KR100432486B1 - Method of manufacturing electrodes for high power supercapacitor and supercapacitor using the same - Google Patents
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Abstract
탄소 나노 튜브를 이용한 고출력 수퍼 커패시터의 전극 제조 방법 및 이를 이용한 수퍼 커패시터를 개시한다. 본 발명의 일 관점은, 다수의 탄소 나노 튜브(carbon nanotubes)들을 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride)를 포함하는 결합제로 결합시켜 결합체로 성형하는 단계를 포함하는 수퍼 커패시터의 전극 제조 방법을 제공한다. 이때, 폴리비닐리덴 클로라이드를 탄화하는 단계를 더 수행할 수 있다. 또한, 형성된 전극을 불활성 가스 분위기에서 대략 500℃ 내지 1000℃의 온도로 열처리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 그리고, 전극은 니켈 폼(nikel foam)의 집전체 상에서 성형되거나, 니켈 폼의 집전체 상에 유기 고분자 결합제를 이용하여 부착될 수 있다.Disclosed are a method of manufacturing an electrode of a high output supercapacitor using carbon nanotubes, and a supercapacitor using the same. An aspect of the present invention provides a method of manufacturing an electrode of a supercapacitor comprising combining a plurality of carbon nanotubes with a binder including polyvinylidene chloride to form a binder. At this time, carbonizing the polyvinylidene chloride may be further performed. In addition, the electrode may be further heat-treated at a temperature of approximately 500 ° C. to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere. In addition, the electrode may be molded on the current collector of the nickel foam, or attached to the current collector of the nickel foam using an organic polymer binder.
Description
본 발명은 커패시터 소자에 관한 것으로, 특히, 고용량 및 고출력 특성을 가지는 수퍼 커패시터(supercapacitor)에 이용되는 전극을 제조하는 방법 및 이러한 전극을 이용하는 수퍼 커패시터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to capacitor devices, and more particularly, to a method of manufacturing an electrode for use in a supercapacitor having high capacity and high output characteristics, and a supercapacitor using such an electrode.
축적 용량을 수십 F 이상 나타내는 전기 화학적 커패시터(electrochemicalcapacitor) 등과 같은 수퍼 커패시터는 빠른 충전 시간, 높은 충방전 효율, 긴 반복 수명, 큰 동력 밀도 등의 많은 장점을 가질 수 있다고 알려지고 있다. 수퍼 커패시터는 동력 밀도 면에서 기존의 2차 전지에 비해 10배 이상의 동력 밀도를 나타낼 수 있다고 알려져, 전기 자동차 및 산업용 전동기의 부하 조절 등에 응용될 수 있다고 알려져 있다.It is known that supercapacitors, such as electrochemical capacitors having an accumulation capacity of several tens F or more, may have many advantages such as fast charge time, high charge and discharge efficiency, long repeat life, and large power density. Supercapacitors are known to exhibit more than 10 times the power density of conventional secondary batteries in terms of power density, and are known to be applied to load control of electric vehicles and industrial electric motors.
이러한 수퍼 커패시터의 전극은 주로 활성탄이나 활성 탄소 섬유를 이용하고 있으나, 이들의 비표면적은 대략 1000㎡/g 정도로 높으나 주로 20Å 이하의 세공이 대부분이어서 이온들이 세공 내에 진입하는 것이 원활하지 못하여 축전 용량을 극대화하는 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이러한 활성탄 또는 활성 탄소 섬유를 이용하는 전극을 이용할 경우, 전극 활물질의 표면적을 최대한 활용하지 못하고 있는 것으로 알려져 있다.The electrodes of these supercapacitors mainly use activated carbon or activated carbon fibers, but their specific surface area is about 1000 m 2 / g, but most of the pores are less than 20 mW, so that the ions do not enter the pores so that the storage capacity is reduced. It is known that there is a limit to maximization. Therefore, when using an electrode using such activated carbon or activated carbon fibers, it is known that the surface area of the electrode active material is not utilized to the maximum.
