KR100446143B1 - 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수퍼커패시터용 수용성 고분자 전해질 제조에 관한 것이다. 폴리아크릴산(PAA;polyacrylic acid)과 폴리비닐알콜(PVA;polyvinyl alchol)을 매트릭스로 하고, 염으로 수산화칼륨(KOH)을, 용매로 물을 채택하여 이들의 함량을 최적의 상태로 조절하고 가열 및 진공처리하여 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질을 제조한다. 이렇게 제조된 전해질은 누액이 없고 안정성이 높다. 또한, 본 발명의 전해액을 이용하여 수퍼커패시터를 제조하는 것이 쉽고 국내 생산이 가능하여 경제적 효과가 크며, 기존의 고가의 유기 젤 전해질과 비교하여 전도도 및 경제성이 증가한다.

Description

수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질의 제조방법{Preparation of aqueous polymieric gel electrolyte for supercapacitor}

본 발명은 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수산화칼륨(KOH) 수용액을 제조하고 여기에 물에 대한 흡수력이 좋은 폴리아크릴산(PAA:Polyacrylic acid)을 기본 매트릭스로 사용하고 젤의 강도를 향상시키기 위해 폴리비닐알콜(PVA:Polyvinylalchol)을 첨가하여 전도도가 우수하고 경제성이 있으며 성능 및 수명이 향상된 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 수퍼커패시터용 전해질의 재료로 에틸렌 카보네이트나 폴리 카보네이트 같은 유기용매에 폴리 비닐 디플로라이드 같은 고분자 물질을 사용해 왔다. 하지만 이들 유기재료 등은 단가가 매우 고가이며, 대량으로 제조하는 것에 어려움이 많다. 따라서 경제적인 비용이 많이 드는 단점이 있다.

또한 금속산화물 전극을 이용하여 수퍼커패시터를 제조할 수도 있는데, 이럴 경우 유기 전해질을 사용할 수가 없다. 금속산화물 전극에는 일반적으로 수용성 전해질 밖에 사용할 수 없는데, 수용성 전해질은 누액(leakage)과 제조시 커패시터의중량이 무거워지는 단점이 있다.

상기와 같은 수퍼커패시터용 전해질의 단점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은 수용성 전해질을 사용하면서 제조가 용이하며 누액이 없으며 안정성이 높은 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 기존의 고가의 유기 젤 전해질과 비교하여 전도도 및 경제성이 우수한 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 수산화칼륨을 전해염으로 사용하고 폴리비닐알콜과 폴리아크릴산을 고분자 매트릭스로 하여 수용성 고분자 젤 전해질을 제조함으로써 달성된다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 먼저 원료물질인 수산화칼륨(KOH) 분말을 증류수에 녹여 수산화칼륨 전해질을 제조한다. 이 때, 전해질의 수산화 칼륨 농도는 1M 내지 6M의 농도범위를 갖도록 함이 바람직한데, 그 이유는 수산화칼륨이 상기 농도 범위를 가질때 가장 우수한 전도도를 가지기 때문이다.

이어 제조된 수산화칼륨 전해질을 끓인후 고분자 매트릭스로 폴리비닐알콜을 첨가하여 완전히 용해될 때까지 교반하여 폴리비닐알콜과 수산화칼륨이 혼합된 전해질 용액을 제조한다. 이렇게 수산화칼륨 전해질에 폴리비닐알콜을 첨가하기 전에 수산화칼륨 전해질 용액을 끓이게 되는데, 그 이유는 폴리비닐알콜이 균일하게 용해되도록하기 위함이다. 이때 수산화칼륨 전해질 용액을 끓이는 온도는 65℃ 내지 95℃의 온도 범위로 함이 바람직하며, 그 이유는 그 이상의 온도에서는 물이 분해하기 때문이다. 또한 첨가되는 폴리비닐알콜의 양은 1g/L 내지 20g/L의 범위로 첨가함이 바람직한데, 그 이유는 그 이상의 함량을 가지면 전해질의 강도는 강해지나 전도도 특성이 저하되기 때문이다.

