KR101095863B1 - Electrode of super capacitor for high power and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전이금속이 도핑된 3차원 네트워크 구조를 가지는 카본 에어로겔을 이용함으로써 전기전도도를 개선함과 아울러 정전용량을 높일 수 있는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 50 ~ 87wt%.와, 활성탄 5 ~ 20wt%와, 도전제 3 ~ 10wt%와, 결합제 5 ~ 20wt%로 이루어지며, 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 이용함으로써 전기전도도를 개선함과 아울러 전이금속의 화학적 산화 환원 반응을 통하여 정전용량을 높일 수 있는 이점을 가지며, 또한, 전기전도도를 개선함으로써 등가직렬저항이 감소되어 전극과 전해액의 계면에서 전하 전이속도가 증가되고 이로 인해 전류가 정상상태로 도달되는 시간이 빨라져 급속 충/방전이 가능하게 된다. The present invention relates to an electrode of a high output supercapacitor capable of improving electrical conductivity and increasing capacitance by using a carbon aerogel having a three-dimensional network structure doped with a transition metal, and a method of manufacturing the high output supercapacitor according to the present invention. The electrode of the capacitor is composed of a transition metal doped carbon aerogel 50 to 87wt%, activated carbon 5 to 20wt%, conductive agent 3 to 10wt%, binder 5 to 20wt%, the transition metal doped carbon aerogel By using this method, the electroconductivity can be improved and the capacitance can be increased through the chemical redox reaction of the transition metal. Also, by improving the electrical conductivity, the equivalent series resistance is reduced, thereby increasing the charge transfer rate at the interface between the electrode and the electrolyte. This increases the time required for the current to reach a steady state, thereby enabling rapid charge / discharge.

Description

고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법{Electrode of super capacitor for high power and manufacturing method thereof}Electrode of high power super capacitor and its manufacturing method

본 발명은 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전이금속이 도핑된 3차원 네크워크(3D-network) 구조를 가지는 카본 에어로겔, 활성탄 및 도전제를 이용함으로써 전기전도도를 개선함과 아울러 정전용량을 높일 수 있는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode of a high output supercapacitor and a method of manufacturing the same. More particularly, the electrical conductivity is improved by using a carbon aerogel, activated carbon and a conductive agent having a 3D network structure doped with a transition metal. In addition, the present invention relates to an electrode of a high output super capacitor capable of increasing capacitance and a method of manufacturing the same.

스마트그리드(smart grid)는 기존의 전력망에 정보기술을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 차세대 지능형 전력망이다. 이러한 스마트그리드는 밤과 낮 사이, 계절 간 전력부하 격차를 줄여 전력계통 전체의 안정성을 높이며 대용량화, 고출력 밀도 실현과 빠른 응답속도 등을 위해 대용량 에너지 저장장치로 슈퍼 커패시터(super capacitor)가 사용된다. Smart grid is a next-generation intelligent grid that optimizes energy efficiency by integrating information technology into the existing grid to exchange real-time information in both directions. These smart grids use super capacitors as high-capacity energy storage devices to reduce the power load gap between night and day, to improve the stability of the entire power system, to realize high capacity, high power density and fast response speed.

슈퍼 커패시터는 급속 충/방전이 가능하고, 높은 충/방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 다양한 분야의 에너지 저장장치로 사용되는 것으로, 전기 이중층 커패시터(Electric double layer capacitor: EDLC)가 있다. 전기 이중층 커패시터가 적용되는 슈퍼 커패시터 전극은 일반적으로 다공질의 활성탄(activated carbon), 도전제 및 결합제로 이루어진다. Supercapacitors can be used as energy storage devices in various fields due to their rapid charge / discharge, high charge / discharge efficiency, and semi-permanent cycle life. Electric double layer capacitor (EDLC) is used. Supercapacitor electrodes to which an electric double layer capacitor is applied generally consist of porous activated carbon, a conductive agent and a binder.

활성탄은 미세기공으로 이루어진 다공질로서 넓은 비표면적을 가지고 있으므로 활성탄에 (-)를 걸어주면 전해액으로부터 해리되어 나온 (+)이온이 활성제의 기공 내로 들어가서 (+)층을 이루고, 이는 활성제의 계면에 형성된 (-)층과 전기이중층을 형성하면서 전하를 충전시키게 된다. 이러한 활성제로 활성 탄소분말, 탄소 나노튜브(carbon nano tube) 및 탄소 에어로겔(carbon aerogel) 중 하나가 사용된다. 또한, 도전제는 전극물질에 도전성을 부여하기 위해 첨가되는 것으로 카본 블랙(carbon black)이 사용된다.Activated carbon is a microporous porous material with a large specific surface area, so when (-) is applied to activated carbon, (+) ions released from the electrolyte enter the pores of the activator to form a (+) layer, which is formed at the interface of the activator ( The charge is charged by forming a double layer and an electric double layer. As the active agent, one of activated carbon powder, carbon nanotubes and carbon aerogels is used. In addition, the conductive agent is added to impart conductivity to the electrode material, and carbon black is used.

