KR100513209B1 - Supercapacitor and methods for manufacturing Ruthenium Oxide and Electrode used in the Supercapacitor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염화루테늄(RuCl nH2O)으로부터 비정질 루테늄산화물(RuO2 ·nH2O)을 제조하는 방법과, 이 비정질 루테늄산화물을 이용한 수퍼캐패시터용 전극의 제조방법 및, 이 전극을 포함하는 수퍼캐패시터를 제공한다. 비정질 루테늄산화물 재료는 염화루테늄으로부터 수산화나트륨 등의 알카리 수용액을 사용하여 합성, 세정 및 열처리하여 제조한다. 비정질 루테늄산화물은 150℃이하의 온도에서 얻어지며, 150℃ 이하의 온도에서 제조한 루테늄산화물을 이용하여 수퍼캐패시터를 구성하였다. 루테늄산화물전극은 폴리비닐리덴플루오르(PVDF) 등의 고분자 결합제, 기상성장탄소섬유(탄소나노튜브 포함)와 수퍼피블랙(super p. black : 카본블랙)의 도전재료, 탄탈륨의 집전체를 사용하여 제조하며, 수퍼캐패시터는 제조한 전극과 셀가드 3501의 격리막 및 5몰농도 이하의 황산 수용액의 전해액을 사용하여 구성한다.The invention ruthenium chloride (RuCl 3 · n H 2 O ) from the amorphous ruthenium oxide (RuO 2 · n H 2 O ) a process for producing and a method for producing an electrode for a supercapacitor using an amorphous ruthenium oxide and the electrode It provides a supercapacitor comprising a. Amorphous ruthenium oxide The material is prepared from ruthenium chloride by synthesis, washing and heat treatment using an aqueous alkali solution such as sodium hydroxide. The amorphous ruthenium oxide is obtained at a temperature of 150 ° C. or less, and a supercapacitor is constructed using ruthenium oxide prepared at a temperature of 150 ° C. or less. Ruthenium oxide electrode is made of polymer binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF), conductive material of vapor-grown carbon fiber (including carbon nanotube) and super p. Black (carbon black), and current collector of tantalum The supercapacitor is constructed using the prepared electrode, the separator of Celgard 3501, and an electrolyte solution of an aqueous sulfuric acid solution of 5 mol or less.

Description

수퍼캐패시터와, 이 수퍼캐패시터에 사용되는 루테늄산화물 및 수퍼캐패시터용 전극 제조방법 {Supercapacitor and methods for manufacturing Ruthenium Oxide and Electrode used in the Supercapacitor} Supercapacitors and methods for manufacturing Ruthenium Oxide and Electrode used in the Supercapacitor}

본 발명은 수퍼캐패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수퍼캐패시터와, 이 수퍼캐패시터에 사용되는 루데늄산화물과 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supercapacitor, and more particularly, to a supercapacitor, a rudennium oxide and an electrode used in the supercapacitor.

정보사회 진입에 따라 휴대전화, 노트북, 캠코더, PDA 등 휴대정보기기도 소형·다기능화 추세이며, 핵심소자인 에너지원도 고출력 특성을 필요로 한다. 전지의 경우 고출력 사용으로 수명이 짧아지는 문제가 있다. 고출력밀도의 수퍼캐패시터와 고에너지의 이차전지를 하이브리드화하여 에너지원의 소형화와 장수명화를 실현할 수 있다. 이를 위한 하이브리드 전원장치용 고출력밀도의 수퍼캐패시터 기술개발이 필요하다. 수퍼캐패시터는 전극재료에 따라 활성탄소계, 전도성고분자계 및 금속산화물계 캐패시터로 분류 할 수 있다. 활성탄소계 수퍼캐패시터는 저전류형의 메모리 백업용으로 상품화가 되었으며, 최근 에너지밀도와 출력밀도 특성의 향상으로 2차전지의 용도에 대한 적용을 시도하고 있다. 전도성 고분자계는 부분적으로 캐패시터의 전해질로 사용되고 있지만, 전극재료로서는 열화에 의한 수명 문제가 있다. 금속산화물계 수퍼캐패시터는 우수한 출력특성을 나타낸다.As the information society enters, portable information devices such as mobile phones, laptops, camcorders, PDAs, etc. are also becoming smaller and multifunctional, and energy sources, which are core devices, also require high output characteristics. In the case of a battery, there is a problem in that the life is shortened due to the use of high power. The miniaturization and long life of the energy source can be realized by hybridizing a high power density supercapacitor and a high energy secondary battery. To this end, it is necessary to develop a high power density supercapacitor technology for a hybrid power supply. Supercapacitors can be classified into activated carbon-based, conductive polymer-based, and metal oxide-based capacitors, depending on the electrode material. Activated carbon-based supercapacitors have been commercialized for low-current type memory backup, and recently, they are attempting to be applied to the use of secondary batteries by improving energy density and power density characteristics. Although the conductive polymer is partially used as an electrolyte for capacitors, there is a problem of life due to deterioration as an electrode material. Metal oxide-based supercapacitors exhibit excellent output characteristics.

전기 이중층 캐퍼시터는 전극과 전해질 사이에 존재하는 전기 이중층에 전해질 이온의 흡착에 의한 에너지 저장을 하므로 기존의 2차 전지보다 출력밀도 특성이 뛰어나며, 비표면적이 큰 다공성 활성탄소 전극을 사용함으로써 기존의 전해 콘덴서보다 에너지 밀도가 월등하다.The electric double layer capacitor has a higher power density characteristic than a conventional secondary battery because it stores energy by adsorption of electrolyte ions in the electric double layer existing between the electrode and the electrolyte, and uses a porous activated carbon electrode having a large specific surface area. Better energy density than capacitor

전기화학 캐패시터는 재충전 가능한 축전지에 의해 전원공급을 받는 하이브리드 전기장치에서의 보조 에너지 저장장치로 매우 중요하다. 전기화학 이중층 캐패시터(EDLC)는 전극에서 전자적인 전하의 물리적인 분리와 그 표면에 흡착된 전해질 이온을 이용한다. 이중층 캐패시터는 파라데익 반응에 의한 가상 수퍼캐패시터 보다 낮은 비정전 용량을 가진다. 활성탄을 전극재료로 사용하고, 수산화칼륨의 수용액 전해질을 사용한 경우 비정전용량은 약 300 F/g정도로 알려져 있다.Electrochemical capacitors are very important as auxiliary energy storage devices in hybrid electric devices powered by rechargeable batteries. Electrochemical double layer capacitors (EDLC) utilize physical separation of electronic charges from electrodes and electrolyte ions adsorbed on their surfaces. Bilayer capacitors have a lower specific capacitance than virtual supercapacitors by paradeik reactions. When activated carbon is used as an electrode material and an aqueous electrolyte solution of potassium hydroxide is used, the specific capacitance is known to be about 300 F / g.

가상 캐패시턴스(psuedo-capacitance)를 사용하는 금속산화물 전극의 수퍼캐패시터는 금속산화물의 산화·환원으로 양성자가 이동하는 축적 메카니즘을 나타내므로 이중층 캐패시터보다 높은 비정전용량을 갖는다. 코발트산화물 및 망간산화물의 전극재료에 대한 개발이 진행되고 있으며, 코발트산화물 및 망간산화물 전극재료의 비정전용량은 각각 450 F/g 및 340 F/g 정도를 나타낸다.Supercapacitors of metal oxide electrodes using virtual capacitance (psuedo-capacitance) have a higher specific capacitance than double layer capacitors because they show an accumulation mechanism in which protons move to oxidation and reduction of metal oxides. Development of an electrode material of cobalt oxide and manganese oxide is in progress, and the specific capacitances of the cobalt oxide and manganese oxide electrode materials are about 450 F / g and 340 F / g, respectively.

종래의 루테늄산화물 수퍼캐패시터는 결정질 재료를 사용하여 비정전용량이 낮고, 단일 도전재료의 사용으로 전극저항이 높은 문제점이 있었다.Conventional ruthenium oxide supercapacitors have a low specific capacitance using a crystalline material and high electrode resistance due to the use of a single conductive material.

종래에 수퍼캐패시터에 사용되는 코발트산화물 및 망간산화물 등의 전극재료는 비정전용량이 낮고, 저항이 큰 단점이 있다.Conventionally, electrode materials such as cobalt oxide and manganese oxide used in supercapacitors have disadvantages of low specific capacitance and large resistance.