또한, 활성탄이나 활성 탄소 섬유와 같은 다공성 물질은 전기 전도도가 상대적으로 낮고, 활성화 과정에서 도입된 산소 관능기 때문에 입자 간의 접촉 저항이 커지는 문제가 발생한다고 알려져 있다. 이를 개선하기 위해서 활성탄으로 전극을 제조할 때 도전체를 혼합해주는 방법으로 전극의 전도성을 보완하는 방법이 알려져 있다.In addition, porous materials such as activated carbon and activated carbon fibers have a relatively low electrical conductivity and are known to cause problems in that contact resistance between particles increases due to oxygen functional groups introduced during activation. In order to improve this, it is known to supplement the conductivity of the electrode by mixing a conductor when manufacturing the electrode from activated carbon.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전극 내의 세공을 조절하여 비표면적을 최대한 효율적으로 이용하고, 전기 전도도도 또한 우수하여 수퍼 커패시터의 내부 저항을 저감시킬 수 있어 고출력의 수퍼 커패시터를 얻는 데 이용되는 전극제조 방법을 제공하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to use the specific surface area as efficiently as possible by adjusting the pores in the electrode, the electrical conductivity is also excellent to reduce the internal resistance of the supercapacitor electrode used to obtain a high output supercapacitor It is to provide a manufacturing method.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 전극을 이용한 수퍼 커패시터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a supercapacitor using the electrode.
도 1은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 전극을 수퍼 커패시터를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing an electrode manufactured by an embodiment of the present invention to explain a supercapacitor.
도 2는 본 발명이 실시예에 의해서 제조된 수퍼 커패시터에 의해서 얻어지는 에너지 밀도와 동력 밀도 관계를 설명하기 위해서 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating the energy density and power density relationship obtained by the supercapacitor manufactured by the embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
100; 전극, 200; 분리막,100; Electrode, 200; Separator,
300; 전해액, 400; 집전체.300; Electrolyte solution, 400; Current collector.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 다수의 탄소 나노 튜브들을 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는 결합제로 결합시켜 결합체로 성형하는 단계를 포함하는 수퍼 커패시터의 전극 제조 방법을 제공한다.One aspect of the present invention for achieving the above technical problem, provides a method of manufacturing an electrode of a supercapacitor comprising the step of combining a plurality of carbon nanotubes with a binder containing polyvinylidene chloride to form a binder.
이때, 상기 탄소 나노 튜브는 단층 또는 다층 탄소 나노 튜브를 이용할 수 있다.In this case, the carbon nanotube may use a single layer or a multilayer carbon nanotube.
또한, 상기 결합제는 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리테트라플루오로에틸렌, 페놀 수지 또는 카르복실메틸 셀룰로즈를 더 포함할 수 있다.In addition, the binder may further include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, polytetrafluoroethylene, phenol resin or carboxymethyl cellulose.
또한, 상기 전극 제조 방법은 상기 결합체를 불활성 가스 분위기에서 대략 500℃ 내지 1000℃의 온도로 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the electrode manufacturing method may further comprise the step of heat-treating the binder at a temperature of approximately 500 ℃ to 1000 ℃ in an inert gas atmosphere.
그리고, 상기 결합체는 니켈 폼(nikel foam)의 집전체 상에서 성형되거나, 상기 결합체를 니켈 폼의 집전체 상에 유기 고분자 결합제를 이용하여 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.또는, 폴리비닐리덴 클로라이드를 준비하는 단계와, 상기 폴리비닐리덴 클로라이드를 탄화시키는 단계와, 상기 탄화된 폴리비닐리덴 클로라이드를 미분쇄하는 단계와, 다수의 탄소 나노 튜브들을 준비하는 단계와, 상기 미분쇄된 탄화 폴리비닐리덴 클로라이드 미분을 상기 탄소 나노 튜브와 혼합하는 단계, 및 상기 혼합된 혼합물을 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는 결합제와 혼합하고 결합하여 결합체로 성형하는 단계를 포함하는 수퍼 커패시터의 전극 제조 방법을 제공한다.In addition, the binder may be formed on the current collector of the nickel foam (nikel foam), or may further comprise attaching the binder on the current collector of the nickel foam using an organic polymer binder. Or, polyvinylidene chloride Preparing carbon dioxide, pulverizing the polyvinylidene chloride, pulverizing the carbonized polyvinylidene chloride, preparing a plurality of carbon nanotubes, and pulverizing the pulverized polyvinylidene carbide. Mixing chloride fine powder with the carbon nanotubes, and mixing the combined mixture with a binder comprising polyvinylidene chloride, and combined to form a conjugate into an electrode.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 상호 대향되게 도입되며 다수의 탄소 나노 튜브를 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는 결합제를 이용하여 결합하여 성형된 두 전극과, 상기 전극 사이에 도입되는 전해액; 및 상기 전극 사이에 상기 전해액을 분리하도록 도입되는 분리막을 포함하는 수퍼 커패시터를 제공한다.One aspect of the present invention for achieving the above another technical problem is that the two electrodes introduced opposite to each other and formed by combining a plurality of carbon nanotubes using a binder containing polyvinylidene chloride, and between the electrodes Electrolyte solution introduced; And a separator introduced to separate the electrolyte between the electrodes.