활성탄, 도전제 및 결합제로 이루어지는 종래의 슈퍼 커패시터의 전극의 밀도, 저항 및 충전용량은 활성탄과 도전제의 혼합비와 밀접한 연관 관계를 갖는다. 예를 들어, 도전제의 함량이 증가하면 도전제 물질이 갖는 높은 전기전도도로 인해 저항은 감소하게 되나 활성제에 비해 낮은 비표면적을 가지므로 전체적으로 종래의 슈퍼 커패시터의 충전용량은 감소하게 된다. The density, resistance and charge capacity of the electrode of a conventional supercapacitor composed of activated carbon, a conductive agent and a binder are closely related to the mixing ratio of the activated carbon and the conductive agent. For example, when the content of the conductive agent is increased, the resistance is decreased due to the high electrical conductivity of the conductive material, but since the lower specific surface area is lower than that of the active agent, the charging capacity of the conventional super capacitor is reduced as a whole.

종래의 슈퍼 커패시터는 높은 비표면적을 갖는 활성탄의 함량이 증가하게 되면 정전용량은 증가하지만 상대적으로 도전제의 함량이 낮아져 전기 전도도가 낮아짐으로 저항이 증가되어 슈퍼 커패시터의 고출력 특성을 구현하는데 어려움이 있다.Conventional supercapacitors have an increased capacitance due to an increase in the amount of activated carbon having a high specific surface area, but relatively low content of a conducting agent, resulting in low electrical conductivity, which leads to difficulty in implementing high output characteristics of the supercapacitor. .

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전이금속이 도핑된 3차원 네크워크(3D-network) 구조를 가지는 카본 에어로겔, 활성탄 및 도전제를 이용함으로써 전기전도도를 개선함과 아울러 전이금속의 화학적 산화 환원 반응을 통하여 정전용량을 높일 수 있는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, by using carbon aerogels, activated carbon and conductive agents having a 3D network structure doped with a transition metal to improve electrical conductivity as well as the transition metal. The present invention provides an electrode of a high power super capacitor capable of increasing capacitance through a chemical redox reaction and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 전기전도도를 개선함으로써 등가직렬저항(ESR)이 감소되어 전극과 전해액의 계면에서 전하 전이속도가 증가되고 이로 인해 전류가 정상상태로 도달되는 시간이 빨라져 급속 충/방전이 가능한 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to improve the electrical conductivity, the equivalent series resistance (ESR) is reduced to increase the charge transfer rate at the interface between the electrode and the electrolyte, thereby increasing the time for the current to reach a steady state is possible to fast charge / discharge An electrode of a high output super capacitor and a method of manufacturing the same are provided.

본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔, 활성탄, 도전제 및 결합제 비를 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 50 ~ 87wt%.와, 활성탄 5 ~ 20wt%와, 도전제 3 ~ 10wt%와, 결합제 5 ~ 20wt%로 이루어지는 것을 특징으로 한다. The electrode of the high power supercapacitor of the present invention is a carbon aerogel doped with a transition metal, activated carbon, a conductive agent and a binder ratio of a carbon aerogel doped with a transition metal 50 to 87 wt%, activated carbon 5 to 20 wt%, and a conductive agent 3 ~ It is characterized by consisting of 10wt% and 5 to 20wt% of the binder.

본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 제조방법은 카본 에어로겔을 준비하는 과정과; 상기 카본 에어로겔이 준비되면 카본 에어로겔에 전이금속을 도핑하여 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 제조하는 과정과; 상기 전이금속이 도핑되면 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔에 활성탄과 도전제를 혼합하여 활물질을 제조하는 과정과; 상기 활물질이 제조되면 활물질을 결합제와 혼합하여 슬러리를 제조하는 과정과: 상기 슬러리가 제조되면 슬러리를 집전체에 도포하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Electrode manufacturing method of the high output super capacitor of the present invention comprises the steps of preparing a carbon airgel; Preparing a carbon aerogel doped with a transition metal by doping a transition metal to the carbon aerogel when the carbon aerogel is prepared; Preparing an active material by mixing activated carbon and a conductive agent in a carbon airgel doped with a transition metal when the transition metal is doped; When the active material is prepared, a process of preparing a slurry by mixing the active material with a binder; and when the slurry is prepared, is characterized by consisting of applying the slurry to the current collector.

본 발명은 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법은 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 이용함으로써 전기전도도를 개선함과 아울러 전이금속의 화학적 산화 환원 반응을 통하여 정전용량을 높일 수 있는 이점을 가지며, 또한, 전기전도도를 개선함으로써 등가직렬저항이 감소되어 전극과 전해액의 계면에서 전하 전이속도가 증가되고 이로 인해 전류가 정상상태로 도달되는 시간이 빨라져 급속 충/방전이 가능한 이점을 제공한다.The present invention provides an electrode of a high output supercapacitor and a method of manufacturing the same by using a carbon aerogel doped with a transition metal to improve electrical conductivity and to increase capacitance through chemical redox reaction of the transition metal. In addition, by improving the electrical conductivity, the equivalent series resistance is reduced, thereby increasing the charge transfer rate at the interface between the electrode and the electrolyte, thereby providing the advantage that a rapid charging / discharging is possible because the time is reached to reach a steady state.

