KR101110366B1 - Manufacturing method of carbon nikel composite aerogel and supercapacitor electrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 포름알데히드와 레소시놀의 혼합 용액에 마그네슘 아세테이트를 첨가하여 교반하는 단계와, 25~90℃의 온도에서 상기 마그네슘 아세테이트에 의해 상기 포름알데히드와 레소시놀이 가수분해 축합 반응되어 체인을 형성하고, 상기 체인과 체인이 결합되어 클러스터를 형성하며, 상기 클러스터와 클러스터가 결합되어 네트워크를 이루는 젤화된 조성물이 합성되는 단계와, 상기 젤화된 조성물을 아세톤 또는 메탄올로 용매 치환하는 단계와, 용매 치환된 조성물을 에이징 시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시키는 단계와, 에이징된 조성물에 함유된 용매를 액상의 이산화탄소로 용매치환하는 단계와, 이산화탄소를 초임계 상태로 만들어 이산화탄소로 용매치환된 조성물을 건조하여 RF 에어로젤을 형성하는 단계와, 상기 RF 에어로젤에 대하여 탄화 공정을 실시하여 탄소 에어로젤을 합성하는 단계 및 상기 탄소 에어로젤을 니켈 전구체를 포함하는 니켈 솔루션에 담지하여 탄소니켈복합 에어로젤을 합성하는 단계를 포함하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법 및 이를 이용한 수퍼커패시터 전극의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 짧은 시간 동안에 젤을 형성할 수 있고, 수퍼커패시터용 전극 재료에 적합한 기공 크기 및 기공 구조를 가지며, 에어로젤 내부에 형성된 기공 구조의 파괴 없이도 간단하게 건조가 가능하고, 기공 내부에 니켈 금속을 도입함으로써 전극 저항을 낮출 수 있고 슈도 커패시터 효과에 의하여 축전용량을 향상시킬 수 있으며, 높은 비표면적을 갖는 탄소니켈복합 에어로젤을 제조할 수가 있다.The present invention, the step of adding and stirring magnesium acetate to a mixed solution of formaldehyde and resorcinol, and the formaldehyde and resorcinol hydrolysis condensation reaction by the magnesium acetate at a temperature of 25 ~ 90 ℃ to form a chain Forming a gelled composition, wherein the chain and the chain are combined to form a cluster, and the cluster and the cluster are combined to form a network, and solvent-substituting the gelled composition with acetone or methanol; Aging the substituted composition to reinforce the network structure in the gel; solvent-substituting the solvent contained in the aged composition with liquid carbon dioxide; and drying the solvent-substituted composition with carbon dioxide by making carbon dioxide supercritical. Forming an RF airgel, and with respect to the RF airgel A method of manufacturing a carbon nickel composite airgel, comprising the steps of: synthesizing a carbon airgel by carrying out a oxidization process and supporting the carbon airgel in a nickel solution containing a nickel precursor and synthesizing a carbon nickel composite airgel; and a supercapacitor electrode using the same It relates to a manufacturing method of. According to the present invention, a gel can be formed in a short time, has a pore size and pore structure suitable for an electrode material for a supercapacitor, can be easily dried without destroying the pore structure formed inside the airgel, and nickel inside the pores. By introducing a metal, the electrode resistance can be lowered, the capacitance can be improved by the pseudo capacitor effect, and a carbon nickel composite airgel having a high specific surface area can be produced.

탄소 에어로젤, 탄소니켈복합 에어로젤, 수퍼커패시터, 레소시놀, 포름알데히드 Carbon Aerogels, Carbon Nickel Composite Aerogels, Supercapacitors, Resorcinol, Formaldehyde

Description

탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법 및 이를 이용한 수퍼커패시터 전극의 제조방법{Manufacturing method of carbon nikel composite aerogel and supercapacitor electrode}Manufacturing method of carbon nickel composite airgel and manufacturing method of supercapacitor electrode using same {Manufacturing method of carbon nikel composite aerogel and supercapacitor electrode}

본 발명은 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 짧은 시간 동안에 젤을 형성할 수 있고, 수퍼커패시터용 전극 재료에 적합한 기공 크기 및 기공 구조를 가지며, 에어로젤 내부에 형성된 기공 구조의 파괴 없이도 간단하게 건조가 가능하고, 기공 내부에 니켈 금속을 도입함으로써 전극 저항을 낮출 수 있고 슈도 커패시터 효과에 의하여 축전용량을 향상시킬 수 있으며, 높은 비표면적을 갖는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법 및 이를 이용한 수퍼커패시터 전극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon nickel composite airgel, and more particularly, a gel can be formed in a short time, has a pore size and a pore structure suitable for an electrode material for a supercapacitor, and has a pore structure formed inside the airgel. It can be easily dried without breaking, and by introducing nickel metal into the pores, the electrode resistance can be lowered, and the capacitance can be improved by the pseudo capacitor effect, and the manufacturing method of carbon nickel composite airgel having high specific surface area and the same The manufacturing method of the used supercapacitor electrode is related.

전기 저장 장치인 수퍼커패시터는 전원이 끊어진 경우, 소전력을 공급할 때 주로 쓰인다. 종래의 커패시터에 사용되고 있는 고유물질인 유전체는 없고, 또한 전지와는 다르게, 충방전 시 화학반응을 이용하지도 않는다. 휴대폰, 디지털카메라 등 소형 가전기기에 사용될 수 있으며, 최근에는 수퍼커패시터의 중?대형화가 이루어지고 있다. Supercapacitors, electrical storage devices, are often used to provide low power in the event of a power failure. There is no dielectric material that is inherent to conventional capacitors, and unlike a battery, it does not use a chemical reaction during charging and discharging. It can be used in small home appliances such as mobile phones and digital cameras, and in recent years, large and large sized supercapacitors have been made.

수퍼커패시터는 순간 파워가 크고, 몇 십 초 내에 급속충전이 가능하다. 이와 같은 장점으로 자동차에 탑재될 경우, 엔진이나 연료전지 등 주에너지 장치의 보완용으로 쓰일 수 있다.Supercapacitors have high instantaneous power and can be charged quickly in a few tens of seconds. As such, when mounted in an automobile, it can be used as a complement to main energy devices such as engines and fuel cells.