기존의 캐패시터는 입자상의 도전재료를 사용하여 왔으며, 주로 카본블랙 계열의 도전재를 사용하여 왔다. 입자상의 도전재료는 그 자체의 도전특성은 우수하나, 입자간의 접촉에 의하여 도전경로가 형성된다. 입자간의 연속적인 접촉저항으로 도전이 되므로 전체의 저항은 저항의 직렬연결과 같고 결과적으로 높은 저항 값을 가지게 된다. Conventional capacitors have used particulate conductive materials, and mainly carbon black based conductive materials. The particulate conductive material has excellent conductivity characteristics in itself, but a conductive path is formed by contact between the particles. Because of the continuous contact resistance between the particles, the overall resistance is equivalent to the series connection of the resistors, resulting in a higher resistance value.

본 발명은 이러한 단점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 비정전용량이 높은 루테늄산화물 재료를 적용한 수퍼캐패시터를 제공하고자 한다.The present invention has been made to solve these disadvantages, and to provide a supercapacitor applying a ruthenium oxide material having a high specific capacitance.

본 발명은 높은 비정전용량의 루테늄산화물 재료의 제조조건을 최적화하여 보다 높은 비정전 용량을 가지도록 제조조건을 최적화한 수퍼캐패시터를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a supercapacitor with optimized manufacturing conditions to have a higher specific capacitance by optimizing the manufacturing conditions of a high specific capacitance ruthenium oxide material.

본 발명은 높은 비정전용량을 가지며, 도전특성이 우수한 루테늄 산화물 수퍼캐패시터를 제공한다.The present invention provides a ruthenium oxide supercapacitor having high specific capacitance and excellent conductivity.

본 발명은 염화루테늄 수화물로부터 높은 비정전 용량의 수퍼캐패시터를 개발하고, 도전재료를 향상하여 우수한 전도특성의 수퍼캐패시터를 제공하고자 한다.The present invention is to develop a supercapacitor having a high capacitance from ruthenium chloride hydrate, and to improve the conductive material to provide a supercapacitor having excellent conductivity.

본 발명은 루테늄산화물 수화물 재료는 염화루테늄 수화물로부터 수산화나트륨 등의 알카리 수용액과 화학반응시켜 루테늄산화물 전구체를 얻고, 이를 적정의 온도와 시간으로 열처리하여 높은 비정전 용량의 비정질 루테늄산화물을 제공하고자 한다.In the present invention, the ruthenium oxide hydrate material is chemically reacted with an aqueous alkali solution such as sodium hydroxide from ruthenium chloride hydrate to obtain a ruthenium oxide precursor and heat-treating it at an appropriate temperature and time to provide a high specific capacitance amorphous ruthenium oxide.

본 발명은 상기 개발한 비정질 루테늄산화물을 전극재료로부터 높은 전도도의 수퍼캐패시터 전극을 발명하기 위하여 카본블랙 등 입자상의 도전재료와 함께 섬유형태의 도전재료인 기상성장탄소섬유 또는 나노튜브 재료를 병용함으로써 입자상 도전재료 또는 섬유상 도전재료 단독으로 구성한 전극에 비하여 보다 우수한 전자전도 경로를 가진 전극을 제조하여 결과적으로 수퍼캐패시터의 등가저항을 감소하여 수퍼캐패시터의 출력특성을 개선하고자 한다.In order to invent the above-described amorphous ruthenium oxide from the electrode material, a superconductor electrode having a high conductivity is used together with a particulate conductive material such as carbon black together with a vapor-grown carbon fiber or nanotube material which is a fibrous conductive material. Compared with the electrode composed of the conductive material or the fibrous conductive material alone, an electrode having a better electron conduction path is manufactured, and as a result, the equivalent resistance of the supercapacitor is reduced to improve the output characteristics of the supercapacitor.

본 발명은 수퍼캐패시터의 등가저항을 감소시키기 위한 다른 방법으로 황산 전해액의 농도 최적화하여 저항 특성이 향상된 수퍼캐패시터를 제공하고자 한다.The present invention is to provide a supercapacitor having improved resistance characteristics by optimizing the concentration of sulfuric acid electrolyte as another method for reducing the equivalent resistance of the supercapacitor.

이를 위하여 본 발명에서는 비정질 루테늄산화물 재료를 염화 루테늄으로부터 수산화나트륨(NaOH)을 사용하여 합성, 세정, 열처리하여 제조한다. 루테늄산화물(RuO2)전극은 폴리비틸리덴플루오르(PVDF)의 결합체, 기상성장 탄소섬유(VGCF)와 수퍼피블랙(super p. black)의 도전재료, 탄탄륨(Ta)의 집전체를 사용하여 제조하며, 수퍼캐패시터는 셀가드 3501의 격리막 및 5몰농도 이하의 황산수용액의 전해액을 사용하여 제조한다. 130℃에서 열처리시 완전한 비정질 루테늄산화물을 얻었으며, 이것으로부터 제조된 수퍼캐패시터는 포화카르멜기준전극 전위에 대하여 556 F/g-RuO2·nH2O의 높은 비정전용량과 0.664 mΩ·㎠[교류임피던스법(AC impedance), 1kHz 주파수]의 낮은 등가저항(ESR; Equivalent Series Resistance)을 얻는다.To this end, in the present invention, an amorphous ruthenium oxide material is synthesized from ruthenium chloride using sodium hydroxide (NaOH), synthesized, washed, and heat treated. The ruthenium oxide (RuO 2 ) electrode uses a combination of polyvinylidene fluoride (PVDF), a conductive material of vapor-grown carbon fiber (VGCF) and super p. Black, and a current collector of tantalum (Ta). The supercapacitor is prepared by using a separator of Celgard 3501 and an electrolyte solution of sulfuric acid solution of 5 mol or less. The complete amorphous ruthenium oxide was obtained upon heat treatment at 130 ° C., and the supercapacitor prepared therefrom had a high specific capacitance of 556 F / g-RuO 2 · nH 2 O and 0.664 mΩ · cm [AC] for the saturated carmel reference electrode potential. AC impedance, 1 kHz frequency, low equivalent resistance (ESR) is obtained.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수퍼캐패시터용 루테늄산화물 전극과 이러한 루테늄산화물을 가진 수퍼캐퍼시터, 그리고 이러한 루테늄산화물 수퍼캐패시터 제조방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a ruthenium oxide electrode for a supercapacitor according to a preferred embodiment of the present invention, a supercapacitor having such a ruthenium oxide, and a method of manufacturing such a ruthenium oxide supercapacitor will be described with reference to the accompanying drawings.

가상 캐패시턴스를 이용하는 금속산화물계 수퍼캐패시터는 전극에서의 파라딕 반응(Faradaic reaction)을 이용하며, 루테늄산화물 전극을 사용한 특성연구가 이루어지고 있다. 가상 캐패시턴스의 반응기구는 양극과 음극에서 각각 다음의 화학식 1 및 화학식 2와 같다. 따라서 전체 반응은 화학식 3과 같으며 는 0 ~ 1사이의 값을 갖는다.Metal oxide-based supercapacitors using a virtual capacitance utilize a Paradaic reaction in an electrode, and characteristics studies using a ruthenium oxide electrode have been made. The reactor of the virtual capacitance is the same as the formulas (1) and (2) in the anode and cathode, respectively. Therefore, the overall reaction is the same as Has a value between 0 and 1.

상기 반응식에서 확인할 수 있는 바와 같이 충방전 과정 동안에 전해질 염의 농도 변화가 없으며, 양성자의 이동(proton transfer)이 양극과 음극사이에서 일어남을 알 수 있다.As can be seen in the reaction scheme, there is no change in the concentration of the electrolyte salt during the charging and discharging process, and it can be seen that proton transfer occurs between the positive electrode and the negative electrode.