도 1은 본 발명의 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔의 제조공정을 나타낸 흐름도,
도 2는 도 1에 도시된 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 이용하한 고출력 슈퍼 커패시터의 전극의 제조공정을 나타낸 흐름도,
도 3은 카본 에어로겔의 투과 전자 현미경 사진
도 4는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극의 대표적인 전기적인 특성을 나타낸 표.
1 is a flow chart showing a manufacturing process of a carbon aerogel doped with a transition metal of the present invention,
FIG. 2 is a flow chart showing a manufacturing process of an electrode of a high output super capacitor using a carbon aerogel doped with a transition metal shown in FIG. 1;
3 is a transmission electron micrograph of a carbon airgel
4 is a table showing representative electrical characteristics of the electrode of the high power super capacitor.

이하, 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of an electrode of a high output supercapacitor of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔, 활성탄, 도전제 및 결합제로 이루어지며, 각각의 비는 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 50 ~ 87wt%.와, 활성탄 5 ~ 20wt%와, 도전제 3 ~ 10wt%와, 결합제 5 ~ 20wt%로 이루어진다. 여기서, 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔은 도 3에서와 같이 3차원 네크워크(3D-network) 구조를 가짐으로써 전기전도도를 개선함과 아울러 전이금속의 화학적 산화 환원 반응을 통하여 정전용량을 높일 수 있게 된다. 또한, 전기전도도를 개선함으로써 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은 도 4에 도시된 표에서와 같이 내부저항(DS-ESR)이 감소되어 전극과 전해액의 계면에서 전하 전이속도가 증가되고 이로 인해 전류가 정상상태로 도달되는 시간이 증가되어 급속 충/방전이 가능한 이점을 제공한다. The electrode of the high power supercapacitor of the present invention is composed of a transition metal doped carbon aerogel, activated carbon, a conductive agent and a binder, each ratio is a transition metal doped carbon aerogel 50 ~ 87wt%., Activated carbon 5 ~ 20wt% And 3 to 10 wt% of a conductive agent and 5 to 20 wt% of a binder. Here, the carbon aerogel doped with a transition metal has a three-dimensional network (3D-network) structure as shown in FIG. 3 to improve electrical conductivity and increase capacitance through chemical redox reaction of the transition metal. . In addition, by improving the electrical conductivity, the electrode of the high-power supercapacitor of the present invention has a reduced internal resistance (DS-ESR) as shown in the table shown in FIG. 4, thereby increasing the charge transfer rate at the interface between the electrode and the electrolyte, and thus the current. The time to reach the steady state is increased to provide the advantage that the rapid charging / discharging is possible.

급속 충/방전이 가능하도록 하는 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은전이금속이 도핑된 카본 에어로겔에 코발트(Co), 루테니움(Ru), 망간(Mn), 바나디움(V), 주석(Sn) 및 리튬(Li) 중 하나의 전이금속이 도핑되고, 도핑된 전이금속은 전구체 형상을 가지며, 전구체의 직경은 20 내지 200nm인 미세입자가 사용된다.The electrode of the high-power supercapacitor of the present invention to enable rapid charge / discharge is cobalt (Co), ruthenium (Ru), manganese (Mn), vanadium (V), tin (Sn) in a carbon aerogel doped with a transition metal. And a transition metal of one of lithium (Li), the doped transition metal has a precursor shape, and fine particles having a diameter of 20 to 200 nm are used.

도전제는 카본 블랙(carbon black)과 슈퍼 피 카본(super-p carbon) 중 하나가 사용되어 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔과 함께 전기전도도를 개선하게 된다. 즉, 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 사용함으로써 도전제를 작게 사용하는 경우에도 전기전도도를 저하시키지 않아 내부저항(DS-ESR)이 커지는 것을 방지할 수 있게 된다. 슈퍼 피 카본(super-p carbon)은 본질적으로 탄소 분자체와 같은 분자체 소재를 고분자 매트릭스에 분산시킨 소재로 기존 고분자 분리막에 대안으로서 공기로부터 질소생산과 같은 기체분리응용으로 개발되고 있다. One of the conductive agents, carbon black and super-p carbon, is used to improve electrical conductivity with carbon aerogels doped with transition metals. That is, the electrode of the high output supercapacitor of the present invention uses a carbon aerogel doped with a transition metal to prevent an increase in the internal resistance (DS-ESR) without lowering the electrical conductivity even when a small amount of the conductive agent is used. . Super-p carbon is essentially a material in which molecular sieve materials such as carbon molecular sieve are dispersed in a polymer matrix, and has been developed for gas separation applications such as nitrogen production from air as an alternative to existing polymer membranes.