최근에는 이러한 수퍼커패시터의 전극용 재료로서 탄소 에어로젤에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 탄소 에어로젤(carbon aerogel; CA)은 넓은 비표면적, 큰 기공 체적(pore volume), 높은 전기 전도성과 조절 가능한 기공 구조를 갖는 새로운 다공성 물질(mesoporous material)이다. In recent years, various studies have been made on carbon aerogels as materials for electrodes of such supercapacitors. Carbon aerogels (CA) are new mesoporous materials with large specific surface areas, large pore volumes, high electrical conductivity and adjustable pore structure.

이러한 탄소 에어로젤은 수퍼커패시터(supercapacitor)를 위한 전극, 충전 배터리(rechargeable battery), 촉매담지제 (catalyst support) 및 가스흡착제(gas absorbent) 등으로 다양하게 응용될 있음에도 불구하고, 아직까지는 공정이 간단하면서도 만족할만한 수준의 넓고 균일한 비표면적과 높은 축전용량을 갖는 탄소 에어로젤이 개발되지 못하고 있다. Although the carbon aerogels have various applications such as electrodes for supercapacitors, rechargeable batteries, catalyst support and gas absorbents, the process is still simple. Carbon aerogels with satisfactory wide and uniform specific surface areas and high storage capacities have not been developed.

또한, 탄소 에어로젤 내부에는 균일한 크기의 수많은 기공으로 이루어진 나노다공성 구조를 가지기 때문에, 건조 과정에서 부피 수축 등에 의해 기공 구조가 부분적으로 파괴가 일어나기 쉽기 때문에, 균일한 비표면적과 균일한 축전용량이 확보되지 않는다는 문제점이 있었다. In addition, since the carbon airgel has a nanoporous structure composed of numerous pores of uniform size, the pore structure is easily broken partially due to volume shrinkage during drying, thereby ensuring a uniform specific surface area and a uniform storage capacity. There was a problem that was not.

본 발명의 목적은 짧은 시간 동안에 젤을 형성할 수 있고, 수퍼커패시터용 전극 재료에 적합한 기공 크기 및 기공 구조를 가지며, 에어로젤 내부에 형성된 기공 구조의 파괴 없이도 간단하게 건조가 가능하고, 기공 내부에 니켈 금속을 도입함으로써 전극 저항을 낮출 수 있고 슈도 커패시터 효과에 의하여 축전용량을 향상시킬 수 있으며, 높은 비표면적을 갖는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법을 제공함에 있다. An object of the present invention is to form a gel in a short time, has a pore size and pore structure suitable for the electrode material for the supercapacitor, can be dried easily without breaking the pore structure formed inside the airgel, nickel inside the pores By introducing a metal, it is possible to lower the electrode resistance, improve the capacitance by the pseudo capacitor effect, and provide a method of manufacturing a carbon nickel composite airgel having a high specific surface area.

또한, 본 발명의 목적은 전극 저항이 낮고 높은 비표면적과 축적용량을 갖는 수퍼커패시터의 제조방법을 제공함에 있다.It is also an object of the present invention to provide a method of manufacturing a supercapacitor having low electrode resistance, high specific surface area and accumulation capacity.

본 발명은, 포름알데히드와 레소시놀의 혼합 용액에 마그네슘 아세테이트를 첨가하여 교반하는 단계와, 25~90℃의 온도에서 상기 마그네슘 아세테이트에 의해 상기 포름알데히드와 레소시놀이 가수분해 축합 반응되어 체인을 형성하고, 상기 체인과 체인이 결합되어 클러스터를 형성하며, 상기 클러스터와 클러스터가 결합되어 네트워크를 이루는 젤화된 조성물이 합성되는 단계와, 상기 젤화된 조성물을 아세톤 또는 메탄올로 용매 치환하는 단계와, 용매 치환된 조성물을 에이징 시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시키는 단계와, 에이징된 조성물에 함유된 용매를 액상의 이산화탄소로 용매치환하는 단계와, 이산화탄소를 초임계 상태로 만들어 이산화탄 소로 용매치환된 조성물을 건조하여 RF 에어로젤을 형성하는 단계와, 상기 RF 에어로젤에 대하여 탄화 공정을 실시하여 탄소 에어로젤을 합성하는 단계 및 상기 탄소 에어로젤을 니켈 전구체를 포함하는 니켈 솔루션에 담지하여 탄소니켈복합 에어로젤을 합성하는 단계를 포함하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법을 제시한다. The present invention, the step of adding and stirring magnesium acetate to a mixed solution of formaldehyde and resorcinol, and the formaldehyde and resorcinol hydrolysis condensation reaction by the magnesium acetate at a temperature of 25 ~ 90 ℃ to form a chain Forming a gelled composition, wherein the chain and the chain are combined to form a cluster, and the cluster and the cluster are combined to form a network, and solvent-substituting the gelled composition with acetone or methanol; Aging the substituted composition to reinforce the network structure in the gel, solvent-substituting the solvent contained in the aged composition with liquid carbon dioxide, and making the carbon dioxide supercritical so that the solvent-substituted composition is Drying to form an RF airgel, and with respect to the RF airgel Subjected to drawing process to the step and carried on the nickel solution to the carbon airgel comprises a nickel precursor to synthesize carbon aerogels proposes a method of producing a carbon-nickel composite airgel comprising the steps of synthesizing a carbon-nickel composite airgel.

상기 탄소니켈복합 에어로젤을 합성하는 단계는, 상기 탄소 에어로젤을 상기 니켈 솔루션이 담긴 반응 용기 내에 담지하는 단계와, 상기 니켈 솔루션에 담지된 상기 탄소 에어로젤을 60~120℃의 온도에서 제1 열처리하여 상기 탄소 에어로젤의 기공에 니켈을 형성하는 단계 및 환원 가스, 비활성 가스 또는 환원 가스와 비활성 가스 분위기에서 600~1000℃의 온도 범위로 제2 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. The synthesizing of the carbon nickel composite airgel may include: supporting the carbon airgel in a reaction vessel containing the nickel solution; and first heat treating the carbon airgel supported on the nickel solution at a temperature of 60 to 120 ° C. Forming nickel in the pores of the carbon airgel and the second heat treatment to a temperature range of 600 ~ 1000 ℃ in the reducing gas, inert gas or reducing gas and inert gas atmosphere.