이러한 수퍼 커패시터는 상기 전극이 부착되는 니켈 폼의 집전체를 더 포함할 수 있다.The supercapacitor may further include a current collector of a nickel foam to which the electrode is attached.
본 발명에 따르면, 전극의 비표면적을 최대한 효율적으로 이용할 수 있고, 내부 저항을 저감시킬 수 있어 단위 비표면적당 축전 용량이 큰 고출력의 수퍼 커패시터를 제공할 수 있다.According to the present invention, the specific surface area of the electrode can be used as efficiently as possible, and the internal resistance can be reduced, thereby providing a high output supercapacitor having a large storage capacity per unit specific surface area.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a more clear description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same elements.
본 발명의 실시예는 다수의 탄소 나노 튜브(carbon nanotubes)의 집합체로 이루어진 전극을 수퍼 커패시터의 전극으로 이용하는 것을 제시한다. 탄소 나노 튜브는 활성탄 또는 활성 탄소 섬유에 비해 대략 1/10∼1/20에 불과한 비표면적을 나타내지만, 단위 비표면적당 축전 용량이 매우 크고 높은 축적 용량과 낮은 내부 전항을 나타내어 고성능의 수퍼 커패시터 제조를 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 이러한 다수의 탄소 나노 튜브들을 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride)를 포함하는 결합제로 결합하여 결합체로 성형함으로써 수퍼 커패시터의 전극을 제조한다.Embodiments of the present invention suggest using an electrode made of a collection of a plurality of carbon nanotubes as an electrode of a super capacitor. Although carbon nanotubes have a specific surface area of only about 1/10 to 1/20 of activated carbon or activated carbon fibers, they have a very high storage capacity per unit specific surface area, high accumulation capacity, and low internal transition, which leads to high performance supercapacitor manufacturing. Make it possible. In addition, in the embodiment of the present invention, the electrode of the supercapacitor is manufactured by combining the plurality of carbon nanotubes with a binder including polyvinylidene chloride to form a binder.
이하, 도면을 참조하여 구체적인 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 수퍼 커패시터를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating a supercapacitor according to an exemplary embodiment of the present invention.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 의한 수퍼 커패시터는 탄소 나노 튜브를 포함하여 이루어지는 전극(100)과, 분리막(separator;200) 및 전해액(electrolyte;300)을 포함하여 이루어진다.Specifically, the supercapacitor according to the embodiment of the present invention includes an electrode 100 including carbon nanotubes, a separator 200, and an electrolyte 300.
전해액(300)은 통상의 수퍼 커패시터에서 사용되는 전해 물질을 이용할 수 있으며, 분리막(300)은 통상의 수퍼 커패시터에 사용되는 분리 물질을 이용할 수 있으며, 전극(100) 간에서 전해액을 분리하고 전하 교환은 허용하도록 도입된다. 전극(100)의 배면에는 도전 물질, 예컨대 니켈 폼(nikel foam)의 집전체(400)가 더 구비된다.The electrolyte 300 may use an electrolytic material used in a conventional supercapacitor, and the separator 300 may use a separation material used in a conventional supercapacitor, and separate electrolyte and exchange charges between the electrodes 100. Is introduced to allow. The current collector 400 of a conductive material, for example, a nickel foam, is further provided on the rear surface of the electrode 100.
상기한 바와 같은 수퍼 커패시터의 전극(100)에 전류 및 전압이 인가되면, 전해액(300) 내의 이온이 음이온(-)과 양이온(+)으로 분리되어 두 전극(100)으로 이동한다. 이에 따라, 두 전극(100)에서의 포텐셜(potential)이 Ψ0에서 각각 Ψ0+Ψ1및 Ψ0-Ψ1로 변화하여 축전이 이루어진다.When current and voltage are applied to the electrode 100 of the supercapacitor as described above, ions in the electrolyte 300 are separated into anion (−) and cation (+) and move to the two electrodes 100. Accordingly, the potentials at the two electrodes 100 change from Ψ 0 to Ψ 0 + Ψ 1 and Ψ 0 -Ψ 1 , respectively, to generate electricity.