활성제와 도전제를 혼합시키는 결합제로는 PTFE(polytetrafluoroethylene), CMC(carboxymethyl cellulose) 및 SBR(stylen-buthylene-rubber) 중 하나가 사용되어 활성제와 도전제가 고르게 혼합되도록 한다. As a binder for mixing the active agent and the conductive agent, one of polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose (CMC) and stylen-buthylene-rubber (SBR) is used to uniformly mix the active agent and the conductive agent.

상기와 같이 구성된 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극의 실시예1(전이금속이 도핑된 카본에어로겔 + 도전제 + 결합제) 및 실시예2(전이금속이 도핑된 카본에어로겔 + 활성탄 + 도전제 + 결합제)는 도 4에서와 같이 종래의 실시예(활성탄 + 도전제)와 비교 시 용량(F), 누설전류(mA.max), 에너지 밀도(Wh/kg) 및 에너지 파워밀도((kW/l)에서 차이가 발생되지 않은 상태에서 내부저항(DS-ESR)이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은 전기전도도를 위해 도전제가 많이 사용됨으로 인한 충전밀도의 저하를 방지함과 아울러 전기전도도를 개선함으로써 내부저항(DS-ESR)이 커지는 것을 방지하여 급속 충/방전을 개선할 수 있게 된다.Example 1 (carbon aerogel + conductive agent + binder doped with a transition metal) and Example 2 (carbon aerogel + activated carbon + conductive agent + binder doped with a transition metal) of the electrode of the high output supercapacitor of the present invention configured as described above 4 shows the capacity (F), leakage current (mA.max), energy density (Wh / kg) and energy power density (kW / l) as compared to the conventional example (active carbon + conductive agent) as shown in FIG. It can be seen that the internal resistance (DS-ESR) is reduced in a state where no difference occurs, as described above, the electrode of the high output supercapacitor of the present invention prevents a decrease in charge density due to the use of a conductive agent for electrical conductivity. In addition, it is possible to improve rapid charge / discharge by preventing electrical resistance (DS-ESR) from increasing by improving electrical conductivity.

충전밀도와 급속 충/방전을 개선할 수 있는 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, a method of manufacturing the electrode of the high output supercapacitor of the present invention which can improve the charge density and the rapid charge / discharge is as follows.

도 1 및 도 2와 같이 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극의 제조방법은 먼저, 카본 에어로겔을 준비한다(S10). 카본 에어로겔이 준비되면 카본 에어로겔에 전이금속을 도핑하여 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 형성한다(S20). 전이금속이 도핑되면 전이금속이 도핑된 카본에로겔에 활성탄과 결합제를 혼합하여 활물질을 제조한다(S30). 활물질이 제조되면 활물질을 결합제와 혼합하여 슬러리를 제조한다(S40). 슬러리가 제조되면 슬러리를 집전체(도시 않음)에 도포(S50)하여 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극을 제조한다. 1 and 2, a method of manufacturing an electrode of the high output supercapacitor of the present invention first prepares a carbon aerogel (S10). When the carbon airgel is prepared, the carbon aerogel is doped with a transition metal to form a carbon aerogel doped with the transition metal (S20). When the transition metal is doped to prepare an active material by mixing the activated carbon and the binder to the carbon metal gel doped with the transition metal (S30). When the active material is prepared, a slurry is prepared by mixing the active material with a binder (S40). When the slurry is prepared, the slurry is applied to a current collector (not shown) (S50) to prepare an electrode of the high output supercapacitor of the present invention.

상기 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극의 제조과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the manufacturing process of the electrode of the high output supercapacitor of the present invention will be described in detail.

카본 에어로겔을 준비하는 과정(S10)은 먼저 레조시놀(resorcinol)과 촉매인 Na2CO3를 증류수에 넣어 혼합한 후 포름알데히드(formaldehyde)를 주입하여 졸(sol)을 제조한다(S11). 졸의 제조 시 레조시놀(1,3-dihydroxybenzene, C6H4(OH)2)과 포름알데히드(HCHO)는 R/F의 몰비가 1:2가 되도록 준비한다. 이와 같이 레조시놀:포름알데히드의 몰 비는 1:2 이고, 레조시놀 : 촉매의 몰비는 500 : 1이 되도록 시료가 준비되면 증류수 25 ~ 35g 에 레조시놀 20 ~ 30g 과 촉매 0.01 ~ 0.1g을 넣어 준 후 약 5 ~ 20분간 혼합한 후 포름알데히드 35 ~ 45g을 넣고 30분 ~ 2시간 정도 혼합하여 졸을 제조한다. 여기서, 촉매는 염기성 촉매인 Na2CO3가 사용되어 RF(resorcinol-formaldehyde)를 중합 반응시키며, 겔입자가 작고 부드러우며 프랙탈(fractal) 응집 즉, 카본 입자가 3차원 네크워크 구조로 연결되도록 한다. In preparing the carbon airgel (S10), first, resorcinol and Na 2 CO 3, which is a catalyst, are mixed in distilled water, and then formaldehyde is injected to prepare a sol (S11). In preparing the sol, resorcinol (1,3-dihydroxybenzene, C 6 H 4 (OH) 2 ) and formaldehyde (HCHO) are prepared so that the molar ratio of R / F is 1: 2. Thus, when the sample is prepared such that the molar ratio of resorcinol: formaldehyde is 1: 2 and the molar ratio of resorcinol: catalyst is 500: 1, 25 to 35 g of distilled water is 20 to 30 g of resorcinol and 0.01 to 0.1 catalyst. After putting g and mixing for about 5 to 20 minutes, formaldehyde is added to 35 ~ 45g 30 minutes to 2 hours to mix to prepare a sol. Here, the catalyst is a basic catalyst Na 2 CO 3 is used to polymerize the RF (resorcinol-formaldehyde), the gel particles are small, soft and fractal (ie, the fractal aggregation, that is, carbon particles are connected in a three-dimensional network structure.