상기 니켈 전구체는 니켈아세테이트테트라하이드레이트이고, 상기 니켈 솔루션은 상기 니켈 전구체, 이소프로필알코올 및 디메틸아민을 포함하는 용액이며, 상기 니켈 전구체는 상기 니켈 솔루션에 0.1~1몰농도 함유되고, 상기 디메틸아민은 상기 니켈 솔루션에 0.1~4몰 함유되며, 상기 이소프로필알코올은 상기 니켈 솔루션에 8~20몰 함유되는 것이 바람직하다. The nickel precursor is nickel acetate tetrahydrate, the nickel solution is a solution containing the nickel precursor, isopropyl alcohol and dimethylamine, the nickel precursor is contained 0.1 to 1 molar concentration in the nickel solution, the dimethylamine is It is preferable that 0.1-4 mol is contained in the said nickel solution, and 8-20 mol is contained in the said nickel solution.

상기 포름알데히드와 상기 레소시놀의 혼합 용액은 상기 포름알데히드와 상기 레소시놀을 증류수에 1~10 M의 농도가 되도록 혼합한 용액이고, 상기 포름알데히드와 상기 레소시놀의 혼합 용액에 상기 레소시놀의 함량과 상기 마그네슘 아세테이트의 함량의 몰비가 50~500이 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. The mixed solution of formaldehyde and the resorcinol is a solution obtained by mixing the formaldehyde and the resorcinol in distilled water so as to have a concentration of 1 to 10 M, and the mixed solution of the formaldehyde and the resorcinol to the The molar ratio of the content of socinol to that of magnesium acetate It is preferable to add so that it may become 50-500.

상기 포름알데히드와 상기 레소시놀의 혼합 용액은 상기 포름알데히드와 상 기 레소시놀이 몰비로 1:1 내지 4:1의 비율로 혼합된 용액인 것인 것이 바람직하다. Preferably, the mixed solution of formaldehyde and resorcinol is a solution in which the formaldehyde and the resorcinol are mixed in a ratio of 1: 1 to 4: 1 in a molar ratio.

상기 에이징은, 젤화된 조성물을 아세톤에 담지하여 25~90℃의 온도 범위에서 실링한 용기 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. It is preferable that the said aging is carried out in the container which carried the gelled composition in acetone and sealed at the temperature range of 25-90 degreeC.

상기 건조는, 이산화탄소가 초임계 상태로 되는 31℃의 온도 및 73 bar의 압력과 같거나 높은 온도 및 압력으로 일정 시간 동안 유지하여 건조하는 것이 바람직하다. The drying is preferably maintained by drying at a temperature and pressure equal to or higher than 31 ° C. and 73 bar at which carbon dioxide is supercritical.

상기 탄화 공정은 환원 가스, 비활성 가스 또는 환원 가스와 비활성 가스 분위기에서 600~1000℃의 온도 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. It is preferable that the said carbonization process is performed in a reducing gas, an inert gas, or a reducing gas and inert gas atmosphere in the temperature range of 600-1000 degreeC.

또한, 본 발명은, 제1항에 기재된 방법으로 제조된 상기 탄소니켈복합 에어로젤을 분말로 분쇄하는 단계와, 분말로 분쇄된 탄소니켈복합 에어로젤 90~98중량%, 전도성 바인더 1~5중량%, 아세틸렌블랙 1~5중량%를 용매에 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계 및 상기 페이스트를 티타늄, 니켈, 알루미늄 호일, 플레이트 또는 메쉬에 50~200㎛ 두께로 도포하여 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수퍼커패시터 전극의 제조방법을 제시한다.In addition, the present invention comprises the steps of pulverizing the carbon nickel composite airgel prepared by the method of claim 1 to powder, 90 to 98% by weight of the carbon nickel composite airgel pulverized into powder, 1 to 5% by weight of the conductive binder, Forming a paste by mixing 1 to 5% by weight of acetylene black in a solvent and applying the paste to a titanium, nickel, aluminum foil, plate or mesh to a thickness of 50 ~ 200㎛ supercapacitor comprising a step The manufacturing method of an electrode is shown.

본 발명에 의한 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법에 의하면, 마그네슘 아세테이트를 이용하여 포름알데히드와 레소시놀을 공중합 반응시킴으로써 짧은 시간 동안에 젤을 형성할 수 있고, 또한 마그네슘 아세테이트의 함량을 조절함으로써 원 하는 기공 크기 및 기공 구조를 갖도록 조절할 수 있는 장점이 있으며, 초임계 이산화탄소를 이용하여 건조함으로써 젤 내부에 형성된 기공 구조의 파괴 없이도 간단하게 건조가 가능하며, 기공 내부에 니켈 금속을 도입됨으로써 전극 저항이 낮아지고, 슈도 커패시터 효과에 의하여 축전용량이 향상되며, 수퍼커패시터용 전극 재료로 사용될 수 있는 넓고 균일한 비표면적을 갖는 탄소니켈복합 에어로젤을 제조할 수 있다. According to the method for preparing a carbon nickel composite airgel according to the present invention, a gel can be formed in a short time by copolymerizing formaldehyde and resorcinol using magnesium acetate, and desired pores are controlled by controlling the content of magnesium acetate. It has the advantage that it can be adjusted to have a size and pore structure, and can be dried easily without destroying the pore structure formed inside the gel by drying with supercritical carbon dioxide, and the electrode resistance is lowered by introducing nickel metal into the pore. In addition, the carbon capacitor composite airgel having a large and uniform specific surface area which can be used as an electrode material for a supercapacitor can be manufactured by improving the capacitance by the pseudo capacitor effect.

본 발명에 의해 제조된 수퍼커패시터 전극은 기공 내부에 니켈 금속을 도입됨으로써 전극 저항이 낮고 슈도 커패시터 효과에 의하여 축전용량이 향상되며, 높은 비표면적을 갖는다.The supercapacitor electrode manufactured according to the present invention has a low electrode resistance by introducing nickel metal into the pores, improves capacitance by the pseudo capacitor effect, and has a high specific surface area.

본 발명의 탄소니켈복합 에어로젤은 수퍼커패시터용 전극재료 뿐만 아니라, 넓은 비표면적 및 높은 축전용량을 이용하여 자동차용 충전 배터리(rechargeable battery)용 재료, 연료전지용 전극재료, 촉매담지체(catalyst support), 가스 흡착제(absorbent), 탈이온 정수용 재료, 2차 전지 등으로 다양하게 적용될 수 있다. The carbon nickel composite aerogel of the present invention is not only an electrode material for a supercapacitor, but also a material for a rechargeable battery for automobiles, an electrode material for a fuel cell, a catalyst support, using a large specific surface area and a high capacitance. It may be variously applied to a gas adsorbent, a material for deionized water purification, a secondary battery, and the like.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It doesn't happen.

