KR100439945B1 - 수퍼커패시터용 카본 나노 화이버 전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수퍼커패시터용 전극 제조방법에 관한 것으로, 원료물질인 카본나노화이버 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합한 후, 결착제로 테프론 분말을 첨가하여 시트를 제조한 다음, 제조된 시트를 압착하고 이를 집전체인 니켈 메쉬에 압착하여 전극으로 제조하므로서, 내부저항이 적으며 안정하여 성능이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제공할 수 있으며, 국내 생산이 가능하여 경제적 효과가 크며, 기존의 수입에 의존 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)와 비교하여 성능 및 수명이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제공한다.

Description

수퍼커패시터용 카본 나노 화이버 전극의 제조방법{Manufacturing method of carbon nanofiber electrode for supercapacitor}

본 발명은 수퍼커패시터용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본 나노화이버(carbon nanofiber)를 사용하여 내부저항이 적고 경제성이 있으며 성능 및 수명이 향상된 수퍼커패시터용 카본나노화이버 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

현재 수퍼커패시터용 전극재료로서 사용되는 물질은 활성탄, 탄소, 전도성 고분자, 전이금속 산화물 등이 있다.

이들중 탄소재료 등은 제조가 용이하나 원료물질로서 사용되는 탄소는 국내에서 생산되는 것이 불순물이 많고 비표면적이 작아서 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 경제적인 비용이 많이 드는 단점이 있다.

그리고 일반적인 금속산화물은 전기적인 성질은 우수하나 비 표면적이 작기 때문에 용량이 크지 않은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 내부저항이 적으며 안정하여 성능이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 목적은 국내 생산이 가능하여 경제적 효과가 크며, 기존의 수입에 의존하던 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)와 비교하여 성능 및 수명이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기한 바와 같은 본 발명은 원료물질인 카본나노화이버 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합한 후, 결착제로 테프론 분말을 첨가하여 시트를 제조한 다음, 제조된 시트를 압착하고 이를 집전체인 니켈 메쉬에 압착하여 전극으로 제조함으로써 달성된다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 카본 나노 화이버를 전극 활물질로 사용하며, 도전제로 케젠블랙(Ketjen Black)을 채택하고 결착제로 테프론 파우더를 채택한다.

본 발명에서는 먼저 원료물질인 카본나노화이버(carbon nanofiber) 분말에 도전제 분말을 첨가하여 혼합한다. 도전제로는 케젠블랙(ketjen black)을 사용한다. 첨가되는 도전제인 케젠 블랙의 양은 원료 활물질인 카본나노화이버의 질량을 100wt%로 하였을 경우 0 ~ 30 wt% 범위가 되도록 함이 바람직한데, 그 이유는 도전성이 좋은 케젠 블랙이지만, 그 함량이 30 wt%를 초과할 경우에는 단위 그램(g)당 에너지 밀도가 감소하기 때문이다. 카본나노화이버 분말에 도전제 분말을 첨가한후에는 서로 균일하게 혼합되도록 지르코니아 볼에서 믹싱을 수행한다.

카본나노화이버 분말에 도전제 분말을 첨가한후에는 시트로 제조하기 위해 균일하게 혼합된 분말에 결착제인 테프론 분말을 첨가한다. 첨가되는 결착제인 테프론 분말은 카본나노화이버를 100wt% 기준으로 하였을 때 3 ~ 10 wt% 범위로 첨가됨이 바람직한데, 그 이유는 3 wt% 미만일 경우에는 결착력이 너무 약하며, 10 wt%를 초과할 경우에는 결착력이 강한 반면에 저항이 심해지기 때문이다.

이어 결착제인 테프론 분말이 전극을 견고하게 결착하도록 압착을 수행한다. 이때 압착은 25 ~ 80 ℃ 의 온도 범위에서 4000 psi로 20 ~ 40 분간의 조건으로 압착함이 바람직한데, 그 이유는 결착제인 테프론 분말이 상기 조건이 전극활물질과 도전제 사이에 테프론 파우더가 성장해가는 조건에 가장 적합하기 때문이다.

시트를 압착을 수행한 후에는 시트를 집전체인 니켈 메쉬에 압착하여 전극으로 제조한다.

이와 같이 제조된 전극을 수퍼커패시터용 전극으로 활용한다.

이하, 본 발명에 대하여 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

먼저 원료물질인 카본나노화이버(carbon nanofiber) 분말 1g에 도전제 분말 0.1g을 첨가하여 혼합한다. 첨가되는 도전제의 양은 10wt% 이었으며, 카본나노화이버 분말에 도전제 분말을 첨가한 후에는 서로 균일하게 혼합되도록 지르코니아 볼에서 믹싱을 수행하였다.

이와 같이 혼합된 분말을 시트로 제조하기 위하여 결착제인 테프론 분말을 0.1g 첨가한다.

이어 결착제인 테프론 분말이 전극을 견고하게 결착하도록 압착을 수행한다. 이 때, 압착은 60℃에서 4000psi로 40분간 조건으로 수행하였다.

시트를 압착을 수행한 후에는 시트를 집전체인 니켈 메쉬에 압착하여 전극으로 제조한다.

이와 같이 제조된 전극을 수퍼커패시터용 전극으로 활용한다. 전해질로는 30wt%의 황산 수용액을 사용하였다. 그리고 산화피막을 형성하기 위해 피막 전위는 1.1V에서 1시간 동안 피막을 형성하였다.

위와 같이 제조된 전극의 성능을 확인한 결과, 본 발명에 의해 제조된 수퍼커패시터 전극은 전극재료로서 기존의 활성탄소를 이용하여 제조한 기존의 전극에 비하여 내부저항이 적으며 안정하여 2∼10배 이상의 성능 향상을 보였다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 수퍼커패시터는 기존의 수입에 의존 EDLC와 비교하여 성능 및 수명이 2배 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 카본나노화이버를 사용하여 분말의 비표면적 향상, 기공의 크기 조절, 구조적 안정성 등을 통해서 수퍼커패시터의 전극활물질로 이용할 수 있다.

본 발명은 내부저항이 적으며 안정하여 성능이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 국내 생산이 가능하여 경제적 효과가 크며, 기존의 수입에 의존 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)와 비교하여 성능 및 수명이 향상된수퍼커패시터용 전극을 제공하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 원료물질인 카본나노화이버 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합한 후, 결착제로 테프론 분말을 첨가하여 시트를 제조한 다음, 제조된 시트를 압착하고 이를 집전체인 니켈 메쉬에 압착하여 전극으로 제조하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 수퍼커패시터용 카본 나노화이버 전극의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 도전제인 케젠블랙 분말은 카본나노화이버 분말에 대하여 0 ~ 30 wt% 첨가되어 혼합되는 것을 특징으로 하는 수퍼커패시터용 카본 나노화이버 전극의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 결착제인 테프론 분말은 카본나노화이버 분말에 대하여 3 ~ 10 wt% 첨가됨을 특징으로 하는 수퍼커패시터용 카본 나노화이버 전극의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 결착제인 테프론 분말이 첨가된 시트는 25 ~ 80℃에서 4000psi로 20 ~ 40분간 압착되는 것을 특징으로 하는 수퍼커패시터용 카본 나노화이버 전극의 제조방법.