졸이 제조되면 졸을 오븐(도시하지 않음)에서 60 ~ 90℃로 40 ~ 50시간 동안 건조하여 습윤겔을 제조한다(S12). 이와 같이 졸을 건조하여 습윤겔을 제조함으로써 습윤겔의 기계적 강도가 증가되어 파손되기 쉬운 에어로겔이 끊어짐 없이 핸들링할 수 있게 된다. 습윤겔이 제조되면 습윤겔에 포함되는 용매를 20 ~ 30시간 동안 아세톤으로 치환한다(S13). 즉, 수용성 용매를 제거하여 습윤겔의 마지작 상호 연결이 형성된다. 즉, 습윤겔의 기공벽의 표면장력을 최소로 하여 건조되는 동안 최소로 수축될 수 있도록 한다. 또한, 이러한 아세톤 치환 과정을 습윤겔의 뼈대 구조를 형성하여 유지시키게 된다. When the sol is prepared, the sol is dried in an oven (not shown) at 60 to 90 ° C. for 40 to 50 hours to prepare a wet gel (S12). By drying the sol to produce a wet gel as described above, the mechanical strength of the wet gel is increased, and thus the aerogels that are easily broken can be handled without breakage. When the wet gel is prepared, the solvent contained in the wet gel is substituted with acetone for 20 to 30 hours (S13). That is, the aqueous interconnection of the wet gel is formed by removing the water soluble solvent. That is, the surface tension of the pore wall of the wet gel is minimized so that the shrinkage can be minimized during drying. In addition, the acetone substitution process is maintained by forming the skeleton structure of the wet gel.

용매가 아세톤으로 치환되면 아세톤으로 치환된 습윤겔을 20 ~ 30℃에서 10 ~ 30시간 동안 저온 건조한다(S14). 즉, 이러한 저온 건조를 통해 전체적으로 RF 에어로겔은 작은 입자, 높은 표면적, 높은 기계적 강도를 가지며 습윤겔의 밀도를 증가시켜 전기화학 정전용량을 증가시킬 수 있다. 저온 건조가 완료되면 저온 건조된 습윤겔을 40 ~ 80℃에서 10 ~ 30시간 동안 고온 건조하여 RF 에어로겔을 제조한다(S15). RF 에어로겔이 제조되면 RF 에어로겔을 질소 분위기에서 600 ~ 1000℃에서 열분해시켜 카본 에어로겔을 제조한다(S16). When the solvent is substituted with acetone, the wet gel substituted with acetone is dried at a low temperature for 20 to 30 hours at 20 to 30 ° C (S14). That is, through such low temperature drying, the RF aerogel as a whole has small particles, high surface area, high mechanical strength, and can increase the density of the wet gel to increase the electrochemical capacitance. When the low temperature drying is completed, the low temperature dried wet gel is hot dried at 40 to 80 ° C. for 10 to 30 hours to prepare an RF airgel (S15). When the RF airgel is manufactured, the RF airgel is thermally decomposed at 600 to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere to prepare a carbon airgel (S16).

전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 제조하는 과정(S20)은 카본 에어로겔을 분쇄하여 카본 에어로겔 분말을 제조한다(S21). 전이금속 화합물을 증류수에 혼합하여 전이금속 수용액을 제조한다(S22). 여기서, 전이금속 수용액은 전이금속 화합물과 증류수(DI water)로 이루어지며, 전이금속 화합물은 Co(NO3)6H2O, NH4Ru(NO)(NO2)2, Mn(NO3)6H2O, VOSO4 및 LiNO3 중 하나가 사용된다. In the process of preparing a carbon airgel doped with a transition metal (S20), the carbon airgel is pulverized to prepare a carbon airgel powder (S21). The transition metal compound is mixed with distilled water to prepare an aqueous transition metal solution (S22). Here, the aqueous transition metal solution is composed of a transition metal compound and distilled water (DI water), the transition metal compound is Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, NH 4 Ru (NO) (NO 2 ) 2 , Mn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, VOSO 4 and LiNO 3 are used.