입자형 및 섬유형의 복합 도전재료 사용에 따라 보다 우수한 도전특성의 전극 및 수퍼캐패시터를 제조할 수 있다. 섬유형 도전재료는 미세 전극형태에서 관찰할 때 중거리의 도전경로를 하나의 섬유나 튜브로 연결해줌으로써 입자상의 도전재료가 여러 단계의 접촉을 통하여 전자전도 경로를 제공하는 것보다 높은 전도특성을 발현할 수 있다. 섬유형 도전재료를 단독으로 사용할 경우, 중거리의 도전경로 특성은 우수하나 각 전극재료 입자까지의 단거리 전자전도 경로가 원활하지 못함으로 인하여, 그 단독으로는 높은 전극 저항을 나타내게 된다. 입자상의 도전재료도 단독으로는 접촉에 의한 연결로 전도경로를 형성함으로써 낮은 전도도를 나타낸다. 이러한 개념에서 입자상과 섬유상의 복합 도전재료를 사용하는 것이 보다 효과적이다.According to the use of the particulate conductive and fibrous composite conductive materials, it is possible to produce electrodes and supercapacitors having better conductivity. The fibrous conductive material, when viewed in the form of microelectrode, connects the medium-distance conductive path with a single fiber or tube, so that the conductive material exhibits higher conductivity than providing the conductive path through the multi-phase contact. Can be. In the case of using the fibrous conductive material alone, the conductive path characteristics of the medium distance are excellent, but the short-range electron conduction paths to the particles of each electrode material are not smooth, so that the electrode alone exhibits high electrode resistance. The particulate conductive material alone also exhibits low conductivity by forming a conductive path through connection by contact. In this concept, it is more effective to use particulate and fibrous composite conductive materials.

<실시예 1><Example 1>

도 1의 반응계획에 따라 졸-겔(Sol-gel)법으로 비정질 루테늄산화물 분말을 합성하고, 전극을 제조하였으며, 이를 이용하여 수퍼캐패시터를 제조하였다.According to the reaction scheme of FIG. 1, an amorphous ruthenium oxide powder was synthesized by a sol-gel method, and an electrode was manufactured, and a supercapacitor was prepared using the same.

염화루테늄을 증류수에 용해하여 용액을 제조하였으며, 수산화나트륨 용액을 천천히 적가하여 반응시킨다. 용액의 패하(pH)가 7이 되면 적가를 멈추고, 유리여과기로 여과하여 흑색의 루테늄산화물 분말을 제조한다. 제조한 흑색의 분말을 증류수에 분산하여 교반시키고 여과하는 세정과정을 여러 회 반복한다. 열처리 전 재료의 비표면적은 B.E.T.법으로 90.58±0.25 m2/g이었으며, 본 재료를 이용하여 열분석을 주사속도 5℃/분으로 행하였으며, 결과는 도 2와 같다. 세정한 루테늄산화물 분말을 130℃에서 열처리하여 비정질의 루테늄산화물을 제조하였다.A solution was prepared by dissolving ruthenium chloride in distilled water and reacting by slowly dropwise addition of sodium hydroxide solution. When the loss of solution (pH) reaches 7, the dropwise addition is stopped, and filtered through a glass filter to prepare a black ruthenium oxide powder. The washing process of dispersing the prepared black powder in distilled water, stirring and filtration is repeated several times. The specific surface area of the material before the heat treatment was 90.58 ± 0.25 m 2 / g by the BET method, the thermal analysis was carried out using the material at a scanning rate of 5 ℃ / min, the results are shown in FIG. The washed ruthenium oxide powder was heat-treated at 130 ° C. to produce an amorphous ruthenium oxide.

130℃에서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물을 사용하여 2×2 cm2의 전극을 제조하였다. 상세한 제조과정은 엔-메틸피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone) 용매에 폴리비닐리덴플루오르(polyvinylidene fluoride)을 완전히 용해시킨 후, 수퍼피블랙(super p black)을 넣고 30분간 초음파 분산하고, 기상성장 탄소섬유(vapor-grown carbon fiber 및 비정질 루테늄산화물를 넣고, 지르코니아 볼(zirconia ball)과 함께 교반하여 전극 합제를 제조하였다.An electrode of 2 × 2 cm 2 was prepared using an amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment at 130 ° C. Detailed manufacturing process is to completely dissolve polyvinylidene fluoride in N-Methyl-2-pyrrolidone (N-Methyl-2-pyrrolidone) solvent, add super p black and ultrasonic dispersion for 30 minutes , Vapor-grown carbon fiber and amorphous ruthenium oxide were added, and stirred together with a zirconia ball to prepare an electrode mixture.

도 3에 수퍼피블랙의 초음파 분산에 따른 입도분포 분석 결과를 나타내었으며, 원래의 수퍼피블랙은 60∼70마이크로미터에서 입도분포가 최대이지만 30분이나 60분 동안 초음파 분산한 수퍼피블랙은 10마이크로미터로 입도가 작아지고, 0.3마이크로미터의 미소입자로 분산되었음을 알 수 있으며, 30분과 60분의 입도분포에는 변화가 없어 30분간의 초음파 분산 조건을 사용하였다.Figure 3 shows the results of the particle size distribution analysis according to the ultrasonic dispersion of the superpi black, the original superpi black has a maximum particle size distribution at 60 ~ 70 micrometers, but the superpi black after ultrasonic dispersion for 30 minutes or 60 minutes is 10 It can be seen that the particle size was reduced to micrometers and dispersed into 0.3 micrometer microparticles, and the 30 minute and 60 minute particle size distribution did not change, so that 30 minutes of ultrasonic dispersion conditions were used.

도 4는 원래의 수퍼피블랙과 30분 동안 초음파 분산한 수퍼피블랙의 전자주사현미경 사진을 나타내었다. 기상성장탄소섬유의 전자주사현미경 사진을 도 5에 나타내었으며 도 6은 130℃에서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물의 전자주사현미경 사진을 나타내었다.Figure 4 shows an electron scanning micrograph of the original superpi black and superpi black ultrasonically dispersed for 30 minutes. An electron scanning microscope photograph of the vapor-grown carbon fiber is shown in FIG. 5, and FIG. 6 shows an electron scanning microscope photograph of the amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment at 130 ° C. FIG.

도 7에는 제조한 전극 합제의 입도분석 결과를 30분간 초음파 분산한 수퍼피블랙, 기상성장탄소섬유 및 비정질 루테늄산화물 재료의 입도분포와 함께 나타낸 것이다. 전극 합제의 입도는 6∼7 및 0.3 마이크로미터에서 입도분포 피크를 내었다. 혼합비는 루테늄산화물 : 폴리비닐리덴플루오르 : 수퍼피블랙 : 기상성장탄소섬유 = 84 : 10 : 3 : 3 (중량비)이 된다. 혼합이 끝난 후 진공상태에서 합제에 있는 용존 공기를 제거하고, 탄탈늄 집전체에 도포하고, 100℃의 건조기에서 2시간 동안 건조시킨다. 전극을 2×2 cm2로 절단하고 110℃에서 가열·압착한다. 가열·압착하여 제조한 전극의 주사전자현미경 사진을 도 8에 나타내었으며, 사진 중에서 기상성장탄소섬유의 존재를 확인할 수 있다.FIG. 7 shows the particle size analysis results of the prepared electrode mixture together with the particle size distribution of superpi black, vapor-grown carbon fiber, and amorphous ruthenium oxide material dispersed by ultrasonic wave for 30 minutes. The particle size of the electrode mixture showed a particle size distribution peak at 6 to 7 and 0.3 micrometers. The mixing ratio is ruthenium oxide: polyvinylidene fluorine: superpi black: vapor phase grown carbon fiber = 84: 10: 3: 3 (weight ratio). After mixing, the dissolved air in the mixture is removed under vacuum, applied to a tantalum current collector, and dried in a dryer at 100 ° C. for 2 hours. The electrode is cut into 2 × 2 cm 2 and heated and compressed at 110 ° C. Scanning electron micrographs of the electrodes prepared by heating and pressing are shown in FIG. 8, and the presence of vapor-grown carbon fibers can be confirmed in the photographs.