탄소니켈복합 에어로젤은(carbon nickel composite aerogel; CA/Ni)은 넓은 비표면적, 큰 기공 체적(pore volume), 높은 전기 전도성과 조절 가능한 기공 구조를 갖는 새로운 다공성 물질(mesoporous material)인 탄소 에어로젤의 기공 내에 니켈을 형성하여 복합화한 물질이다. 탄소 에어로젤의 기공은 대부분 메조기공 크기를 갖는데, 이하에서 메조기공(mesopore)이라 함은 20~500Å 크기의 기공을 의미한다. 또한 마이크로기공(micropore)이라 함은 메조기공보다 작은 기공, 즉 20Å 이하의 기공을 의미하며, 매크로기공(macropore)이라 함은 메조기공보다 큰 기공, 즉 500Å 이상의 기공을 나타낸다. 탄소니켈복합 에어로젤은 탄소 에어로젤을 니켈 솔루션에 담지하고 열처리를 통해 니켈을 탄소 에어로젤의 기공에 채운 것이다.Carbon nickel composite aerogels (CA / Ni) are the pores of carbon airgels, a new porous material with a large specific surface area, large pore volume, high electrical conductivity and an adjustable pore structure. It is a substance formed by complexing nickel in it. Most of the pores of the carbon aerogels have mesopore size. Herein, the mesopore means a pore having a size of 20 to 500 ~. In addition, the micropores (micropore) refers to pores smaller than mesopores, that is, less than 20 microns, and the macropores (pores of macropore) refers to pores larger than the mesopores, that is, more than 500 microns. Carbon nickel composite airgel is a carbon airgel loaded in a nickel solution and heat-treated to fill the pores of the carbon airgel.

전기 이중층(double layer) 커패시터에 저장된 전하는 표면적에 주로 의존하기 때문에 넓은 표면적을 갖는 탄소니켈복합 에어로젤은 주로 수퍼커패시터의 전극 소재로 사용될 수 있다. 또한, 저장되는 전하의 양은 기공의 크기와 기공 구조와도 관련이 있다. 전해질 이온은 마이크로기공(micropore)을 완전하게 통과할 수는 없는데, 이는 전하를 저장할 수 있는 표면적이 작다는 것을 뜻한다. 이러한 탄소니켈복합 에어로젤은 수퍼커패시터(supercapacitor)를 위한 전극 뿐만 아니라, 충전 배터리(rechargeable battery), 촉매담지체 (catalyst support) 및 가스 흡착제(gas absorbent) 등으로 응용될 수 있다. Since the charge stored in an electric double layer capacitor depends mainly on the surface area, a carbon nickel composite airgel having a large surface area can be mainly used as an electrode material of a supercapacitor. The amount of charge stored is also related to the pore size and pore structure. Electrolyte ions cannot penetrate the micropores completely, which means they have a small surface area to store charge. The carbon nickel composite airgel may be applied to not only an electrode for a supercapacitor, but also a rechargeable battery, a catalyst support, a gas absorbent, and the like.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소니켈복합 에어로젤은 솔-젤 공정(sol-gel process)을 통해 레소시놀-포름알데히드, 페놀-푸르푸랄(phenol-furfural), 페놀-레소시놀-포름알데히드 또는 멜라민-폴름알데히드에 기초한 유기 에어로젤의 열분해(pyrolysis)와 니켈의 복합화에 의해 얻을 수 있다. Carbon nickel composite airgel according to a preferred embodiment of the present invention is a resorcinol-formaldehyde, phenol-furfural, phenol-resorcinol-formaldehyde through a sol-gel process Or by pyrolysis of organic airgel based on melamine-formaldehyde and complexation of nickel.

예를 들면, 유기 에어로젤(organic aerogel)은 포름알데히드(formaldehyde)와 레소시놀(resorcinol)의 가수분해-축합 반응(hydrolysis-condensation reaction)에 따라 합성할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 촉매인 마그네슘 아세테이트(magnesium acetate)와 물에 희석한 레소시놀-포름알데히드 혼합물을 공중합하여 유기 에어로젤을 합성할 수 있다. 젤 구조체를 형성하는 경우에 촉매인 마그네슘 아세테이트의 농도는 매우 중요하며, 마그네슘 아세테이트의 양이 증가할수록 밀도는 낮아지고 BET 표면적은 증가하기 때문이며, 이에 따라 탄소니켈복합 에어로젤의 커패시턴스에 영향을 미치기 때문이다. For example, an organic aerogel may be synthesized according to a hydrolysis-condensation reaction of formaldehyde and resorcinol. More specifically, an organic airgel may be synthesized by copolymerizing a catalyst of magnesium acetate and a resorcinol-formaldehyde mixture diluted in water. When forming the gel structure, the concentration of magnesium acetate as a catalyst is very important, because as the amount of magnesium acetate increases, the density decreases and the BET surface area increases. This affects the capacitance of the carbon nickel composite airgel.

레소시놀과 포름알데히드는 폴리머 클러스터(cluster) 교차 결합으로 축합되어 습식 젤 구조체를 형성한다. 젤 구조체는 기공 구조의 파괴를 피하기 위해 초임계 이산화탄소를 이용하여 건조될 수 있다. 이 초임계 건조 공정은 기체-액체 계면의 부존재 때문에 계면장력(interfacial tension) 없이 젤 구조체의 기공 구조를 유지할 수 있게 한다. Resorcinol and formaldehyde are condensed with polymer cluster crosslinks to form a wet gel structure. The gel structure can be dried using supercritical carbon dioxide to avoid destruction of the pore structure. This supercritical drying process makes it possible to maintain the pore structure of the gel structure without interfacial tension due to the absence of the gas-liquid interface.