전이금속 수용액의 제조가 완료되면 카본 에어로겔 분말에 전이금속 수용액을 함침시킨다(S23). 함침이 완료된 카본 에어로겔 분말을 70 ~ 80℃에서 20 내지 30시간동안 건조하여 소성시켜 카본 에어로겔 분말에 전이금속을 도핑시켜(S24) 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 분말을 제조한다. 이와 같이 제조된 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔의 미세 구조를 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 측정하였으며, 도 3에 도시된 것 같은 결과를 얻었다. 도 3은 카본 입자가 3차원 네트워크 구조로 기공을 형성하고 있음을 나타낸다.When the preparation of the aqueous transition metal solution is completed, the carbon aerogel powder is impregnated with the aqueous transition metal solution (S23). The impregnated carbon airgel powder is dried and calcined at 70 to 80 ° C. for 20 to 30 hours to dope the carbon aerogel powder with a transition metal (S24) to prepare a carbon aerogel powder doped with a transition metal. The microstructure of the carbon aerogel doped with the transition metal thus prepared was measured using a transmission electron microscope (TEM), and the results as shown in FIG. 3 were obtained. 3 shows that the carbon particles form pores in a three-dimensional network structure.

활물질을 제조하는 과정(S30)은 먼저, 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔, 활성탄 및 도전제의 비를 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 50 ~ 87wt%.와, 활성탄 5 ~ 20wt%와, 도전제 3 ~ 10wt%가 되도록 준비한다(S31). 여기서, 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔은 카본 입자들이 응집되어 있는 형태로 서로 연결되어 3차원 네트워크 구조를 가짐으로써 전기전도도를 높일 수 있으며, 전금 금속이 도핑되어 정전용량을 개선시킬수 있게 된다. In the process of preparing the active material (S30), first, the ratio of the carbon aerogel doped with the transition metal, the activated carbon and the conductive agent is 50 to 87wt% of the carbon aerogel doped with the transition metal, 5 to 20wt% activated carbon, and the conductive agent 3 Prepare to be ~ 10wt% (S31). Here, the carbon aerogel doped with the transition metal is connected to each other in the form of agglomerated carbon particles to have a three-dimensional network structure to increase the electrical conductivity, and the electroplated metal can be improved to improve the capacitance.

도전제는 켓첸 블랙(ketchen black)과 슈퍼 피 카본(Super P carbon) 중 하나가 사용되어 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔과 함께 전기전도도를 개선하게 된다. 슈퍼 피 카본은 본질적으로 탄소 분자체와 같은 분자체 소재를 고분자 매트릭스에 분산시킨 소재로 기존 고분자 분리막에 대안으로서 공기로부터 질소생산과 같은 기체분리응용으로 개발되고 있다. 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 50 ~ 87wt%와, 활성탄 5 ~ 20wt%와, 도전제 3 ~ 10wt%가 준비되면 이들을 1차 혼합한다(S32). 1차 혼합이 완료되면 혼합 상태를 확인한 후 다시 일정한 시간동안 혼합하여 활물질을 제조한다(S33).The conductive agent is one of ketchen black and Super P carbon, which improves electrical conductivity with a carbon aerogel doped with a transition metal. Super-P carbon is a material in which molecular sieve materials such as carbon molecular sieve are dispersed in a polymer matrix, and is being developed for gas separation applications such as nitrogen production from air as an alternative to existing polymer membranes. When 50 to 87 wt% of carbon aerogels doped with transition metal, 5 to 20 wt% of activated carbon, and 3 to 10 wt% of conductive agent are prepared, these are first mixed (S32). When the primary mixing is completed, the mixed state is confirmed and then mixed for a predetermined time to prepare an active material (S33).

또한, 슬러리를 제조하는 과정(S40)은 활물질에 결합제를 혼합한다(S41). 여기서, 결합제로는 PTFE(polytetrafluoroethylene), CMC (carboxymethyl cellulose) 및 SBR(stylen-buthylene-rubber) 중 하나가 사용되어 활물질과 고르게 혼합되도록 한다. 활물질에 결합제가 혼합되면 24 ~ 48시간 동안 에이징(aging)시켜 슬러리를 제조한다(S42) 즉, 활물질에 결합제가 혼합되면 24 ~ 48시간 동안 숙성시켜 슬러리의 레올로지를 좋게 하고 기포를 제거시켜 슬러리를 제조한다. 슬러리가 제조되면 이를 집전체(도시 않음)의 표면에 도포(S50)하여 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극을 제조한다. In addition, in the process of preparing the slurry (S40), the binder is mixed with the active material (S41). Here, one of the polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose (CMC) and stylen-buthylene-rubber (SBR) is used as the binder to be evenly mixed with the active material. When the binder is mixed with the active material, the slurry is prepared by aging for 24 to 48 hours (S42). That is, when the binder is mixed with the active material, the slurry is aged for 24 to 48 hours to improve the rheology of the slurry and to remove bubbles. To prepare. When the slurry is prepared, it is applied (S50) to the surface of the current collector (not shown) to prepare the electrode of the high output super capacitor of the present invention.