이와 같이 제조한 루테늄산화물 전극을 백금판 상대전극, 5몰농도 이하의 황산 전해액 및 포화카로멜기준전극을 사용하여 반전지를 제조하고, 순환전위전류법으로 전위범위 -0.15∼1.15V 구간 (포화카로멜기준전극 기준)을 주사속도 2 mV/sec로 시험한 바, 도 9와 같은 결과를 얻었으며, 비정전용량은 538F/g-루테산화물을 나타내었다. 시험과정 중 전극에서 가수분해 반응이 관찰할 수 있었으며, 저 전위보다는 고 전위에서 높은 비정전용량을 나타내었다. 순환전위전류법에서 전위범위를 각각 0.0∼1.0 및 0.1∼1.1V 구간(포화카로멜기준전극 기준)을 주사속도 2 mV/sec로 시험한 바, 각각 도 10 및 도 11과 같은 결과를 얻었으며, 비정전용량은 각각 521, 556F/g-루테산화물을 나타내었다. 이들 구간에서의 시험과정 중 전극에서 가수분해 반응이 관찰할 수 없었다.The ruthenium oxide electrode thus prepared was prepared using a platinum plate counter electrode, a sulfuric acid electrolyte of 5 mol or less, and a saturated caramel reference electrode, and a cyclic potential current method was used for a potential range of -0.15 to 1.15 V (saturated caro Mel reference electrode) was tested at a scanning rate of 2 mV / sec, the results were obtained as shown in Figure 9, the specific capacitance was 538F / g- ruthenium oxide. Hydrolysis reactions were observed at the electrode during the test and showed high specific capacitance at high potential rather than low potential. In the cyclic potential current method, the potential ranges of 0.0 to 1.0 and 0.1 to 1.1 V (based on saturated caramel reference electrode) were tested at a scanning rate of 2 mV / sec, respectively. The specific capacitances were 521 and 556 F / g- ruthenium oxides, respectively. No hydrolysis reaction could be observed at the electrode during the test in these sections.

수퍼캐패시터 조립은 2개의 전극과 셀가드 3501 격리막을 사용하는 수퍼캐패시터 조립하였다. 조립한 수퍼캐패시터는 5몰농도 이하의 황산 전해액의 전해액을 사용하여 제조하였다. 제조된 수퍼캐패시터는 전기화학적으로 프로토네이션한 수퍼캐패시터를 하였다. 전기화학적 프로토네이션은 포화카로멜기준전극을 기준하여 행하였으며, 조립 직후 상태인 개회로 전위 0.82 V에서 0.5 V로 프로토네이션하였다. 0.5V 수준으로 프로토네이션한 수퍼캐패시터를 전위구간 0∼1V에 대하여 전류밀도를 1, 2, 3, 4, 5mA/cm2의 조건으로 정전류 충방전 시험하고, 교류임피던스 시험을 행하였다. 전류밀도 1mA/cm2로 제1차 충방전시험을 행하였으며, 본 과정의 전위변화를 도 12에 나타내었다. 첫 번째 싸이클의 충방전 전류 효율은 84.8%를 얻었으며, 이후는 약 89.7%였다. 정전류 충방전 시험에서 각각의 전류밀도 1, 2, 3, 4, 5mA/cm2에 따라서 151, 144, 142, 139, 137F/g-루테산화물의 비정전용량 결과를 얻었다. 이때의 등가저항은 309 mΩ (12 msec)이었으며 비등가저항은 1.236Ω·cm2이였다.The supercapacitor assembly was a supercapacitor assembly using two electrodes and Celgard 3501 separator. The assembled supercapacitor was manufactured using the electrolyte solution of sulfuric acid electrolyte solution of 5 mol or less. The prepared supercapacitors were supercapacitors electrochemically prototyped. Electrochemical protonation was performed on the basis of the saturated caramel reference electrode, and was protonated to 0.5 V at an open circuit potential of 0.82 V immediately after assembly. Supercapacitors prototyped at a level of 0.5 V were subjected to constant current charge and discharge tests with current densities of 1, 2, 3, 4, and 5 mA / cm 2 at potential ranges of 0 to 1 V, followed by alternating current impedance tests. The first charge / discharge test was performed at a current density of 1 mA / cm 2 , and the potential change of the present process is shown in FIG. 12. The charge and discharge current efficiency of the first cycle was 84.8%, after which it was about 89.7%. In the constant current charge / discharge test, specific capacitance results of 151, 144, 142, 139, and 137F / g- ruthenium oxides were obtained according to the current densities 1, 2, 3, 4, and 5 mA / cm 2 . Equivalent resistance was 309 mΩ (12 msec) and specific equivalent resistance was 1.236Ω · cm 2 .

이 수퍼캐패시터를 방전한 상태에서 교류임피던스법으로 주파수범위 100kHz∼2.5mHz까지 등가저항을 측정하였다. 결과를 도 13에 나타내었으며, 1kHz에서의 등가저항은 166mΩ이었으며 비등가저항은 0.664Ω·cm2이었고, 허수부분(Imaginary part)이 0일 때의 실수부분(Real part)도 166mΩ (0.664Ω·cm2)이었다.In the state of discharging this supercapacitor, the equivalent resistance was measured to the frequency range 100kHz-2.5mHz by the AC impedance method. The results are shown in FIG. 13, and the equivalent resistance at 1 kHz was 166 mΩ, the specific equivalent resistance was 0.664Ω · cm 2 , and the real part when the imaginary part was 0 was also 166mΩ (0.664Ω · cm 2 ).

<실시예 2><Example 2>

실시예 1의 방법으로 140℃에서 열처리하여 제조한 루테늄산화물 재료를 사용하여 전극을 제조하였다. 제조한 2x2 cm2의 루테늄산화물 전극을 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 반전지를 제조하고, 순환전위전류법으로 전위범위 0.0∼1.0V 구간(포화카로멜기준전극 기준)을 주사속도 2 mV/sec로 시험한 결과 비정전용량은 448F/g-루테산화물이었으며 도 14에 나타내었다.An electrode was prepared using a ruthenium oxide material prepared by heat treatment at 140 ° C. by the method of Example 1. A half cell was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared 2x2 cm 2 ruthenium oxide electrode, and a scanning speed of 2 mV / was measured in a potential range of 0.0 to 1.0 V (based on saturated caramel reference electrode) by cyclic potential current method. The specific capacitance was 448F / g- ruthenium oxide as shown in FIG. 14.

<실시예 3><Example 3>

실시예 1의 방법으로 150℃에서 열처리하여 제조한 루테늄산화물 재료를 사용하여 전극을 제조하였다. 제조한 2x2 cm2 의 루테늄산화물 전극을 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 반전지를 제조하고, 순환전위전류법으로 전위범위 0.0∼1.0V 구간(포화카로멜기준전극 기준)을 주사속도 2 mV/sec로 시험한 결과 비정전용량은 421F/g-루테산화물이었으며 그림 17에 나타내었다.An electrode was prepared using a ruthenium oxide material prepared by heat treatment at 150 ° C. by the method of Example 1. A half cell was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared 2x2 cm 2 ruthenium oxide electrode, and a scanning speed of 2 mV / was measured in a potential range of 0.0 to 1.0 V (based on saturated caramel reference electrode) by cyclic potential current method. The specific capacitance, tested at sec, was 421F / g- ruthenium oxide and is shown in Figure 17.

<실시예 4><Example 4>

실시예 1의 방법으로 120℃에서 열처리하여 제조한 루테늄산화물 재료를 사용하여 전극을 제조하였다. 제조한 2x2 cm2 의 루테늄산화물 전극을 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 반전지를 제조하고, 순환전위전류법으로 전위범위 0.0∼1.0V 구간(포화카로멜기준전극 기준)을 주사속도 2 mV/sec로 시험한 결과 비정전용량은 405F/g-루테산화물이었으며 도 14에 나타내었다.An electrode was prepared using a ruthenium oxide material prepared by heat treatment at 120 ° C. by the method of Example 1. A half cell was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared 2x2 cm 2 ruthenium oxide electrode, and a scanning speed of 2 mV / was measured in a potential range of 0.0 to 1.0 V (based on saturated caramel reference electrode) by cyclic potential current method. As a result, the specific capacitance was 405F / g- ruthenium oxide and is shown in FIG. 14.

상기 실시예 1∼4와 같이 120∼150℃의 열처리온도 범위에서 제조한 루테늄산화물 재료의 순환전위전류곡선에 의한 비정전용량은 도 14와 같다. 130℃에서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물 재료를 사용한 전극에서 가장 높은 521F/g-루테산화물을 얻었다.As shown in Examples 1 to 4, the specific capacitance due to the cyclic potential current curve of the ruthenium oxide material manufactured in the heat treatment temperature range of 120 to 150 ° C is shown in FIG. The highest 521 F / g- ruthenium oxide was obtained on an electrode using an amorphous ruthenium oxide material prepared by heat treatment at 130 ° C.