본 발명의 탄소니켈복합 에어로젤은 불활성 분위기에서 레소시놀-포름알데히드 에어로젤의 열분해와 니켈의 복합화로부터 유도될 수 있다. 이렇게 얻어진 탄소니켈복합 에어로젤은 300~520㎡/g 정도의 단위 질량당 높은 비표면적, 0.2~1.0g/㎤ 정도의 낮은 밀도, 5~50S/㎝ 정도의 우수한 전기 전도성, 99.5% 이상의 탄소 순도를 갖고, 특별한 결합제가 없이도 사용이 가능하다. The carbon nickel composite airgel of the present invention may be derived from pyrolysis of nickel and the resorcinol-formaldehyde airgel in an inert atmosphere. The carbon nickel composite airgel thus obtained has a high specific surface area per unit mass of about 300 to 520 m 2 / g, a low density of about 0.2 to 1.0 g / cm 3, an excellent electrical conductivity of about 5 to 50 S / cm, and a carbon purity of 99.5% or more. It can be used even without a special binder.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a carbon nickel composite airgel according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

증류수가 함유된 반응 용기(예컨대, 비이커)에 포름알데히드(formaldehyde), 레소시놀(resorcinol) 및 마그네슘 아세테이트(magnesium acetate; Mg(Ac)2)를 첨가하고, 일정 시간(예컨대, 1시간~48시간) 동안 상온(예컨대, 10~30℃)에서 교반한다. 예컨대, 증류수 60㎖에 포름알데히드 23.9g(0.29몰)과 레소시놀 16.1g(0.145몰)을 넣어 4.35몰농도가 되도록 혼합한 후, 마그네슘 아세테이트 0.625g(0.0029몰)을 첨가하는 것이 바람직하다. 이때 첨가하는 마그네슘 아세테이트의 농도는 매우 중요하며, 마그네슘 아세테이트의 양이 증가할수록 밀도를 감소시키고 BET 표면적은 증가시키기 때문이며, 이에 따라 탄소 에어로젤의 커패시턴스에 영향을 미치기 때문이다. 이를 고려하여 마그네슘 아세테이트는 0.063~0.625g (0.00029~0.0029몰) 사이의 농도의 범위를 갖도록 한다. Formaldehyde, resorcinol, and magnesium acetate (Mg (Ac) 2 ) are added to a reaction vessel (eg, a beaker) containing distilled water, and for a predetermined time (for example, 1 hour to 48 hours). Agitation at room temperature (eg, 10-30 ° C.). For example, 23.9 g (0.29 mol) of formaldehyde and 16.1 g (0.145 mol) of resorcinol are added to 60 ml of distilled water and mixed to a concentration of 4.35 mol, and then 0.625 g (0.0029 mol) of magnesium acetate is preferably added. At this time, the concentration of magnesium acetate added is very important because, as the amount of magnesium acetate increases, the density decreases and the BET surface area increases, thereby affecting the capacitance of the carbon airgel. Considering this, magnesium acetate should have a concentration range of 0.063 to 0.625 g (0.00029 to 0.0029 moles).

상기 포름알데히드와 상기 레소시놀의 배합 비율(몰비)은 1:1 내지 4:1 (포름알데히드:레소시놀의 몰비로 1~4:1의 비율), 바람직하게는 2:1로 조절하는 것이 바람직하며, 몰비가 상기 범위 밖일 경우, 즉 레소시놀이 상기 배합 비율 보다 높은 경우에는 스프링백 효과가 충분히 일어나지 못하여 완성된 탄소니켈복합 에어로젤의 두께가 감소하기 때문에 기공률이 작고 열전도율이 높은 문제점이 있으며, 포름알데히드가 상기 배합 비율 보다 높은 경우에는 레소시놀과의 반응성이 낮아지고 원료의 비용이 높아진다는 문제점이 발생한다. 따라서, 포름알데히드와 레소시놀을 상기 배합 비율로 배합할 때 경제적이면서도 가장 최적 성능의 탄소니켈복합 에어로젤을 제조할 수 있는 이점이 있다. The mixing ratio (molar ratio) of the formaldehyde and the resorcinol is 1: 1 to 4: 1 (a ratio of 1 to 4: 1 by the molar ratio of formaldehyde to resorcinol), preferably adjusted to 2: 1 When the molar ratio is out of the above range, that is, when the resorcinol is higher than the blending ratio, the springback effect does not occur sufficiently, so that the thickness of the finished carbon nickel composite airgel is reduced, resulting in a small porosity and high thermal conductivity. If the formaldehyde is higher than the blending ratio, there is a problem that the reactivity with resorcinol is lowered and the cost of the raw material is increased. Therefore, when combining formaldehyde and resorcinol in the above mixing ratio, there is an advantage in that it is possible to prepare a carbon nickel composite airgel of the most economical and optimal performance.

교반되어 혼합된 용액은 일정 시간이 지나면 젤화(gelation) 되게 된다. 즉, 상기 혼합 용액을 상온보다는 높은 온도(예컨대, 40~90℃)에서 일정 시간(예컨대, 12~72시간) 동안 방치하게 되면 포름알데히드(formaldehyde)와 레소시놀(resorcinol)의 가수분해-축합 반응(hydrolysis-condensation reaction)에 의해 젤화가 일어난다. 레소시놀과 포름알데히드는 폴리머 클러스터(cluster) 교차 결합으로 축합되어 젤 구조체를 형성하여 젤화된 조성물을 얻을 수 있다. 레소시놀과 포름알데히드는 촉매인 마그네슘 아세테이트에 의하여 체인(chain)을 형성하고, 체인과 체인이 결합된 클러스터(cluster), 그리고 클러스터와 클러스터가 결합하여 에어로젤의 네트워크를 형성한다. The stirred and mixed solution is gelated after a certain time. That is, if the mixed solution is left at a temperature higher than room temperature (for example, 40 to 90 ° C.) for a predetermined time (for example, 12 to 72 hours), hydrolysis-condensation of formaldehyde and resorcinol is performed. Gelation occurs by a hydrolysis-condensation reaction. Resorcinol and formaldehyde can be condensed with polymer cluster crosslinks to form a gel structure to obtain a gelled composition. Resorcinol and formaldehyde form a chain by a catalyst, magnesium acetate, a chain (chain) and clusters (chains), and clusters and clusters combine to form a network of aerogels.