상기와 같은 제조방법으로 제조되는 본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극은 활물질로 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 사용함으로써 전기전도도를 향상시키고 정전용량을 저하시킬 수 있는 도전제를 가능한 작게 첨가할 수 있게 된다. 이로 인해 전기전도도 개선되어 도3에 도시된 바와 같이 종래의 예에 비해 본 발명의 실시예1 및 2는 출력밀도가 향상되고, 등가직렬저항(DC-ESR)이 감소됨을 알 수 있다. 또한, 임피던스 측정결과 등가직렬저항이 작아지며, 전극과 전해액의 계면에서 전하전이속도가 빠르게 되어 전류가 정상상태에 빨리 도달하여 급속 충/방전이 가능한 이점을 제공하게 되다. The electrode of the high output supercapacitor of the present invention manufactured by the above manufacturing method is capable of adding a small amount of a conductive agent that can improve electrical conductivity and reduce capacitance by using a carbon aerogel doped with a transition metal as an active material. do. As a result, the electrical conductivity is also improved, and thus, as shown in FIG. 3, the first and second embodiments of the present invention have improved output density and reduced equivalent series resistance (DC-ESR). In addition, as the result of impedance measurement, the equivalent series resistance is reduced, and the charge transfer speed is increased at the interface between the electrode and the electrolyte, and the current reaches the steady state quickly, thereby providing the advantage of rapid charge / discharge.

본 발명의 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법은 스마트그리드의 대용량 에너지 저장장치에 적용되는 슈퍼 커패시터에 적용될 수 있다.The electrode of the high output supercapacitor of the present invention and a manufacturing method thereof may be applied to a supercapacitor applied to a large-capacity energy storage device of a smart grid.

Claims (12)