폴리비닐알콜이 함유된 수산화칼륨 전해질 용액을 고분자 젤로 만들기 위해 폴리아크릴산을 첨가한다. 폴리아크릴산을 첨가하게 되면 폴리아크릴산이 폴리비닐알콜 용액을 흡수하여 수용성 젤을 생성시키게 된다. 이때, 폴리아크릴산은 1g/L 내지 20g/L의 범위로 첨가함이 바람직한데, 그 이유는 상기 범위에서 가장 우수한 이온 전도도 특성이 나타나기 때문이다.

폴리아크릴산을 첨가하여 수용성 젤을 생성시킨 후에는 생성된 수용성 젤의 표면 및 내부 기포를 제거하기 위하여 실온(25℃)에서 진공 처리한다. 진공 처리는 0.5시간 내지 6시간 동안 진공오븐에서 0.1기압 내지 2기압으로 진공상태를 유지하도록 함이 바람직한데, 그 이유는 본 범위에서 수분이 증발되지 않으면서 내부 기포를 가장 잘 제거할 수 있기 때문이다.

이와 같이 제조된 수용성 고분자 젤은 금속산화물 전극과 조립되어 수퍼커패시터용 전해질로 사용된다.

이하, 본 발명에 따른 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질의 제조방법에 대하여 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

원료물질인 수산화칼륨(KOH) 분말을 1M의 전해질이 되도록 10ml 증류수에 0.66g 녹여 수산화칼륨 전해질을 제조한다. 제조된 1M의 KOH 전해질을 90℃까지 가열한후 0.5g의 폴리비닐알콜을 투명하게 될 때 까지 균일하게 용해시켜준다. 폴리비닐알콜이 용해된 전해질을 냉각시킨후 폴리아크릴산을 0.5g 첨가시켜 젤 전해질을 제조한다. 제조된 젤 전해질 내부의 저항을 유발시키는 기포를 없애기위해 실온(25℃)에서 1기압의 진공으로 3시간 건조시킨다. 이렇게 제조된 전해질을 전극의 크기에 맞추어 절단한후 산화코발트 전극과 조립하여 수퍼커패시터를 제작하였다.

위와 같이 제조된 젤 전해질의 특성을 측정한 결과, 누액의 문제가 없으며 가볍고 제조가 용이할 뿐만 아니라 전도도 및 경제성이 증가함을 알 수 있다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 폴리비닐알콜과 폴리아크릴산을 이용하여 수퍼커패시터용 수용성 고분자 젤 전해질을 제조함으로써, 금속산화물을 이용한 수퍼커패시터 제작시 누액의 문제가 없고, 기존의 수용성 전해질에 비해 유연하면서도 가볍고 제조가 용이한 수퍼커패시터의 전해질로 이용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 수용성 고분자 젤 전해질은 국내에서도 생산이 가능하며, 수퍼커패시터용 전해질으로서 우수한 성질을 갖는다.

Claims (6)

1. 원료물질인 수산화칼륨(KOH) 분말을 증류수에 녹여 수산화칼륨 전해질을 제조하고, 제조된 수산화칼륨 전해질을 끓인후 폴리비닐알콜(PVA;Polyvinyl alchol)을 첨가하여 수산화칼륨 전해질 용액에 완전히 녹인 다음, 폴리비닐알콜이 함유된 수산화칼륨 전해질 용액에 폴리아크릴산(PAA;Polyacrylic acid)을 첨가하여 수용성 젤을 생성시키고, 생성된 수용성 젤을 실온에서 진공처리하여 젤 내부의 기포를 제거하는 것을 포함하여 구성된 것에 있어서,

   상기 수산화칼륨 전해질의 농도는 1M 내지 6M이고, 65℃ 내지 95℃온도범위에서 끓이며, 폴리비닐알콜은 1g/L 내지 20g/L을 첨가하고, 폴리아크릴산은 1g/L 내지 20g/L 첨가하며, 수용성 젤은 0.5시간 내지 6시간 및 0.1기압 내지 2기압의 조건으로 진공처리됨을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 수용성 고분자 젤 전해질의 제조방법.
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