상기 젤화된 조성물에 대하여 아세톤, 메탄올과 같은 용매로 용매 치환하는 공정을 수행한다. 상기 용매 치환은 아세톤, 메탄올 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 용매 치환을 수행함으로써 젤 표면 및 내부에서 증류수가 아세톤과 같은 용매로 치환되어 젤 표면과 내부에 형성된 기공의 표면장력을 낮추어 상압에서 열처리하여도 크랙(crack) 없이 탄소니켈복합 에어로젤을 제조하는 것이 가능하게 된다. 용매 치환 공정은 60~70℃에서 용매에 담지하여 수행될 수 있다. The gelling composition is subjected to a solvent substitution process with a solvent such as acetone and methanol. It is preferable that acetone, methanol, etc. are used for the said solvent substitution. By performing the solvent substitution as described above, distilled water is substituted with a solvent such as acetone on the surface of the gel to lower the surface tension of the pores formed on the surface of the gel and thereby to prepare a carbon nickel composite airgel without cracking even after heat treatment at normal pressure. It becomes possible. The solvent substitution process can be carried out by supporting the solvent at 60 ~ 70 ℃.

용매 치환된 조성물을 에이징(aging)시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시킨다. 상기 에이징은 물질을 적당한 온도에 장시간 방치함으로써 화학적 변화가 완전히 이루어지도록 하는 방법으로서, 용매 치환된 조성물을 60~70℃ 온도에서 일정 시 간(예컨대, 6~48시간) 동안 에이징을 수행하는 것이 바람직하며, 젤 내부의 수분이 용매로 치환되고, 젤의 고체 네트워크가 강화되어서 젤의 강도가 강화되는 이점이 있기 때문에 상기 조건에서 에이징 시키는 것이 바람직하다.Aging of the solvent substituted composition strengthens the network structure inside the gel. The aging is a method for completely chemical change by leaving the material at a suitable temperature for a long time, it is preferable to perform the aging of the solvent-substituted composition at a temperature of 60 ~ 70 ℃ for a certain time (for example 6 to 48 hours). In addition, since the moisture inside the gel is substituted with a solvent and the gel solid network is strengthened, the strength of the gel is enhanced.

젤 형태의 에이징된 조성물은 기공 구조의 파괴를 피하기 위해 초임계 이산화탄소를 이용한 초임계 건조 공정으로 건조될 수 있다. 이 초임계 건조 공정은 기체-액체 계면의 부존재 때문에 계면장력(interfacial tension) 없이 젤 형태의 에이징된 조성물의 기공 구조를 유지할 수 있게 한다. The aged composition in gel form can be dried in a supercritical drying process using supercritical carbon dioxide to avoid breakage of the pore structure. This supercritical drying process makes it possible to maintain the pore structure of the aged composition in gel form without interfacial tension due to the absence of a gas-liquid interface.

이산화탄소(CO2)는 상온 및 상압에서는 기체 상태이지만 임계점(supercritical point)이라고 불리는 일정한 온도 및 고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 상태, 즉 임계 상태가 되며, 이 임계 상태에 있는 이산화탄소를 초임계 이산화탄소유체라고 한다. 초임계 이산화탄소는 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가지며, 확산이 빠르고 열전도성이 높아 에이징된 조성물의 건조 공정에 유용하게 사용될 수 있다. Carbon dioxide (CO 2 ) is a gaseous state at room temperature and atmospheric pressure, but if it exceeds the limit of a certain temperature and high pressure called the supercritical point (e.g., no evaporation process occurs), gas and liquid cannot be distinguished, that is, a critical state, Carbon dioxide in this critical state is called supercritical carbon dioxide fluid. Supercritical carbon dioxide has a molecular density close to a liquid, but has a low viscosity, close to a gas, and can be usefully used in a drying process of an aged composition due to its fast diffusion and high thermal conductivity.

이와 같은 초임계 이산화탄소를 이용한 초임계 건조 공정은 초임계 건조 반응기 안에 에이징된 조성물을 넣은 다음, 액체 상태의 CO2를 펌프를 이용하여 채우고 에이징된 조성물 내부의 아세톤과 같은 용매를 CO2로 치환하는 용매치환 공정을 수행하고, 그 후에 일정 승온 속도(예컨대, 1℃/min)로 일정 온도(예컨대, 40℃)로 올린 다음, 일정 압력(이산화탄소가 초임계 상태가 되는 압력 이상의 압력으로서, 예컨대 100 bar)을 유지하여 이산화탄소의 초임계 상태에서 일정 시간(예컨대, 16시간) 동안 유지한다. 일반적으로 이산화탄소는 31℃의 온도, 73 bar의 압력에서 초임계 상태가 된다. 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 일정 온도 및 일정 압력에서 일정 시간(예컨대, 2~24시간, 바람직하게는 16시간) 동안 유지한 다음, 서서히 압력을 제거하여 초임계 건조 공정을 완료할 수 있다. 상술한 초임계 건조 공정은 저온의 초임계 상태에서 건조를 수행하는 저온 초임계 건조공정으로 고온의 초임계 상태에서 수행하는 공정에 비하여 안전하고 에너지 소모가 작다는 이점이 있다. 또한, 탄소니켈복합 에어로젤의 제조를 위해 아세톤과 같은 휘발성의 용매를 사용하므로 고온의 초임계 공정 보다 안전한 저온 초임계 공정을 이용하는 것이 바람직하다. This supercritical drying process using supercritical carbon dioxide involves placing the aged composition in a supercritical drying reactor, then filling the liquid CO 2 with a pump and substituting CO 2 for a solvent such as acetone in the aged composition. Performing a solvent replacement process, and then raising the temperature to a constant temperature (e.g., 40 ° C) at a constant temperature increase rate (e.g. bar) for a period of time (eg 16 hours) in the supercritical state of carbon dioxide. In general, carbon dioxide is supercritical at a temperature of 31 ° C. and a pressure of 73 bar. The carbon dioxide may be maintained at a constant temperature and a constant pressure at which the carbon dioxide becomes a supercritical state for a predetermined time (for example, 2 to 24 hours, preferably 16 hours), and then gradually depressurized to complete the supercritical drying process. The above-described supercritical drying process is a low temperature supercritical drying process that performs drying in a low temperature supercritical state, and has advantages in that it is safe and consumes less energy than a process performed in a high temperature supercritical state. In addition, since a volatile solvent such as acetone is used for the preparation of the carbon nickel composite airgel, it is preferable to use a low temperature supercritical process that is safer than a high temperature supercritical process.