한편, 전극(100)은 다수의 탄소 나노 튜브들을 결합제, 예컨대, 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는 결합제로 성형하여 제조된다. 구체적으로 설명하면, 단층 혹은 다층 탄소 나노 튜브에 10wt% 내지 40wt%의 폴리비닐리덴 클로라이드를 결합제로 혼합한 후 펠릿(pellet) 형태로 성형한다. 이때, 이러한 성형은 니켈 폼 상에서 수행할 수 있으며, 이 경우 니켈 폼은 집전체(400)로 이용된다. 이러한 니켈 폼은 대략 120 세공(pore)/in2정도의 세공도를 가진다.Meanwhile, the electrode 100 is manufactured by molding a plurality of carbon nanotubes with a binder including a binder such as polyvinylidene chloride. Specifically, 10 wt% to 40 wt% of polyvinylidene chloride is mixed in a single layer or multi-layer carbon nanotubes with a binder and then molded into pellets. At this time, such molding may be performed on the nickel foam, in which case the nickel foam is used as the current collector 400. This nickel foam has a porosity of about 120 pores / in 2 .
이와 같이 펠릿 형태로 전극을 성형한 후, 아르곤 가스와 같은 불활성 가스 분위기에서 대략 500℃ 내지 1000℃ 정도의 온도로 상기한 탄소 나노 튜브 및 결합제의 결합체, 즉, 성형된 전극(100)을 열처리한다. 이러한 열처리는 탄소 나노 튜브들의 집합체인 전극(100)의 세공을 조절하여 수퍼 커패시터의 축전 용량을 높이는 효과를 얻기 위해서 수행된다.After forming the electrode in a pellet form as described above, the combination of the carbon nanotubes and the binder, that is, the molded electrode 100 is heat-treated at a temperature of about 500 ° C. to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere such as argon gas. . This heat treatment is performed to obtain the effect of increasing the capacitance of the supercapacitor by adjusting the pores of the electrode 100, which is a collection of carbon nanotubes.
상기한 바와 같이 제조된 전극(100)을 이용한 수퍼 커패시터는, 대략 7.5노르말 농도(N)의 KOH 수용액을 전해액(300)으로 이용한 경우, 대략 150 내지 180F/g의 비축전 용량을 구현할 수 있는 것으로 측정된다. 아세토니트릴(acetonitrile)에 1 몰(mol)의 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(tetraethylammonium tetrafluoroborate)를 용해시킨 유기 용액을 전해액(300)으로 이용할 경우, 수퍼 커패시터는 대략 130 내지 160F/g의 비축전 용량을 구현할 수 있는 것으로 측정된다.The supercapacitor using the electrode 100 manufactured as described above may realize a specific capacitance of about 150 to 180 F / g when a KOH aqueous solution having an approximately 7.5 normal concentration (N) is used as the electrolyte 300. Is measured. When an organic solution in which 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate is dissolved in acetonitrile is used as the electrolyte 300, the supercapacitor has a specific capacitance of approximately 130 to 160 F / g. It is measured that can be implemented.
이때, 사용된 전류는 10mA/㎠이고 작동 전압은 7.5N KOH 용액인 경우는 0.9V이고, 아세토니트릴에 1 몰의 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트의 유기 전해액인 경우에는 2.3V이다.At this time, the current used was 10 mA / cm 2 and the operating voltage was 0.9 V for a 7.5N KOH solution, and 2.3 V for an organic electrolyte of 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile.
