する為に、焼きなました。図２に示されているように、ある実施形態では、これらの手順によって、ＬＴＯナノ粒子が窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバー内に均一に装填されている均一な複合材料が得られた。
【００３１】
得られた複合材料の形態を、電子顕微鏡技術を用いて解析した。図３に示されているように、複合材料の透過型電子顕微鏡像は、均一な構造を有するファイバー形状のナノ複合材料であることを示していた。ファイバーのメソ細孔内に、約数ナノメートルのサイズのＬＴＯナノ粒子が確認できた。ナノ粒子は、ファイバーの外表面上をコートしていなかった。この結果は、多孔質マトリックスの高い湿潤性の為に、ＬＴＯナノ粒子が、ファイバー内部で成長したことを示していた。このような複合材料の構造は、ファイバーとＬＴＯ構成要素との間に直接的な界面接触部を形成する為、エネルギー貯蔵の為の電荷輸送を促進する。
【００３２】
複合材料合成において、本願発明の合成手順が広い適用範囲を有する点に注目することは、非常に重要である。ナノ粒子の種類は、ＬＴＯに限定されず、その他のものも可能である。発明者は、本願の合成方法の適用範囲が広いことを示す為に、金属酸化物を装填するために多孔質グラフェンファイバーも使用している。例えば、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェンファイバー複合材料の一般的な合成では、約３００ｍｌの１：２の体積比のアルコールと水とからなる溶液に、窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを約０．５ｇ分散させた後、約１．８２ｇのＦｅＣｌ３と約１．１１ｇのＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏとを加えた。約１２ｍｌの２８重量パーセント濃度のアンモニア水溶液をそれに加えると、多孔質ファイバー内にＦｅ３Ｏ４の共沈が生じて、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェンファイバー複合材料が形成された。図４に示されているように、約８ナノメートルのサイズのＦｅ３Ｏ４粒子が得られた。
【００３３】
本願発明に従って得られた階層的に構造化された酸化物／多孔質グラフェンファイバー複合材料のサンプルが、以下に説明する電気化学的試験の対象にされた。電極を準備する為に、約８０重量パーセント濃度の複合材料と、約１０重量パーセント濃度のカーボンブラックと、約１０重量パーセント濃度のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を、１−メチル‐２‐ピロリジノン（ＮＭＰ）に混合して、均一な懸濁液を形成した。懸濁液は、銅基板の上にコートして真空下で乾燥させた。電気化学的な性能を試験する為に、２０１５型のコインセルの中に電極を組み立てて、カウンター電極と参照電極としてリチウムホイルを使用し、セパレーターとしてガラスファイバー（Ｗｈａｔｍａｎ）を使用した。電解質溶液は、約１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６の１：１の体積比のエチレンカーボネート（ＥＣ）／ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）溶液であった。ＬＡＮＤ  ＣＴ２０００バッテリテスターを用いて、様々な電流密度で定電流充電／放電計測を行った。
【００３４】
図５は、約０．５〜３０Ｃのレートで、約１．０〜２．８Ｖの間のＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバー複合材料で形成した電極と、Ｌｉ＋／Ｌｉとの定電流充電／放電プロファイルを示す。電極の複合材料は、約０．５、１、３、５、１０Ｃの速度で約１６０、１４５、１２３、１１４、１００ｍＡｈｇ−１の可逆性の放電能を示した。約３０Ｃの高速であっても、複合材料の放電能力は、約７２ｍＡｈｇ−１に接近した。速度性能は、純粋なＬＴＯで形成された電極よりもかなり良い。この結果は、多孔質グラフェンファイバー内で小さなナノ粒子を限局的に成長させることの有効性を示唆している。さらに、電極の長期安定性が、約１０Ｃの速度で充電と放電を繰り返すことによってテストされ、約１０００回繰り返した後で、約８９．５％の性能を保持することが示された（図６参照）。この結果から、電極の耐久性能が示唆された。
【００３５】
本願発明の範囲を限定することを意図することなく、本願発明の実施形態にかかる実施例と関連する結果を以下に示す。
実施例１
この例は、ＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを合成する為の方法を提供する。本願発明の一実施形態にかかる合成工程を以下に詳細に説明する。
【００３６】
