KR100731338B1 - 수퍼커패시터 전극활물질용 활성탄의 ｋｏｈ 처리방법 및이를 이용한 수퍼커패시터용 전극 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수퍼커패시터 전극활물질용 활성탄의 KOH 처리방법 및 이를 이용한 수퍼커패시터용 전극 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1몰 내지 6몰의 KOH 수용액과 활성탄을 균일하게 혼합한 후, 그 혼합물을 가열한 다음, 실온으로 방냉한 후, 고분자 여과지로 여과하여 얻은 활성탄을 건조시키는 것을 특징으로 하는 활성탄의 KOH처리방법을 제공하고, 활성탄의 KOH처리법을 거친, 원료물질인 KOH처리 활성탄 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합한 후, 결착제로 폴리비닐디플로리덴용액을 첨가하여 슬러리를 제조한 다음, 이를 집전체인 니켈 메쉬에 도포 후 건조 압착하여 제조되는 수퍼커패시터용 전극 제조방법에 관한 것으로써, 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.

KOH활성법, 수퍼커패시터, 활성탄, 폴리비닐디플로리덴

Description

수퍼커패시터 전극활물질용 활성탄의 ＫＯＨ 처리방법 및 이를 이용한 수퍼커패시터용 전극 제조방법{KOH TREATMENT OF ACTIVATED CARBON FOR SUPERCAPACITOR ACTIVE MATERIAL}

본 발명은 수퍼커패시터 전극활물질용 활성탄의 KOH 처리방법 및 이를 이용한 수퍼커패시터용 전극 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1몰 내지 6몰의 KOH 수용액과 활성탄을 균일하게 혼합한 후, 그 혼합물을 가열한 다음, 실온으로 방냉한 후, 고분자 여과지로 여과하여 얻은 활성탄을 건조시키는 것을 특징으로 하는 활성탄의 KOH처리방법을 제공하고, 활성탄의 KOH처리법을 거친, 원료물질인 KOH처리 활성탄 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합한 후, 결착제로 폴리비닐디플로리덴용액을 첨가하여 슬러리를 제조한 다음, 이를 집전체인 니켈 메쉬에 도포 후 건조 압착하여 제조되는 수퍼커패시터용 전극 제조방법에 관한 것으로써, 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.

현재 수퍼커패시터용 전극재료로서 사용되는 물질은 활성탄, 탄소, 전도성 고분자, 전이금속 산화물 등이 있다.이들 중 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, 단위부피당 중량이 적고, 내부 저항이 적으며 안정하여 성능이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다. 다른 목적으로는 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. 또 다른 목적으로는 본 발명에서 제안하는 KOH처리한 활성탄의 성능은 기존의 활성탄의 전기화학적인 성능을 크게 향상시킴과 동시에 기존의 탄소소재에서 지적되던 단위부피당 중량, 전기저항, 전극수명 등을 향상시키는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해,

본 발명은 원료물질인 KOH처리 활성탄 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합한 후, 결착제로 폴리비닐디플로리덴 용액을 혼합하여 슬러리를 제조한 다음, 제조한 슬러리를 집전체인 니켈 메쉬에 건조압착하여 전극으로 제조함으로써 달성되는 것으로써,

1몰 내지 7몰의 KOH수용액과 활성탄을 균일하게 혼합하는 단계; 혼합물을 30℃ ~ 90℃로 1시간 ~ 48시간 동안 가열한 후, 실온으로 방냉하는 단계; 방냉 후 고분자 여과지로 여과하여 얻은 활성탄을 건조시키는 단계;를 거쳐 KOH처리 활성탄 분말을 구득하고,

상기와 같은 처리방법을 거친 KOH처리 활성탄 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합하는 단계; 혼합물에 결착제인 폴리비닐디플로리덴 용액을 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 제조된 슬러리를 니켈메쉬 집전체에 도포 후 건조 압착하는 단계;를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 활성탄의 KOH 처리를 통한 수퍼커패시터용 전극의 제조방법을 그 주요 구성으로 한다.

이때, 상기 케젠블랙 분말은 KOH처리 활성탄 분말에 대하여, 반드시 포함하되 30중량%이하로 첨가되고, 상기 폴리비닐디플로리덴 용액은 활성탄 분말에 대하여 3 ~ 10중량%로 첨가되고, 상기 건조 압착단계에서의 건조 압착은 25 ~ 80℃에서 4000psi로 20 ~ 40분간 유지되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 기술적 구성을 보다 상세하게 살펴보도록 한다.

본 발명에서는 KOH처리 활성탄을 전극 활물질로 사용하며, 도전제로 케젠블랙(Ketjen Black)을 채택하고 결착제로 폴리비닐디플로리덴 용액을 채택한다.