한편, 탄소 나노 튜브의 비표면적은 대략 360㎡/g 정도로 최대 180F/g의 비축적 용량을 나타낼 수 있다. 일반적으로 수퍼 커패시터의 이론적인 비축적 용량은 20㎌/㎠ 내지 50㎌/㎠으로 알려져 있으므로, 탄소 나노 튜브를 전극 활물질로 이용할 경우 이론적으로 대략 72 내지 180F/g의 비축적 용량을 나타낼 수 있다. 이와 같은 이론치와 상기한 바와 같은 본 발명에서 구현되는 실험치를 비교하면, 본 발명의 실시예에서는 이론치의 최저 값에 비해 대략 2배 이상의 비축전 용량을 나타내는 수퍼 커패시터를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의해 제공되는 수퍼 커패시터의 최대 비축전 용량은 상기한 바와 같이 이론치의 최대 값인 180F/g에 실질적으로 대등한 대략 160F/g의 비축전 용량을 나타낼 수 있다.On the other hand, the specific surface area of the carbon nanotubes may exhibit a specific storage capacity of up to 180 F / g on the order of approximately 360 m 2 / g. In general, the theoretical storage capacity of a supercapacitor is known to be 20 kW / cm 2 to 50 kW / cm 2, and thus, when the carbon nanotube is used as an electrode active material, it can theoretically exhibit a storage capacity of approximately 72 to 180 F / g. Comparing the theoretical value and the experimental value implemented in the present invention as described above, the embodiment of the present invention can provide a supercapacitor exhibiting a specific capacitance of about twice or more than the lowest value of the theoretical value. In addition, the maximum specific storage capacity of the supercapacitor provided by the embodiment of the present invention may exhibit a specific storage capacity of approximately 160 F / g substantially equal to 180 F / g, which is the maximum value of the theoretical value as described above.
이와 같은 비교는, 기존의 활성탄이나 활성 탄소 섬유를 이용한 전극을 채용한 기존의 수퍼 커패시터가 이론적인 비축전 용량의 최저치의 1/2도 미치지 않는 비축전 용량을 나타낼 수 있는 데 불과한 것을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 수퍼 커패시터는 획기적인 비축전 용량의 증대를 구현할 수 있음을 입증한다.This comparison refers only to the fact that conventional supercapacitors employing electrodes using activated carbon or activated carbon fibers can exhibit a specific storage capacity that is less than half of the theoretical specific storage capacity. The supercapacitor according to the embodiment of the present invention demonstrates that it is possible to realize a significant increase in specific capacitance.
이러한 전극(100)은 폴리비닐리덴 클로라이드를 열처리하는 단계를 포함하여 성형될 수 있다. 구체적으로, 불활성 가스, 예컨대, 질소 가스 또는 아르곤 가스 등의 분위기에서 폴리비닐리덴 클로라이드를 열처리한다. 이때, 대략 300℃ 내지 500℃ 정도의 온도에서 열처리를 수행할 수 있다. 이와 같은 열처리는 탄화된 폴리비닐리덴 클로라이드를 이용하기 위해서 수행된다.The electrode 100 may be formed including heat treating polyvinylidene chloride. Specifically, the polyvinylidene chloride is heat treated in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen gas or argon gas. At this time, heat treatment may be performed at a temperature of about 300 ° C to 500 ° C. This heat treatment is performed to utilize the carbonized polyvinylidene chloride.
열처리된 폴리비닐리덴 클로라이드를 미분쇄하여 단층 또는 다층 탄소 나노 튜브에 대략 10wt% 내지 50wt% 혼합 한다. 이후에, 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는 결합제를 이용하여 전극(100)을 성형한다. 이때, 결합제는 폴리비닐 알코올(polyvinylalcohol), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 페놀 수지, 카르복실메틸 셀룰로즈(carboxylmethyl cellulose) 또는 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride)를 더 포함하거나 이들을 결합제로 이용할 수 있다.The heat treated polyvinylidene chloride is finely pulverized and mixed in approximately 10 wt% to 50 wt% in a single layer or multilayer carbon nanotubes. Thereafter, the electrode 100 is molded using a binder including polyvinylidene chloride. In this case, the binder may further include or use polyvinylalcohol, polytetrafluoroethylene, phenol resin, carboxylmethyl cellulose, or polyvinylidene fluoride as a binder. have.
이후에, 이와 같이 성형된 전극(100)을 니켈 폼의 집전체(400)에 부착하거나 또는 집전체(100) 상에서 전극(100)을 성형하여 수퍼 커패시터를 구성할 수 있다. 또는, 이와 같이 전극(100)을 성형한 후, 아르곤 가스 분위기의 500℃ 내지 1000℃로 전극(100)을 열처리하여 수퍼 커패시터의 전극(100)으로 이용할 수 있다.Thereafter, the electrode 100 formed as described above may be attached to the current collector 400 made of nickel foam, or the electrode 100 may be molded on the current collector 100 to form a supercapacitor. Alternatively, after forming the electrode 100, the electrode 100 may be heat-treated at 500 ° C. to 1000 ° C. in an argon gas atmosphere, and used as the electrode 100 of the supercapacitor.