120∼150℃의 열처리범위에서 제조한 루테늄산화물 재료의 상분석을 한 결과 도 15와 같은 엑스선(X-ray)회절패턴을 얻었다. 도 15에서 130℃ 이상에서는 결정질 루테늄산화물이 관찰되었고 130℃ 이하에서 비정질 루테늄산화물이 생성됨을 확인하였다. 120℃ 온도에서 열처리하여 제조된 비정질 루테늄산화물의 비정전용량(405F/g-루테산화물)에 비해 130 ℃온도에서 열처리하여 제조된 비정질 루테늄산화물의 비정전용량(521F/g-루테산화물)이 높게 나타난다. 따라서 루테늄산화물 제조시 비정질 루테늄산화물 만이 형성되면서 가장 높은 온도가 130℃임을 확인하였다.As a result of phase analysis of the ruthenium oxide material prepared in the heat treatment range of 120 to 150 ° C., an X-ray diffraction pattern as shown in FIG. 15 was obtained. In FIG. 15, the crystalline ruthenium oxide was observed at 130 ° C. or higher, and it was confirmed that amorphous ruthenium oxide was produced at 130 ° C. or lower. Bijeongjeon capacity of the amorphous ruthenium oxide produced by heat treatment at 120 ℃ temperature (405F / g- ruthenate titanium oxide) bijeongjeon capacity of the amorphous ruthenium oxide produced by heat treatment at 130 ℃ temperature than (521F / g- ruthenate titanium oxide) is highly appear. Therefore, only amorphous amorphous ruthenium oxide was formed during ruthenium oxide production, and the highest temperature was found to be 130 ° C.

<실시예 5>Example 5

본 실시예는 황산 전해액의 농도에 따른 특성의 차이를 나타낸 것이다. 실시예 1의 방법으로 130℃에서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물 재료를 사용하여 제조한 크기 2x2cm2의 전극과 백금판 상대전극 및 포화카로멜기준전을 사용하여, 황산 전해액의 농도에 따른 특성을 순환전위전류법으로 시험하였다. 전위범위는 0.0∼1.0V, 주사속도는 2mV/sec, 기준전극은 포화카로멜전극으로 하여 황산 전해액의 농도에 따른 전극의 비정전용량을 측정하고, 결과를 도 16에 나타내었다. 황산 전해액의 농도가 5 M에서 가장 높은 비정전용량을 나타내었다.This embodiment shows the difference in characteristics according to the concentration of sulfuric acid electrolyte. The characteristics according to the concentration of the sulfuric acid electrolyte solution were measured by using a 2x2 cm 2 electrode, a platinum plate counter electrode, and a saturated caramel reference electrode prepared using an amorphous ruthenium oxide material prepared by heat treatment at 130 ° C. by the method of Example 1. It was tested by cyclic potential current method. The potential range was 0.0 to 1.0 V, the scanning speed was 2 mV / sec, the reference electrode was a saturated caramel electrode, and the specific capacitance of the electrode according to the concentration of sulfuric acid electrolyte was measured. The results are shown in FIG. 16. The concentration of sulfuric acid electrolyte showed the highest specific capacitance at 5M.

<비교예 1>Comparative Example 1

본 비교예 1은 실시예 1의 방법에서 도전재료를 기상성장탄소섬유 한종류로 하여 시험한 것이다. 전극조성은 실시예 1의 비정질 루테늄산화물을 엔-메틸피롤리돈 용매에 폴리비닐리덴플루오르 및 기상성장탄소섬유으로 전극을 제조하였다. 혼합비는 루테산화물 : 폴리비닐리덴플루오르 : 수퍼피블랙 : 기상성장탄소섬유 = 84 : 10 : 0 : 6(중량비)이 된다. 이 전극의 주사전자현미경 사진을 도 17에 나타내었으며, 사진 중에서 기상성장탄소섬유의 존재를 확인할 수 있다. 이와 같이 제조한 루테늄산화물의 2x2 cm2 전극을 실시예 1과 동일한 방법으로 반전지를 제조하고, 순환전위전류법으로 시험하여 도 18의 결과를 얻었으며, 비정전용량은 394 F/g-루테산화물을 나타내었다. 수퍼캐패시터 조립은 2개의 전극을 사용하여 실시예 1에서 나타낸 수퍼캐패시터 제조방법과 같이하였다. 0.5V 수준으로 프로토네이션한 수퍼캐패시터를 전위구간 0∼1V에 대하여 전류밀도를 1, 2, 3, 4, 5mA/cm2의 조건으로 정전류 충방전 시험하고, 교류임피던스 시험을 행하였다. 전류밀도 1mA/cm2로 제1차 충방전 시험을 행하였으며, 본 과정의 전위변화를 도 19에 나타내었다. 첫 번째 싸이클의 충방전 전류 효율은 81.7%를 얻었으며, 이후는 약 89.4%였다. 정전류 충방전 시험에서 각각의 전류밀도 1, 2, 3, 4, 5mA/cm2에 따라서 126, 117, 112, 108, 104F/g-루테산화물의 비정전용량 결과를 얻었다. 이때의 등가저항은 1,237 mΩ (12 msec)이었으며 비등가저항은 4.950Ω·cm2이였다.In this Comparative Example 1, the conductive material was tested as one type of vapor-grown carbon fiber by the method of Example 1. Electrode composition An electrode was prepared from polyvinylidene fluorine and vapor-grown carbon fiber in the amorphous ruthenium oxide of Example 1 in an N-methylpyrrolidone solvent. The mixing ratio is ruthenium oxide: polyvinylidene fluorine: super pi black: vapor-grown carbon fiber = 84: 10: 0: 6 (weight ratio). The scanning electron micrograph of this electrode is shown in FIG. 17, and the presence of vapor-grown carbon fiber can be confirmed in the photograph. A 2 x 2 cm 2 electrode of the ruthenium oxide thus prepared was prepared in the same manner as in Example 1, and tested by cyclic potential current method to obtain the result of FIG. 18. The specific capacitance was 394 F / g- ruthenium oxide. Indicated. The supercapacitor assembly was the same as the supercapacitor manufacturing method shown in Example 1 using two electrodes. Supercapacitors prototyped at a level of 0.5 V were subjected to constant current charge and discharge tests with current densities of 1, 2, 3, 4, and 5 mA / cm 2 at potential ranges of 0 to 1 V, followed by alternating current impedance tests. The first charge / discharge test was performed at a current density of 1 mA / cm 2 , and the potential change of the process is shown in FIG. 19. The charge and discharge current efficiency of the first cycle was 81.7%, after which it was about 89.4%. In the constant current charge / discharge test, specific capacitance results of 126, 117, 112, 108, and 104 F / g- ruthenium oxides were obtained according to the current densities 1, 2, 3, 4, and 5 mA / cm 2 . The equivalent resistance at this time was 1,237 mΩ (12 msec) and the specific equivalent resistance was 4.950Ω · cm 2 .

이 수퍼캐패시터를 방전한 상태에서 교류임피던스법으로 주파수범위 100kHz∼2.5mHz까지 등가저항을 측정하였다. 결과를 도 20에 나타내었으며, 1kHz에서의 등가저항은 680mΩ이었으며 비등가저항은 2.723Ω·cm2이었다. 그러나 도 20에 보이는 것과 같이 허수부분이 0일 때의 실수부분도 92mΩ (0.369Ω·cm2)이고, 기울기가 (-)에서 (+)로의 변곡점에서 실수부분은 952mΩ (3.806Ω·cm2)이었다.In the state of discharging this supercapacitor, the equivalent resistance was measured to the frequency range 100kHz-2.5mHz by the AC impedance method. The results are shown in FIG. 20, and the equivalent resistance at 1 kHz was 680 mΩ and the specific equivalent resistance was 2.723 Ω · cm 2 . However, as shown in Fig. 20, the real part when the imaginary part is 0 is also 92mΩ (0.369Ωcm 2 ), and the real part is 952mΩ (3.806Ωcm 2 ) at the inflection point from (-) to (+). It was.