본 발명에서는 먼저 원료물질인 KOH처리 활성탄(carbon nanofiber) 분말에 도전제 분말을 첨가하여 혼합한다. 도전제로는 케젠블랙(ketjen black)을 사용한다. 첨가되는 도전제인 케젠 블랙의 양은 원료 활물질인 활성탄의 질량을 100중량%로 하였을 경우, 반드시 포함하되 30중량% 이하 범위가 되도록 함이 바람직한데, 그 이유는 도전성이 좋은 케젠 블랙이지만, 그 함량이 30중량%를 초과할 경우에는 단위 그램(g)당 에너지 밀도가 감소하기 때문이다. 활성탄 분말에 도전제 분말을 첨가한후에는 서로 균일하게 혼합되도록 지르코니아 볼에서 믹싱을 수행한다. 활성탄 분말에 도전제 분말을 첨가한후에는 슬러리로 제조하기 위해 균일하게 혼합된 분말에 결착제인 폴리비닐디플로리덴 용액을 첨가한다. 첨가되는 결착제인 폴리비닐디플로리덴 용액은 활성탄을 100중량% 기준으로 하였을 때 3 ~ 10중량% 범위로 첨가됨이 바람직한데, 그 이유는 3 중량% 미만일 경우에는 결착력이 너무 약하며, 10중량%를 초과할 경우에는 결착력이 강한 반면에 저항이 심해지기 때문이다.

이어 형성된 슬러리 상의 전극활물질, 결착제, 도전제를 니켈메쉬에 도포한다. 도포된 슬러리는 견고하게 건조 압착을 수행한다. 건조시의 조건은 70 ~ 110℃ 의 온도범위를 유지하여 폴리비닐디플로리덴 용액내 포함된 수분을 충분히 건조시키는 것으로 건조시간은 4 ~ 6시간으로 한다. 이때 압착은 25 ~ 80℃의 온도 범위에서 4000psi로 20 ~ 40분간의 조건으로 압착함이 바람직한데, 그 이유는 상기 조 건이 전극활물질과 도전제 사이에 폴리비닐디플로리덴 용액이 성장해가는데 가장 적합하기 때문이다.

이와 같이 제조된 전극을 수퍼커패시터용 전극으로 활용한다.

이하, 본 발명에 따른 구성을 실시예를 통해 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.

실시예

본 발명에 따라 활성탄의 KOH처리 방법과 슈퍼캐퍼시터용 전극 성능 실험을 하기에서 더욱 상세하게 설명하지만, 이 실시예는 예시적인 것으로서 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

6mol KOH 수용액 500㎖와 열 화학기상증착법에 의해 실험실적으로 합성한 활성탄 50㎎을 평량하여, 500㎖ 둥근 플라스크에 넣고 균일하게 분산시킨다. 질산을 통한 효과적인 정제를 위하여 80℃에서 12시간 가열한 후, 실온에서 20시간 동안 방냉하여 고분자 여과지("Mixed cellulose ester" , Advantec, Cat No. A010A047A)를이용하여 여과한다. 정제된 탄소나노튜브를 80℃ 오븐에서 48시간 건조시켜 KOH처리 활성탄을 얻었다.

실시예 2

3몰의 KOH 수용액 500㎖와 활성탄 50㎎을 사용하고, 80℃에서 24시간 동안 가열하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하여 KOH처리 활성탄을 얻었다.

실시예 3

7몰의 KOH 수용액 500㎖와 활성탄 50㎎을 사용하고, 80℃에서 1시간 동안 가열하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하여 KOH처리 활성탄을 얻었다.

실시예 4

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

이와 같이 혼합된 분말을 슬러리로 제조하기 위하여 결착제인 폴리비닐디플로리덴 용액을 0.1g 첨가한다.

이어 결착제인 폴리비닐디플로리덴 용액이 니켈메쉬 집전체에 견고하게 결착하도록 건조압착을 수행한다. 이때, 건조는 70 ~ 110℃의 온도범위에서 건조시간은 4 ~ 6시간, 압착은 60℃에서 4000psi로 40분간 조건으로 수행하였다.

이와 같이 제조된 전극을 수퍼커패시터용 전극으로 활용한다. 전해질로는 1 mol의 KOH 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 보였고 미처리 활성탄을 이용한 전극보다 5배 이상의 전기화학적 방전성능을 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 KOH처리 활성탄을 사용하여 분말의 비표면적 향상, 기공의 크기 조절, 구조적안정성 등을 통해서 수퍼커패시터의 전극활물질로 이용할 수 있다. 다른 효과는 내부저항이 적으며 안정하여 성능이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제공할 수 있는 효과가 있다. 또 다른 효과는 국내 생산이 가능하여 경제적 효과가 크며, 기존의 수입에 의존 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)와 비교하여 성능 및 수명이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제공하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 1몰 내지 7몰의 KOH수용액과 활성탄을 균일하게 혼합하는 단계; 혼합물을 30℃ ~ 90℃로 1시간 ~ 48시간 동안 가열한 후, 실온으로 방냉하는 단계; 방냉 후 고분자 여과지로 여과하여 얻은 활성탄을 건조시키는 단계;를 거쳐 처리하는 것에 있어서,

   상기 건조단계를 거친 KOH처리 활성탄 분말과 도전제인 케젠블랙 분말을 혼합한 다음 결착제인 폴리비닐디플로리덴 용액을 활성탄 분말에 대하여 3 ~ 10중량%로 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계;

   제조된 슬러리를 니켈메쉬 집전체에 도포 후 25 ~ 80℃에서 4000psi로 20 ~ 40분간 건조 압착하는 단계;를 거쳐 제조하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 KOH 처리를 통한 수퍼커패시터용 전극 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   케젠블랙 분말은 KOH처리 활성탄 분말에 대하여 30중량%로 첨가하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 KOH 처리를 통한 수퍼커패시터용 전극 제조방법.
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