이와 같이 제조된 수퍼 커패시터는 7.5N KOH 수용액을 전해액(300)으로 사용한 경우에, 대략 300 내지 400F/g의 비축전 용량을 나타낼 수 있다. 또한, 이와 같이 제조된 수퍼 커패시터는 아세토니트릴에 1 몰의 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트를 용해시킨 유기 용액을 전해액(300)으로 이용할 경우, 대략 200 내지 300F/g의 비축전 용량을 구현할 수 있는 것으로 측정된다.The supercapacitor manufactured as described above may exhibit a specific capacitance of about 300 to 400 F / g when the 7.5N KOH aqueous solution is used as the electrolyte 300. In addition, the supercapacitor manufactured as described above can achieve a specific capacitance of about 200 to 300 F / g when using an organic solution in which 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate is dissolved in acetonitrile as the electrolyte 300. Is measured.
이때, 사용된 전류는 10mA/㎠이고 작동 전압은 7.5N KOH 용액인 경우는 0.9V이고, 아세토니트릴에 1 몰의 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트의 유기 전해액인 경우에는 2.3V이다.At this time, the current used was 10 mA / cm 2 and the operating voltage was 0.9 V for a 7.5N KOH solution, and 2.3 V for an organic electrolyte of 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile.
한편, 집전체(400)로 니켈 폼을 이용할 경우, 예를 들어, 상기한 바와 같은 전극(100)의 성형을 니켈 폼 상에서 성형하거나, 또는 성형된 전극(100)을 니켈 폼의 집전체(100)에 유기 고분자 결합제를 이용하여 부착할 경우에 수퍼 커패시터의 내부 저항을 현저하게 줄일 수 있다.On the other hand, when the nickel foam is used as the current collector 400, for example, the molding of the electrode 100 as described above is molded on the nickel foam, or the molded electrode 100 is formed of the nickel foam current collector 100. The internal resistance of the supercapacitor can be remarkably reduced when the organic polymer binder is attached to the N-B).
예를 들어, 상기한 바와 같이 집전체(400)로 니켈 폼을 이용하여 전극(100)을 본 발명의 실시예와 같이 형성할 경우에, 이러한 전극(100) 및 집전체(400)를 포함하는 수퍼 커패시터는, 7.5N KOH 수용액을 전해액(300)으로 사용한 경우에, 대략 300 내지 400F/g의 비축전 용량을 나타낼 수 있다. 또한, 이와 같이 제조된 수퍼 커패시터는 아세토니트릴에 1 몰의 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트를 용해시킨 유기 용액을 전해액(300)으로 이용할 경우, 대략 200 내지 230F/g의 비축전 용량을 구현할 수 있는 것으로 측정된다.For example, when the electrode 100 is formed using the nickel foam as the current collector 400 as described above, as described above, the electrode 100 and the current collector 400 are included. The supercapacitor may exhibit a specific storage capacity of approximately 300 to 400 F / g when the 7.5N KOH aqueous solution is used as the electrolyte 300. In addition, the supercapacitor manufactured as described above can achieve a specific capacitance of about 200 to 230 F / g when using an organic solution in which 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate is dissolved in acetonitrile as the electrolyte 300. Is measured.
이때, 사용된 전류는 10mA/㎠이고 작동 전압은 7.5N KOH 용액인 경우는 0.9V이고, 아세토니트릴에 1 몰의 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트의 유기 전해액인 경우에는 2.3V이다.At this time, the current used was 10 mA / cm 2 and the operating voltage was 0.9 V for a 7.5N KOH solution, and 2.3 V for an organic electrolyte of 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile.
이러한 경우에 측정되는 내부 저항은 대략 0.088Ω·㎠로 현저하게 줄어드는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 이러한 수퍼 커패시터는 대략 에너지 밀도(energy density)가 6.5Wh/㎏일 때 동력 밀도(power density)가 20kW/kg(전극 중량 기준)의 고출력 수퍼 커패시터를 제조할 수 있다.In this case, the internal resistance measured can be remarkably reduced to approximately 0.088 Ω · cm 2. Accordingly, such a supercapacitor may produce a high output supercapacitor having a power density of 20 kW / kg (based on electrode weight) when the energy density is about 6.5 Wh / kg.
도 2는 탄소 나노 튜브를 전극 활물질로 이용한 수퍼 커패시터의 에너지 밀도와 동력 밀도와의 관계를 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating a relationship between energy density and power density of a supercapacitor using carbon nanotubes as an electrode active material.
