단일벽 탄소나노튜브의 효율적 불순물 제거 및 고농도 분산 기술 연구 = A Study on the highly efficient removal of impurities and high-concentration dispersion technologies of single-walled carbon nanotubes.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 차세대 이차전지용 전극 소재로 주목받고 있는 단일벽 탄소나노튜브 (Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNT)의 실용화를 위한 핵심 기술로서, 고순도 정제 기술과 고농도·저점도 수분산 기술을 통합적으로 개발하였다. SWCNT는 우수한 전기전도도와 기계적 특성으로 인해 실리콘(Si) 기반 음극재 의 부피 팽창을 완충할 수 있는 전도성 네트워크 형성에 적합하나, 불순물(금속 촉매 등)의 존재 및 분산의 어려움으로 인해 상용화에 제약이 있다. 이에 본 연구에서는 강산 처리와 고온 염소 처리를 조합한 복합 정제 공정을 고 안하여, SWCNT의 금속 불순물을 효과적으로 제거함과 동시에 결정성 손상을 최소화하였다. 정제 결과, SWCNT의 순도는 94.6%까지 향상되었으며, 결정성 (IG//ID) 역시 보존됨을 확인하였다. 또한 고분자 분산제(PESMA)와 수용성 셀룰 로오스 유도체(CMC)를 활용한 이중 분산 시스템을 통해, 0.8 wt% 수준의 고농 도 분산액을 5,300 cPs 이하의 점도로 구현하였고, 금속염 첨가를 통해 점도 저 하 및 슬러리 흐름성을 개선하였다. 개발된 SWCNT 분산 슬러리는 실제 전극 제조 및 셀 평가에 적용되었으며, 카본블랙 대비 20% 이상 전극 저항이 감소하 고, 에너지 밀도는 320 Wh/kg 이상을 달성하였다. 본 연구는 SWCNT의 정제와 분산 문제를 동시에 해결함으로써, 실질적인 이차전지용 전도성 소재로의 상용화 가능성을 제시하였다는 점에서 학술적·산업적 의의가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents an integrated approach to address two critical challenges in the practical application of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) for next-generation lithium-ion battery electrodes: efficient purification and high-concentration aqueous dispersion with low viscosity. SWCNTs are promising conductive additives for silicon-based anodes due to their outstanding electrical conductivity and mechanical strength, yet their commercialization has been limited by the presence of metal impurities and poor dispersibility.
A hybrid purification method combining strong acid treatment and high-temperature chlorine treatment was developed to remove residual catalysts (Fe, Mo) while minimizing damage to the graphitic structure. This approach achieved a purity of up to 94.6% with preserved crystallinity (IG/ID ratio). Furthermore, a dual-dispersion strategy using a polymeric dispersant (PESMA) and carboxymethyl cellulose (CMC) enabled the formulation of 0.8 wt% SWCNT aqueous slurries with viscosities below 5,300 cPs. The addition of metal hydroxides further reduced viscosity and improved flowability.
The formulated dispersions were applied to actual electrode fabrication and cell testing, demonstrating a >20% reduction in electrode resistance compared to conventional carbon black and achieving an energy density of over 320 Wh/kg. These findings contribute to narrowing the gap between laboratory-scale research and industrial implementation of SWCNT-based conductive materials for high-performance lithium-ion batteries.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 6
• 2.1 탄소나노튜브 6
• 2.2 탄소나노튜브의 합성 10
• 2.3 탄소나노튜브의 정제 15
• 2.4 탄소나노튜브의 분산 19
• 2.5 탄소나노튜브의 응용 24
• 3. 실험 및 분석 38
• 3.1 탄소나노튜브 합성 38
• 3.2 탄소나노튜브 정제 42
• 3.3 탄소나노튜브 분산 50
• 4. 결과 및 고찰 59
• 4.1 탄소나노튜브 정제 결과 및 고찰 59
• 4.2 탄소나노튜브 분산 결과 및 고찰 74
• 5. 결론 및 향후 연구방향 94
• 참고문헌 97
• (Abstract) 103