도 15는 초임계 건조장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 15를 참조하여 초임계 건조장치(100)를 이용하여 건조하는 방법에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다. 15 is a view schematically showing a supercritical drying apparatus. A method of drying using the supercritical drying apparatus 100 will be described in more detail with reference to FIG. 15.

초임계 건조 반응기(110) 안에 에이징된 조성물을 넣고, 이산화탄소(CO2)는 이산화탄소 공급탱크(120)로부터 펌프(pump)(130)에 의해 초임계 건조 반응기(110)로 공급된다. 초임계 건조 반응기(110)에 공급된 액체 상태의 이산화탄소에 의해 에이징된 조성물 내부의 용매가 CO2로 치환되게 된다. 이때, 초임계 건조 반응기(110)의 온도는 상온(10~30℃), 초임계 건조 반응기(110)의 압력은 60~100 bar일 때가 용매치환의 효율이 좋다. 공급되는 이산화탄소는 액체 상태의 이산화탄소 로서 초임계 건조 반응기(110) 내에서 에이징된 조성물 내부의 용매와 용이하게 치환될 수 있으며, 용매가 이산화탄소와 충분히 용매 치환되면 이산화탄소를 초임계 상태로 만들기 위하여 용매를 배수조(140)로 배출하는 것이 바람직하다. The aged composition is placed in the supercritical drying reactor 110, and carbon dioxide (CO 2 ) is supplied from the carbon dioxide supply tank 120 to the supercritical drying reactor 110 by a pump 130. The solvent in the aged composition is replaced by CO 2 by the liquid carbon dioxide supplied to the supercritical drying reactor 110. At this time, the temperature of the supercritical drying reactor 110 is room temperature (10 ~ 30 ℃), the pressure of the supercritical drying reactor 110 is 60 ~ 100 bar when the efficiency of the solvent replacement is good. The carbon dioxide to be supplied is liquid carbon dioxide and can be easily substituted with a solvent in the aged composition in the supercritical drying reactor 110. When the solvent is sufficiently substituted with carbon dioxide, the solvent is changed into a supercritical state. It is preferable to discharge to the drain 140.

가열 수단(미도시)을 이용하여 초임계 건조 반응기(110) 내부의 온도를 일정 온도(예컨대, 40℃) 및 일정 압력(100 bar 또는 100 ㎏f/㎠)으로 올려 이산화탄소가 초임계 상태가 되게 만들고, 초임계 상태에서 일정 시간(예컨대, 6~24시간) 동안 유지하여 에이징된 조성물을 건조한다. 이때, 펌프(130)에 의해 이산화탄소가 펌핑되고 열교환기(150)를 거쳐 일정 온도 및 고압의 초임계 상태로 된 이산화탄소를 초임계 건조 반응기(110)로 공급할 수도 있다. Using a heating means (not shown), the temperature inside the supercritical drying reactor 110 is raised to a constant temperature (eg, 40 ° C.) and a constant pressure (100 bar or 100 kgf / cm 2) so that the carbon dioxide becomes a supercritical state. The dried composition is made and held in a supercritical state for a period of time (eg, 6-24 hours). In this case, the carbon dioxide is pumped by the pump 130 and the carbon dioxide, which is in a supercritical state of a predetermined temperature and a high pressure, may be supplied to the supercritical drying reactor 110 through the heat exchanger 150.

초임계 건조 공정이 완료되면, 밸브(V3)의 개폐를 통해 임계 상태보다 낮은 압력으로 만들어 초임계 건조 반응기(110) 내부의 압력을 서서히 낮춘다. 초임계 이산화탄소는 임계상태보다 낮은 압력으로 인해 이산화탄소로 기체화되며, 기체화된 이산화탄소(CO2)는 기체 공급 탱크(120)로 이송되어 재순환되거나 외부로 배출되게 된다. 미설명된 V1, V2 및 V4는 밸브를 의미한다. When the supercritical drying process is completed, the pressure inside the supercritical drying reactor 110 is gradually lowered by making the pressure lower than the critical state through opening and closing of the valve V3. The supercritical carbon dioxide is gasified to carbon dioxide due to the pressure lower than the critical state, and the gasified carbon dioxide (CO 2 ) is transferred to the gas supply tank 120 to be recycled or discharged to the outside. Unexplained V1, V2 and V4 refer to valves.

상기 CO2 초임계 건조 공정을 수행하게 되면 건조되어 나노 크기(1㎚ 이상 1㎛ 미만의 나노미터 단위의 크기)의 기공을 갖는 다공성의 RF 에어로젤을 얻을 수 있다. When the CO 2 supercritical drying process is performed, the porous RF airgel may be dried to have pores having nano-sized pores having a size of 1 nm or more and less than 1 μm.

건조되어 형성된 RF 에어로젤에 대하여 탄화(carbonization) 공정을 실시한다. 상기 탄화 공정은 비활성 가스, 환원 가스 또는 비활성 가스와 환원 가스 분위 기에서 수행할 수 있다. 상기 비활성 가스는 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스 또는 헬륨(He) 가스 등일 수 있고, 상기 환원 가스는 수소(H2) 가스, 이산화탄소(CO2) 가스 등일 수 있다. 상기 탄화 공정은 600℃~1000℃(바람직하게는 약 800℃ 정도의 온도)의 온도 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 600℃ 이하의 온도에서 탄화 공정을 수행하는 경우에는 탄화가 잘 이루어지지 않고 탄화 시간이 길어지게 되며, 1000℃를 초과하는 온도에서 탄화 공정을 수행하는 경우에는 RF 에어로젤의 응집이 발생하여 미세한 크기의 기공을 갖는 탄소 에어로젤 전극을 얻기가 어렵다. 상기 탄화 공정에 의해 RF 에어로젤은 탄소 에어로젤로 바뀌게 된다. A carbonization process is performed on the dried RF airgel. The carbonization process may be performed in an inert gas, reducing gas or inert gas and reducing gas atmosphere. The inert gas may be nitrogen (N 2 ) gas, argon (Ar) gas, helium (He) gas, or the like, and the reducing gas may be hydrogen (H 2 ) gas, carbon dioxide (CO 2 ) gas, or the like. It is preferable to perform the said carbonization process in the temperature range of 600 degreeC-1000 degreeC (preferably temperature of about 800 degreeC). When the carbonization process is performed at a temperature of 600 ° C. or less, the carbonization is not performed well and the carbonization time is long. When the carbonization process is performed at a temperature exceeding 1000 ° C., the RF airgel agglomerates to produce fine particles. It is difficult to obtain carbon airgel electrodes with pores. The carbonization process converts the RF airgel into a carbon airgel.