도 2를 참조하면, 니켈 폼을 집전체(400)로 이용하고 본 발명의 실시예에 의한 전극(100)을 이용한 경우인 참조 부호 205의 그래프가, 플레인 니켈 포일(plainnikel foil)을 집전체(400)로 이용하고 본 발명의 실시예에 의한 전극(100)을 이용한 경우인 참조 부호 201의 그래프나, 연마된 니켈 포일(polished nikel foil)을 집전체(400)로 이용하고 본 발명의 실시예에 의한 전극(100)을 이용한 경우인 참조 부호 203의 그래프에 비해 우수한 에너지 밀도와 동력 밀도의 상관 관계를 나타낸다.Referring to FIG. 2, a graph of reference numeral 205 in the case of using nickel foam as the current collector 400 and using the electrode 100 according to an embodiment of the present invention shows a plain nickel foil as a current collector ( 400 and the polished nickel foil (polished nikel foil) used as the current collector 400, which is the case of using the electrode 100 according to the embodiment of the present invention, and the embodiment of the present invention The correlation between the energy density and the power density which is excellent compared with the graph of 203 which is the case where the electrode 100 is used is shown.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail through the specific Example, this invention is not limited to this, It is clear that the deformation | transformation and improvement are possible by the person of ordinary skill in the art within the technical idea of this invention.
상술한 본 발명에 따르면, 탄소 나노 튜브를 수퍼 커패시터의 전극 활물질로 사용하여, 단위 비표면적당 축전 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 탄소 나노 튜브들을 결합시키는 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는 결합제의 양을 조절함으로써, 탄소 나노 튜브 집합체가 갖는 세공을 조절할 수 있다. 또한, 이러한 세공의 최적화하기 위해서 전극을 열처리하는 과정을 도입할 수 있고, 이에 따라, 수퍼 커패시터의 용량을 최대한으로 발휘시킬 수 있다. 이와 함께, 전극의 자체 내부 저항 또는 접촉 저항을 저감시켜 고출력의 수퍼 커패시터를 제조할 수 있다.According to the present invention described above, by using the carbon nanotubes as the electrode active material of the super capacitor, it is possible to dramatically increase the storage capacity per unit specific surface area. In addition, by controlling the amount of the binder including the polyvinylidene chloride to bind such carbon nanotubes, it is possible to control the pores of the carbon nanotube aggregate. In addition, in order to optimize the pores, a process of heat treatment of the electrode may be introduced, thereby maximizing the capacity of the supercapacitor. In addition, a high output supercapacitor can be manufactured by reducing the internal resistance or the contact resistance of the electrode.
또한, 본 발명에 따르는 수퍼 커패시터는, 기존의 전극을 이용하는 수퍼 커패시터가 대략 10∼15㎌/㎡, 100∼250F/g의 축전 용량을 나타낸다고 알려진 바에 비해 매우 높은 축전 용량, 예컨대, 대략 0.5∼0.97F/㎡, 180∼400F/g 이상의 축전용량을 나타낼 수 있다. 또한, 기존의 수퍼 커패시터가 대략 3.2∼20Ω·㎝의 내부 저항을 나타낸다고 알려진 바에 비해 매우 낮은 내부 저항, 예컨대, 대략 0.088Ω·㎝의 내부 저항을 나타낼 수 있다.In addition, the supercapacitor according to the present invention has a very high power storage capacity, for example, about 0.5 to 0.97, compared with a known supercapacitor using an existing electrode exhibiting a power storage capacity of about 10 to 15 mA / m 2 and 100 to 250 F / g. F / m <2>, 180-400 F / g or more storage capacity can be shown. In addition, a conventional supercapacitor may exhibit a very low internal resistance, for example, an internal resistance of approximately 0.088 Ω · cm, compared with that known to exhibit an internal resistance of approximately 3.2 to 20 Ω · cm.
따라서, 본 발명에 따르면 고에너지 밀도와 고출력 특성을 가지는 수퍼 커패시터를 제조할 수 있으며, 이러한 수퍼 커패시터를 에너지 저장 장치로 이용할 경우 기존의 2차 전지를 대체할 수 있다.Therefore, according to the present invention, a supercapacitor having high energy density and high output characteristics can be manufactured, and when the supercapacitor is used as an energy storage device, a conventional secondary battery can be replaced.
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