<비교예 2>Comparative Example 2

본 비교예 2는 실시예 1의 방법에서 도전재료를 수퍼피블랙류 한 종류로 하여 시험한 것이다. 실시예 1의 비정질 루테늄산화물, 폴리비닐리덴플루오르, 수퍼피블랙을 엔-메틸피롤리돈 용매 3.5 mL와 함께 전극합제로 제조하고 탄탈륨박에 도포하여 전극을 제조하였다. 혼합비는 루테늄산화물 : 폴리비닐리덴플루오르 : 수퍼피블랙 : 기상성장탄소섬유 = 84 : 10 : 6 : 0(중량비)이 된다. 이 전극의 주사전자현미경 사진을 도 21에 나타내었다. In Comparative Example 2, the conductive material was tested as one kind of superpi black in the method of Example 1. Amorphous ruthenium oxide, polyvinylidene fluorine, and superpiblack of Example 1 were prepared with an electrode mixture together with 3.5 mL of n-methylpyrrolidone solvent and applied to tantalum foil to prepare an electrode. The mixing ratio is ruthenium oxide: polyvinylidene fluorine: superpi black: vapor phase growth carbon fiber = 84: 10: 6: 0 (weight ratio). The scanning electron micrograph of this electrode is shown in FIG.

이와 같이 제조한 루테늄산화물의 전극을 실시예 1의 방법으로 반전지를 제조하고, 순환전위전류법으로 시험하여 도 22의 결과를 얻었으며, 비정전용량은 410 F/g-루테산화물을 나타내었다.The electrode of the thus prepared ruthenium oxide was prepared by the method of Example 1, and tested by cyclic potential current method to obtain the result of FIG. 22, and the specific capacitance was 410 F / g- ruthenium oxide.

수퍼캐패시터 조립은 실시예 1과 동일한 방법으로 하고, 프로토네이션하였다. 0.5V 수준으로 프로토네이션한 수퍼캐패시터를 전위구간 0∼1V에 대하여 전류밀도를 1, 2, 3, 4, 5mA/cm2의 조건으로 정전류 충방전 시험하고, 교류임피던스 시험을 행하였다. 전류밀도 1mA/cm2로 제1차 충방전 시험을 행하였으며, 본 과정의 전위변화를 도 23에 나타내었다. 첫 번째 싸이클의 충방전 전류 효율은 81.2%를 얻었으며, 이후는 약 88.5%였다. 정전류 충방전 시험에서 각각의 전류밀도 1, 2, 3, 4, 5mA/cm2에 따라서 136, 126, 121, 116, 111F/g-루테산화물의 비정전용량 결과를 얻었다. 이때의 등가저항은 1,107 mΩ (12 msec)이었으며 비등가저항은 4.427Ω·cm2이였다.Supercapacitor assembly was carried out in the same manner as in Example 1, and was prototyped. Supercapacitors prototyped at a level of 0.5 V were subjected to constant current charge and discharge tests with current densities of 1, 2, 3, 4, and 5 mA / cm 2 at potential ranges of 0 to 1 V, followed by alternating current impedance tests. The first charge / discharge test was performed at a current density of 1 mA / cm 2 , and the potential change of the present process is shown in FIG. 23. The charge and discharge current efficiency of the first cycle was 81.2%, after which it was about 88.5%. In the constant current charge / discharge test, specific capacitance results of 136, 126, 121, 116, and 111F / g- ruthenium oxide were obtained according to the current densities 1, 2, 3, 4, and 5 mA / cm 2 . At this time, the equivalent resistance was 1,107 mΩ (12 msec) and the specific equivalent resistance was 4.427Ω · cm 2 .

이 수퍼캐패시터를 방전한 상태에서 교류임피던스법으로 주파수범위 100kHz∼2.5mHz까지 등가저항을 측정하였다. 결과를 도 24에 나타내었으며, 1kHz에서의 등가저항은 756mΩ이었으며 비등가저항은 3.024Ω·cm2이었다. 그러나 도 24에 보이는 것과 같이 허수부분이 0일 때의 실수부분도 97mΩ (0.388Ω·cm2)이고, 기울기가 (-)에서 (+)로의 변곡점에서 실수부분은 1,120mΩ (4.478Ω·cm2)이었다.In the state of discharging this supercapacitor, the equivalent resistance was measured to the frequency range 100kHz-2.5mHz by the AC impedance method. The results are shown in FIG. 24. The equivalent resistance at 1 kHz was 756 mΩ and the specific equivalent resistance was 3.024 Ω · cm 2 . However, even when the real part of the imaginary part as shown in Fig. 24 0 97mΩ (0.388Ω · cm 2 ) , and the slope is (-) at the inflection point to in () is the real part 1,120mΩ (4.478Ω · cm 2 Was.

실시예 1과 비교예 1, 비교예 2를 비교해 보면 표 1과 같으며, 혼합비 루테늄산화물 : 폴리비닐리덴플루오르 : 수퍼피블랙 : 기상성장탄소섬유 = 84 : 10 : 3 : 3(중량비)의 전극 특성이 도전재로 각각 수퍼피블랙과 기상성장탄소섬유만으로 사용한 것에 비해 우수함을 확인하였다. 이는 도 8, 도 17, 도 21에 보이는 것과 같이 구상의 수퍼피블랙에 섬유상의 기상성장탄소섬유가 혼합됨으로서 전극의 특성이 향상됨을 확인하였다.Comparing Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, it is shown in Table 1, and the mixed ratio ruthenium oxide: polyvinylidene fluorine: superpi black: vapor phase growth carbon fiber = 84: 10: 3: 3 (weight ratio) of the electrode It was confirmed that the properties were superior to those using only superpi black and vapor-grown carbon fiber, respectively, as conductive materials. It was confirmed that the characteristics of the electrode were improved by mixing fibrous vapor-grown carbon fibers with spherical superpi black as shown in FIGS. 8, 17, and 21.

전극 조성 (중량비)(루테늄산화물:폴리비닐리덴플루오르:수퍼피블랙:기상성장탄소섬유)Electrode composition (weight ratio) (ruthenium oxide: polyvinylidene fluorine: super pea black: vapor growth carbon fiber) 84:10:3:384: 10: 3: 3 84:10:0:684: 10: 0: 6 84:10:6:084: 10: 6: 0 전극 두께 (마이크로미터)Electrode Thickness (micrometer) 7070 6060 6060 비정전용량(F/g-루테산화물 )Specific capacitance (F / g- ruthenium oxide) 순환전위전류법(2mV/sec, 0~1V)Cyclic Potential Current Method (2mV / sec, 0 ~ 1V) 521521 394394 410410 정전류 충방전 시험전류밀도(1,2,3,4,5 mA/cm2)Constant current charge / discharge test current density (1,2,3,4,5 mA / cm 2 ) 151, 144, 142, 139, 137151, 144, 142, 139, 137 126, 117, 112, 108, 104126, 117, 112, 108, 104 136, 126, 121, 116, 111136, 126, 121, 116, 111 등가저항(mΩ, Ω·cm2)Equivalent Resistance (mΩ, Ωcm 2 ) 교류 인피던스법AC Inductance Law 1kHz에서의 임피던스Impedance at 1 kHz 166, 0.664166, 0.664 680, 2.732680, 2.732 756, 3.024756, 3.024 허수부분 0에서의 실수부분 임피던스Real part impedance at imaginary part 0 166, 0.664166, 0.664 92, 0.36992, 0.369 97, 0.38897, 0.388 기울기가 (-)에서 (+)로의 변곡점에서 실수부분 임피던스Real part impedance at inflection point from (-) to (+) -- 952, 3.806952, 3.806 1120, 4.4781120, 4.478 직류 인피던스법(시간 =12 밀리초)DC impedance method (time = 12 milliseconds) 309, 1.236309, 1.236 1237, 4.9501237, 4.950 1107, 44271107, 4427

<비교예 3>Comparative Example 3

대한민국 특허출원 출원번호 10-1999-0039899Republic of Korea Patent Application No. 10-1999-0039899

본 비교예는 비정질 루테늄산화물 재료 대신에 층상구조의 망간산화물을 사용하였으며, 특허 중 실시예 8에서 최대 비정전용량 331.4 F/g을 나타내었다.In this comparative example, a layered manganese oxide was used in place of the amorphous ruthenium oxide material, and the maximum specific capacitance of 331.4 F / g was shown in Example 8 of the patent.

<비교예 4><Comparative Example 4>

대한민국 특허출원번호 10-1999-0039888Republic of Korea Patent Application No. 10-1999-0039888

본 비교예는 비정질 루테늄산화물 대신에 비정질 망간산화물을 사용하였으며, 특허 중 도 6에서 최대 비정전용량 320 F/g를 나타내었다.In this comparative example, amorphous manganese oxide was used instead of amorphous ruthenium oxide, and the maximum specific capacitance of 320 F / g was shown in FIG. 6.