（１）均一な分散を形成する為に、約２０ｍｇの窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを約１０ｍｌのエタノールの中に分散させた。その後、約０．１１ｇの酢酸リチウムと約０．７２ｇのチタン酸テトラ‐ｎ‐ブチルとを含むＬＴＯの前駆体を窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーの前記分散に溶解して、前駆体混合物を形成した。
【００３７】
（２）エタノールを揮発させるために、前駆体混合物を処理した。
（３）処理した後、最終のＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバー複合材料を形成するために、回収した乾燥粉末をアルゴン流下で、約８００度の温度で焼きなました。
【００３８】
図３に示されているＬＴＯ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーナノ複合材料のＴＥＭ画像は、ＬＴＯナノ粒子が均一に多孔質ファイバー上に装填されていることを示している。
実施例２
この例は、Ｆｅ３Ｏ４／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを合成する方法を提供する。本願発明の一実施形態にかかる合成方法を以下に詳細に説明する。
【００３９】
（１）約０．５ｇの窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを約３００ｍｌの体積比１：２のアルコール‐水からなる溶液に分散させて、Ｆ３Ｏ４ナノ粒子の前駆体として約１．８２ｇのＦｅＣｌ３と約１．１１ｇのＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏを加えた。
【００４０】
（２）約１２ｍｌの約２８重量パーセント濃度のアンモニア水溶液に加えると、多孔質ファイバー内部にＦｅ３Ｏ４の共沈が生じ、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェンファイバー複合材料が形成された。濾過した後、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェンファイバー複合材料を回収した。
【００４１】
（３）最終Ｆｅ３Ｏ４／窒素ドープした多孔質グラフェンファイバー複合材料を形成する為に、Ｆｅ３Ｏ４／多孔質グラフェンファイバー複合材料を、窒素流の下で、約３００度で処理した。
【００４２】
図４に示されている金属酸化物／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーのＴＥＭ画像は、酸化物（Ｆｅ３Ｏ４）ナノ粒子が多孔質ファイバー上に均一に装填されていることを示している。
実施例３
この例は、Ｐｔ／窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを合成する方法を提供する。本願発明の一実施形態にかかる合成工程を以下に説明する。
【００４３】
（１）約０．１ｇの窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバーを約３００ｍｌのエチレングリコール溶液内に分散させ、その中に、Ｐｔ触媒前駆体として約１ｇのＨ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏを加えた。エチレングリコールは、グラフェンファイバーを分散させる為の溶媒、且つＰｔナノ粒子の還元剤として機能する。
【００４４】
（２）混合物の分散を、約１３０℃で約６時間還流した。その後、Ｐｔナノ粒子は、窒素ドープしたメソ多孔質グラフェンファイバー内に高密度で沈殿した。
（３）濾過したのち、Ｐｔ／グラフェンファイバー複合材料を回収して、アルゴン流の下で、約１６０℃で乾燥させた。
【００４５】
本願発明の例示の実施形態にかかる上述した説明は、単に例示し説明することを意図したものであって、本願発明を開示されているそのものの形態に徹底したり限定することを意図していない。上述した内容に照らして、様々な変更及びバリエーションが可能である。
【００４６】
実施形態は、本願発明や想定される特定の使用に適した様々な変更を伴う様々な実施形態を、当業者に利用可能とするために、本願発明の原理と実務上の用途とを説明する目的で選択され、且つ説明されている。本願発明が属する技術分野の通常の知識を有する者にとっては、本願発明の主旨および範囲から逸脱することなく、代替的な実施形態は明白であろう。したがって、本願発明は、ここで説明された上述の説明及び例示の実施形態ではなく、むしろ添付された請求項によって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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