전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 50 ~ 87wt%.와, 활성탄 5 ~ 20wt%와, 도전제 3 ~ 10wt%와, 결합제 5 ~ 20wt%로 이루어지며,
상기 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔은 3차원 네크워크(3D-network) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극.
50 to 87 wt% of carbon aerogels doped with transition metal, 5 to 20 wt% of activated carbon, 3 to 10 wt% of conductive agent, and 5 to 20 wt% of binder,
The carbon aerogel doped with the transition metal has a three-dimensional network (3D-network), characterized in that the electrode of the high power super capacitor.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔은 코발트(Co), 루테니움(Ru), 망간(Mn), 바나디움(V), 주석(Sn) 및 리튬(Li) 중 하나가 도핑되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극. The method of claim 1, wherein the transition metal-doped carbon aerogel is doped with one of cobalt (Co), ruthenium (Ru), manganese (Mn), vanadium (V), tin (Sn) and lithium (Li). Super capacitor electrode, characterized in that the. 제1항에 있어서, 상기 전이금속은 전구체 형상을 가지며,
상기 전구체의 직경은 20 내지 200nm인 미세입자인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극.
The method of claim 1, wherein the transition metal has a precursor shape,
The diameter of the precursor is a super capacitor electrode, characterized in that the fine particles 20 to 200nm.
제1항에 있어서, 상기 도전제는 카본 블랙(carbon black)과 슈퍼 피 카본(super-p carbon) 중 하나인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극. The electrode of claim 1, wherein the conductive agent is one of carbon black and super-p carbon. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 PTFE(polytetrafluoroethylene), CMC(carboxymethylcellulose) 및 SBR(stylen-buthylene-rubber) 중 하나인 것을 특징으로 하는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극.The electrode of claim 1, wherein the binder is one of PTFE (polytetrafluoroethylene), CMC (carboxymethylcellulose) and SBR (stylen-buthylene-rubber). 카본 에어로겔을 준비하는 과정과;
상기 카본 에어로겔이 준비되면 카본 에어로겔에 전이금속을 도핑하여 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 제조하는 과정과;
상기 전이금속이 도핑되면 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔에 활성탄과 도전제를 혼합하여 활물질을 제조하는 과정과;
상기 활물질이 제조되면 활물질을 결합제와 혼합하여 슬러리를 제조하는 과정과:
상기 슬러리가 제조되면 슬러리를 집전체에 도포하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 제조방법.
Preparing a carbon airgel;
Preparing a carbon aerogel doped with a transition metal by doping a transition metal to the carbon aerogel when the carbon aerogel is prepared;
Preparing an active material by mixing activated carbon and a conductive agent in a carbon airgel doped with a transition metal when the transition metal is doped;
Preparing the slurry by mixing the active material with a binder when the active material is prepared:
When the slurry is prepared, the electrode manufacturing method of a high output super capacitor, characterized in that consisting of the process of applying the slurry to the current collector.
제7항에 있어서, 상기 카본 에어로겔을 준비하는 과정은 레조시놀과 촉매인 Na2CO3를 증류수에 넣어 혼합한 후 포름알데히드를 주입하여 졸을 제조하는 과정과;
상기 졸이 제조되면 졸을 오븐에서 60 ~ 90℃로 40 ~ 50시간 동안 건조하여 습윤겔을 제조하는 과정과;
상기 습윤겔이 제조되면 습윤겔에 포함되는 용매를 20 ~ 30시간 동안 아세톤으로 치환하는 과정과;
상기 용매가 아세톤으로 치환되면 아세톤으로 치환된 습윤겔을 20 ~ 30℃에서 10 ~ 30시간 동안 저온 건조하는 과정과;
상기 저온 건조가 완료되면 저온 건조된 습윤겔을 40 ~ 80℃에서 10 ~ 30시간 동안 고온 건조하여 RF(resorcinol-formaldehyde) 에어로겔을 제조하는 과정과;
상기 RF 에어로겔이 제조되면 RF 에어로겔을 질소 분위기에서 600 ~ 1000℃에서 열분해시켜 카본 에어로겔을 제조하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 제조방법.
The method of claim 7, wherein the preparing of the carbon airgel comprises: preparing sol by injecting formaldehyde after mixing resorcinol and Na 2 CO 3, which is a catalyst, in distilled water;
When the sol is prepared, drying the sol at 60 to 90 ° C. for 40 to 50 hours in an oven to prepare a wet gel;
When the wet gel is prepared, replacing the solvent contained in the wet gel with acetone for 20 to 30 hours;
Low temperature drying of the wet gel substituted with acetone when the solvent is substituted with acetone for 10 to 30 hours at 20 to 30 ° C;
When the low temperature drying is complete, the low-temperature drying of the wet gel at high temperature for 10 to 30 hours at 40 ~ 80 ℃ to prepare a RF (resorcinol-formaldehyde) airgel;
When the RF airgel is manufactured, a method of manufacturing an electrode of a high output super capacitor, characterized in that the process of producing a carbon airgel by thermal decomposition of the RF airgel at 600 ~ 1000 ℃ in a nitrogen atmosphere.
제7항에 있어서, 상기 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔을 제조하는 과정은 카본 에어로겔을 분쇄하여 카본 에어로겔 분말을 제조하는 과정과;
전이금속 화합물을 증류수에 혼합하여 전이금속 수용액을 제조하는 과정과;
상기 카본 에어로겔 분말에 상기 전이금속 수용액을 함침시키는 과정과;
상기 함침이 완료된 카본 에어로겔 분말을 70 ~ 80℃에서 20 내지 30시간동안 건조하여 소성시켜 카본 에어로겔 분말에 전이금속을 도핑시키는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 제조방법.
The method of claim 7, wherein the preparing of the transition metal-doped carbon airgel comprises: preparing carbon airgel powder by pulverizing the carbon airgel;
Mixing the transition metal compound with distilled water to prepare an aqueous transition metal solution;
Impregnating the carbon metal airgel powder with the transition metal aqueous solution;
The method of claim 1, wherein the impregnated carbon airgel powder is dried and calcined at 70 to 80 ° C. for 20 to 30 hours to dope the transition metal into the carbon airgel powder.
제9항에 있어서, 상기 전이금속 수용액을 제조하는 과정에서 전이금속 수용액은 전이금속 화합물과 증류수로 이루어지며,
상기 전이금속 화합물은 Co(NO3) 6H2O, NH4Ru(NO)(NO2)2, Mn(NO3) 6H2O, VOSO4 및 LiNO3 중 하나인 것을 특징으로 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 제조방법.
The method of claim 9, wherein the transition metal aqueous solution is made of a transition metal compound and distilled water in the process of preparing the transition metal aqueous solution,
The transition metal compound is one of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, NH 4 Ru (NO) (NO 2 ) 2 , Mn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, VOSO 4 and LiNO 3 Electrode manufacturing method of high power super capacitor.
제7항에 있어서, 상기 활물질을 제조하는 과정은 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔과 활성탄과 도전제의 비가 각각 전이금속이 도핑된 카본 에어로겔 50 ~ 87wt%.와, 활성탄 5 ~ 20wt%와, 도전제 3 ~ 10wt%가 되도록 혼합하여 제조함을 특징으로 하는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 제조방법.According to claim 7, wherein the process of preparing the active material is a carbon aerogel doped with a transition metal, the carbon aerogel doped with a transition metal doped each of the carbon aerogel doped with a transition metal 50 ~ 87wt%, activated carbon 5 ~ 20wt%, and Method of manufacturing an electrode of a high output super capacitor, characterized in that the mixture is prepared so as to be 3 ~ 10wt%. 제7항에 있어서, 상기 슬러리를 제조하는 과정은 활물질에 결합제를 혼합하는 과정과;
상기 활물질에 결합제가 혼합되면 24 ~ 48시간 동안 에이징시켜 슬러리를 제조하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 제조방법.
The method of claim 7, wherein the preparing of the slurry comprises: mixing a binder with an active material;
When the binder is mixed with the active material, the electrode manufacturing method of the high output super capacitor, characterized in that consisting of a process for producing a slurry by aging for 24 to 48 hours.
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