<비교예 5>Comparative Example 5

대한민국 출원번호 10-1999-0039898Korean Application No. 10-1999-0039898

본 비교예는 비정질 루테늄산화물 재료 대신에 비정질 망간산화물을 사용하였으며, 특허 중 도 4에서 최대 비정전용량 330 F/g를 나타내었다.In this comparative example, amorphous manganese oxide was used in place of the amorphous ruthenium oxide material, and the maximum specific capacitance of 330 F / g was shown in FIG. 4.

한편, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be carried out by various modifications and variations within the scope not departing from the gist of the present invention, the technical idea that such modifications and variations are also applied to the following claims Should be regarded as belonging to

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 우수한 효과가 있다.As described in detail above, the present invention has the following excellent effects.

<본 발명의 효과 1><Effect 1 of the present invention>

염화루테늄로부터 수산화나트륨 수용액을 사용하는 졸-겔 제조법의 개발로 비정질 루테늄산화물 전구체를 합성하고, 침전물을 세정 및 열처리하여 비정질 루테늄산화물을 제조하였다.An amorphous ruthenium oxide precursor was synthesized by the development of a sol-gel preparation method using an aqueous sodium hydroxide solution from ruthenium chloride, and the precipitate was washed and heat treated to prepare an amorphous ruthenium oxide.

<발명의 효과 2>Effect 2 of the Invention

열처리하여 비정질 루테늄산화물을 제조하고, 이를 수퍼캐패시터용 전극재료로 이용하여 521 F/g-루테산화물의 비정전용량을 나타내는 전극을 제조할 수 있었다.Heat treatment to produce an amorphous ruthenium oxide, and it was able to produce the electrode shown bijeongjeon a capacity of 521 F / g- ruthenate titanium oxide used as an electrode material for a super-capacitor.

<발명의 효과 3>Effect 3 of the Invention

수퍼피블랙과 기상성장탄소섬유의 도전재를 혼용한 전극조성의 경우 방전초기 12msec에서 측정한 직류임피던스는 1.236Ω·cm2(309 mΩ)로서, 수퍼피블랙 단독 도전재의 값 4.427Ω·cm2과 기상성장탄소섬유 단독 도전재의 값 4.950Ω·cm2과 비교하여 약 1/4로서 4배의 우수한 저항 특성을 나타내었다. 본 결과는 교류임피던스에서도 확인할 수 있었으며, 1 kHz에서 혼용 도전재를 사용한 경우 0.664 Ω·cm2로서, 수퍼피블랙 단독 도전재의 값 3.024Ω·cm2과 기상성장탄소섬유 단독 도전재의 값 2.732Ω·cm2과 비교하여 4배의 우수한 저항 특성을 나타내었다.In the case of electrode composition using a superpi black and a gas-grown carbon fiber conductive material, the DC impedance measured at the initial discharge of 12 msec was 1.236Ω · cm 2 (309 mΩ), and the value of the superpiblack alone conductive material was 4.427Ω · cm 2 Compared with the value of 4.950Ω · cm 2 of the gas-phase grown carbon fiber conductive material alone, it showed about 4 times better resistance. This result was also confirmed in the AC impedance, and 0.664 Ωcm 2 when the mixed conductive material was used at 1 kHz, the value of the superpi black alone conductive material 3.024Ω · cm 2 and the vapor-grown carbon fiber sole conductive material 2.732Ω · Compared with cm 2 , it showed 4 times better resistance characteristics.

<발명의 효과 4>Effect 4 of the Invention

수퍼피블랙과 기상성장탄소섬유의 도전재를 혼용한 전극의 경우 비정전용량은 521 F/g-루테산화물로서, 수퍼피블랙 단독 도전재의 값 410 F/g-루테산화물과 기상성장탄소섬유 단독 도전재의 값 394 F/g-루테산화물과 비교하여 100 F/g-루테늄산화물 이상 높은 값을 나타내었다.In the case of an electrode mixed with superpi black and vapor-grown carbon fiber, the specific capacitance is 521 F / g- ruthenium oxide, and the value of superpi black alone conductive material is 410 F / g- ruthenium oxide and vapor-grown carbon fiber. compared to the sole conductive material in the value of 394 F / g- ruthenate titanium oxide exhibited more than 100 F / g- ruthenium oxide high value.

<발명의 효과 5>Effect 5 of the Invention

수퍼피블랙과 기상성장탄소섬유의 도전재를 혼용한 전극을 사용한 수퍼캐패시터의 경우 비정전용량은 1 mA/cm2의 전류밀도에서 151 F/g-루테산화물로서, 수퍼피블랙 단독 도전재의 값 136 F/g-루테산화물과 기상성장탄소섬유 단독 도전재의 값 126 F/g-루테산화물과 비교하여 높은 값을 나타내었다.In the case of a supercapacitor using an electrode mixed with superpi black and a conductive material of vapor-grown carbon fiber, the specific capacitance is 151 F / g- ruthenium oxide at a current density of 1 mA / cm 2, and the value of the superpi black alone conductive material The values of 136 F / g- ruthenium oxide and the conductive material of vapor-grown carbon fiber alone showed higher values than 126 F / g- ruthenium oxide.

<발명의 효과 6><Effect of invention 6>

상기 발명의 효과 3, 4 및 5항의 효과는 루테늄산화물 수퍼캐패시터 뿐만 아니라 금속산화물을 사용하는 수퍼캐패시터에서 우수한 도전효과를 낼 수 있으며, 활성탄소재료를 사용하는 수퍼캐패시터에도 적용할 수 있다.The effects of the effects 3, 4 and 5 of the present invention can produce excellent conductive effects in the ruthenium oxide supercapacitors as well as supercapacitors using metal oxides, and can be applied to supercapacitors using activated carbon materials.

도 1은 루테늄산화물, 루테늄산화물 전극 및 수퍼캐패시터의 제조를 위한 공정의 개략도을 도시한 것이고,1 shows a schematic diagram of a process for the production of ruthenium oxide, ruthenium oxide electrode and supercapacitor,

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 루테늄산화물의 열분석을 도시한 것이고,Figure 2 shows the thermal analysis of the ruthenium oxide prepared in Example 1 of the present invention,

도 3은 본 발명의 실시예 1에서 수퍼피블랙(super p. black)의 초음파 분산에 따른 입도분포 분석 결과를 나타낸 것이고,Figure 3 shows the particle size distribution analysis results according to the ultrasonic dispersion of super p. Black (super p. Black) in Example 1 of the present invention,

도 4는 본 발명의 실시예 1에서 원래의 수퍼피블랙과 30분 동안 초음파 분산한 수퍼피블랙의 전자주사현미경사진으로, 도4a 및 도4b는 원래의 수퍼피블랙의 사진이고, 도4c는 30분 동안 초음파 분산한 수퍼피블랙의 사진을 나타낸 것이고,Figure 4 is an electron scanning micrograph of the original superpi black and superpi black ultrasonically dispersed for 30 minutes in Example 1 of the present invention, Figures 4a and 4b is a photograph of the original superpi black, Figure 4c Shows a picture of superpi black, ultrasonically dispersed for 30 minutes,

도 5는 본 발명의 실시예 1에서 기상성장탄소섬유의 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이고, Figure 5 shows an electron scanning micrograph of the vapor-grown carbon fiber in Example 1 of the present invention,

도 6은 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물의 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이고,Figure 6 shows an electron scanning micrograph of the amorphous ruthenium oxide prepared by the heat treatment in Example 1 of the present invention,

도 7은 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물 및 이를 이용한 전극 합제의 입도분석 결과와 30분간 초음파 분산한 수퍼피블랙, 기상성장탄소섬유의 입도분포를 나타낸 것이고,7 shows particle size analysis results of amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment in Example 1 of the present invention and an electrode mixture using the same, and particle size distribution of superpi black and vapor-grown carbon fiber dispersed by ultrasonic wave for 30 minutes.

도 8은 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물을 전극재료로 만든 전극의 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이고,FIG. 8 is a scanning electron micrograph of an electrode made of an electrode material of amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment in Example 1 of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조된 비정질 루테늄산화물을 이용한 전극의 순환전위전류곡선을 나타낸 것이고,9 shows a cyclic potential current curve of an electrode using an amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment in Example 1 of the present invention,

도 10은 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조된 비정질 루테늄산화물을 이용한 전극의 순환전위전류곡선을 나타낸 것이고, 10 shows a cyclic potential current curve of an electrode using an amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment in Example 1 of the present invention,

도 11은 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조된 비정질 루테늄산화물을 이용한 전극의 순환전위전류곡선을 나타낸 것이고,11 shows a cyclic potential current curve of an electrode using an amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment in Example 1 of the present invention,

도 12는 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조된 비정질 루테늄산화물을 이용한 수퍼캐패시터의 정전류충방전 시험시 첫번째 싸이클의 충방전곡선을 나타낸 것이고,12 shows the charge / discharge curves of the first cycle in the constant current charge / discharge test of the supercapacitor using amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment in Example 1 of the present invention.

도 13은 본 발명의 실시예 1에 있어서 열처리하여 제조된 비정질 루테늄산화물을 이용한 수퍼캐패시터의 교류임피던스 시험결과를 나타낸 것이고,FIG. 13 shows the results of an AC impedance test of a supercapacitor using amorphous ruthenium oxide prepared by heat treatment in Example 1 of the present invention.

도 14는 본 발명의 실시예 1∼4에 있어서 120∼150℃ 온도범위에서 열처리하여 제조한 루테늄산화물을 이용한 전극의 순환전위전류곡선에서 얻어진 비정전용량을 열처리온도에 따라 도시한 것이며,14 shows the specific capacitance obtained from the cyclic potential current curve of an electrode using ruthenium oxide prepared by heat treatment at a temperature in the range of 120 to 150 ° C. in Examples 1 to 4 according to the heat treatment temperature.

도 15는 본 발명의 실시예 1∼4에 있어서 120∼150℃의 온도범위에서 열처리하여 제조한 루테늄산화물의 엑스-레이 회절 결과를 나타낸 것이며,FIG. 15 shows X-ray diffraction results of ruthenium oxide prepared by heat treatment at a temperature in the range of 120 to 150 ° C. in Examples 1 to 4 of the present invention.

도 16은 본 발명의 실시예 5에 있어서 황산 전해액의 농도에 따른 전극의 비정전용량의 변화를 나타낸 것이며,16 shows a change in specific capacitance of an electrode according to the concentration of sulfuric acid electrolyte in Example 5 of the present invention,

도 17은 본 발명의 비교예 1에서 루테늄산화물 전극의 표면 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이고,17 is a surface electron scanning micrograph of the ruthenium oxide electrode in Comparative Example 1 of the present invention,

도 18은 본 발명의 비교예 1에서 기상성장탄소섬유 단독 도전재료 적용 루테늄산화물전극의 순환전위전류곡선을 나타낸 것이고,FIG. 18 shows a cyclic potential current curve of a ruthenium oxide electrode applied with a conductive carbon fiber alone conductive material in Comparative Example 1 of the present invention.

도 19는 본 발명의 비교예 1에서 기상성장탄소섬유 단독 도전재료 적용 루테늄산화물전극을 사용한 수퍼캐패시터의 정전류충방전시험 시 첫번째 싸이클의 충방전곡선을 나타낸 것이고,FIG. 19 shows the charge / discharge curves of the first cycle during the constant current charge / discharge test of a supercapacitor using ruthenium oxide electrode applied with a vapor-grown carbon fiber conductive material in Comparative Example 1 of the present invention.

도 20은 본 발명의 비교예 1에서 기상성장탄소섬유 단독 도전재료 적용 루테늄산화물전극을 사용한 수퍼캐패시터의 교류임피던스 시험결과를 나타낸 것이고,FIG. 20 shows the results of an AC impedance test of a supercapacitor using ruthenium oxide electrode applied with a conductive carbon fiber-only conductive material in Comparative Example 1 of the present invention.

도 21은 본 발명의 비교예 2에서 수퍼피블랙 단독 도전재료 적용 루테늄산화물 전극의 표면 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이고,FIG. 21 is a surface electron scanning microscope photograph of a ruthenium oxide electrode applied with a superpiblack alone conductive material in Comparative Example 2 of the present invention.

도 22는 본 발명의 비교예 2에서 수퍼피블랙 단독 도전재료 적용 루테늄산화물전극의 순환전위전류곡선을 나타낸 것이고,FIG. 22 illustrates a cyclic potential current curve of a ruthenium oxide electrode applied with a superpiblack alone conductive material in Comparative Example 2 of the present invention.

도 23은 본 발명의 비교예 2에서 수퍼피블랙 단독 도전재료 적용 루테늄산화물전극을 사용한 수퍼캐패시터의 정전류충방전 시험시 첫번째 싸이클의 충방전곡선을 나타낸 것이고,FIG. 23 shows the charge / discharge curves of the first cycle during the constant current charge / discharge test of the supercapacitor using the ruthenium oxide electrode applied with the superpiblack alone conductive material in Comparative Example 2 of the present invention.

도 24는 본 발명의 비교예 2에서 수퍼피블랙 단독 도전재료 적용 루테늄산화물전극을 사용한 수퍼캐패시터의 교류임피던스 시험결과를 나타낸 것이다.FIG. 24 shows the results of an alternating current impedance test of a supercapacitor using ruthenium oxide electrode applied with superpiblack alone conductive material in Comparative Example 2 of the present invention.

Claims (11)

염화루테늄으로부터 수산화나트륨을 포함하는 알카리 수용액을 사용하여 졸-겔제조법으로 루테늄산화물을 합성하고, 이 합성한 루테늄산화물을 세정하고 건조한 후 100℃~150℃ 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 비정질 루테늄산화물 제조 방법.A ruthenium oxide is synthesized by using a solution of alkali containing sodium hydroxide from ruthenium chloride by sol-gel preparation method, the washed ruthenium oxide is washed, dried, and heat treated at a temperature of 100 ° C. to 150 ° C. Manufacturing method. 염화루테늄으로부터 수산화나트륨을 포함하는 알카리 수용액을 사용하여 졸-겔제조법으로 루테늄산화물을 합성하고, 이 합성한 루테늄산화물을 세정하고 건조한 후 100℃~150℃ 온도에서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물을 전극재료로 사용하여 도전재료 및 결합체와 함께 탄탈륨 집전체에 도포하는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 전극 제조방법.A ruthenium oxide was synthesized by using a solution of alkali containing sodium hydroxide from ruthenium chloride by sol-gel preparation, washed, dried and heat-treated at 100 ° C. to 150 ° C. to form an electrode. A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, which is used as a material and applied to a tantalum current collector together with a conductive material and a binder. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 도전재료는 탄소섬유와 카본블랙의 혼합물인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 전극 제조방법.The conductive material is a supercapacitor electrode manufacturing method, characterized in that the mixture of carbon fiber and carbon black. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 도전재료는 탄소나노튜브와 카본블랙의 혼합물인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 전극 제조방법.The conductive material is a supercapacitor electrode manufacturing method, characterized in that the mixture of carbon nanotubes and carbon black. 염화루테늄으로부터 수산화나트륨을 포함하는 알카리 수용액을 사용하여 졸-겔제조법으로 루테늄산화물을 합성하고, 이 합성한 루테늄산화물을 세정하고 건조한 후 100℃~150℃ 온도에서 열처리하여 제조한 비정질 루테늄산화물을 전극재료로 사용하여 도전재료 및 결합제와 함께 탄탈륨 집전체에 도포하여 구성한 전극과, 황산 전해액 및, 다공성의 격리막을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.Ruthenium oxide was synthesized by sol-gel preparation using an alkaline aqueous solution containing sodium hydroxide from ruthenium chloride, and the amorphous ruthenium oxide prepared by washing and drying the synthesized ruthenium oxide, followed by heat treatment at a temperature of 100 ° C. to 150 ° C. A supercapacitor comprising an electrode formed by coating a tantalum current collector together with a conductive material and a binder using a material, a sulfuric acid electrolyte, and a porous separator. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 황산 전해액은 3.5~5몰 농도의 황산인 것을 특징으로 하는 금속산화물 수퍼캐패시터.The sulfuric acid electrolyte is a metal oxide supercapacitor, characterized in that the sulfuric acid of 3.5 to 5 molar concentration. 루테늄산화물을 전극재료로 사용하고 도전재료로서 입자상과 섬유상의 복합 도전재료를 사용하여 구성한 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.A supercapacitor comprising an electrode comprising ruthenium oxide as an electrode material and a composite conductive material in the form of particles and fibers as a conductive material. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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