이하에서, 상기 탄화 공정에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다. 제1 온도(예컨대, 상온)에서 원하는 탄화 온도(예컨대, 800℃)로 연속 승온하고, 탄화 온도에서 일정 시간(예컨대, 3~5시간) 동안 유지한 후, 상온까지 냉각하는 공정으로 이루어질 수 있다. 이때, 승온 속도는 1~20℃/min 범위로 한다. 일반적으로 승온 속도가 너무 느리면 입자의 성장 속도가 커서 원하는 미세 기공 크기의 탄소 에어로젤을 얻기가 어렵다는 단점이 있다. 퍼니스의 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 5~15℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 이때, 촉매로 사용된 마그네슘 아세테이트는 유기물 성분으로 이루어져 있으므로 300~400℃의 온도가 되면 태워져 없어지게 되며, 탄화 온도는 유기물 성분이 타는 온도보다 높은 온도에서 이루어지므로 탄화 공정이 완료되면 마그네슘 아세테이트 성분은 모두 제거되고, 탄소 성분만이 남아있게 된다. Hereinafter, the carbonization process will be described in more detail. The temperature is continuously increased to a desired carbonization temperature (eg, 800 ° C.) at a first temperature (eg, room temperature), maintained at a carbonization temperature for a predetermined time (eg, 3 to 5 hours), and then cooled to room temperature. . At this time, the temperature increase rate is in the range of 1 to 20 ° C / min. In general, if the temperature increase rate is too slow, it is difficult to obtain a carbon airgel having a desired fine pore size due to the large growth rate of the particles. The cooling of the furnace may be caused to cool down in a natural state by shutting off the furnace power source, or may be cooled by arbitrarily setting a temperature drop rate (for example, 5 to 15 ° C./min). At this time, the magnesium acetate used as a catalyst is composed of an organic component, so it will be burned away when the temperature of 300 ~ 400 ℃, the carbonization temperature is made at a temperature higher than the burning temperature of the organic component, the magnesium acetate component when the carbonization process is completed Is removed and only the carbon component remains.

상기 탄소 에어로젤의 기공 내에 니켈 금속을 도입하여 탄소 에어로젤과 니켈을 복합화하기 위하여, 상기 탄소 에어로젤을 니켈 전구체를 포함하는 니켈 솔루션에 담지하여 탄소니켈복합 에어로젤을 합성한다. In order to complex the carbon airgel and nickel by introducing nickel metal into the pores of the carbon airgel, the carbon airgel is supported on a nickel solution including a nickel precursor to synthesize a carbon nickel composite airgel.

상기 탄소니켈복합 에어로젤의 합성은, 상기 탄소 에어로젤을 니켈 솔루션이 담긴 반응 용기 내에 담지하고, 상기 니켈 솔루션에 담지된 상기 탄소 에어로젤을 60~120℃의 온도에서 제1 열처리(건조)하여 상기 탄소 에어로젤의 기공에 니켈을 형성한 후, 환원 가스, 비활성 가스 또는 환원 가스와 비활성 가스 분위기에서 600~1000℃의 온도 범위로 제2 열처리하는 공정을 포함할 수 있다. In the synthesis of the carbon nickel composite airgel, the carbon airgel is supported in a reaction vessel containing a nickel solution, and the carbon airgel is dried by first heat treatment (drying) the carbon airgel supported on the nickel solution at a temperature of 60 to 120 ° C. After the nickel is formed in the pores, the second heat treatment may be included in a reducing gas, an inert gas or a reducing gas and an inert gas atmosphere in a temperature range of 600 ~ 1000 ℃.

상기 니켈 전구체는 니켈아세테이트테트라하이드레이트(Ni(CH3COO)24H2O)이고, 상기 니켈 솔루션은 상기 니켈 전구체, 디메틸아민((CH3)2NH) 및 이소프로필알코올을 포함하는 용액일 수 있다. 상기 니켈 전구체는 상기 니켈 솔루션에 0.1~1 몰농도 함유되고, 상기 디메틸아민은 상기 니켈 솔루션에 0.1~4몰 함유되며, 상기 이소프로필알코올은 상기 니켈 솔루션에 8~20몰 함유되는 것이 바람직하다. The nickel precursor may be nickel acetate tetrahydrate (Ni (CH 3 COO) 2 4H 2 O), and the nickel solution may be a solution containing the nickel precursor, dimethylamine ((CH 3 ) 2 NH), and isopropyl alcohol. have. The nickel precursor is contained in the nickel solution in a concentration of 0.1 to 1 mole, the dimethylamine is contained in the nickel solution 0.1 to 4 moles, the isopropyl alcohol is preferably contained in the nickel solution 8 to 20 moles.

탄소 에어로젤의 기공 내에 니켈이 형성된 탄소니켈복합 에어로젤을 합성하는 공정을 더욱 구체적으로 설명하면, 예컨대 니켈아세테이트테트라하이드레이트 0.5 몰농도, 디메틸아민 2몰과 이소프로필알코올 16몰의 혼합용액인 니켈(Ni) 솔루션(solution)에 담가 탄소 에어로젤에 니켈 솔루션이 스며들게 한다. 탄소 에어로젤에 니켈 솔루션이 스며들면, 소정 온도(예컨대, 100℃)에서 제1 열처리한 후, 탄 소 에어로젤의 기공에 니켈(Ni)을 형성한다. 상기 제1 열처리에 의해 이소프로필 알콜과 같은 용매 성분은 휘발되어 없어지게 된다. 니켈 솔루션에 탄소 에어로젤을 담그는 과정과 제1 열처리 과정을 반복하여 탄소 에어로젤의 기공 내에 니켈(Ni)이 형성되게 하는 것이 바람직하다. 질소(N2) 가스 분위기에서 600℃~1000℃(바람직하게는 약 800℃ 정도의 온도)의 온도 범위에서 제1 열처리를 하여 탄소니켈복합 에어로젤을 제조할 수 있다. The process for synthesizing the carbon nickel composite airgel in which nickel is formed in the pores of the carbon airgel will be described in more detail. For example, nickel (Ni), which is a mixed solution of 0.5 mol of nickel acetate tetrahydrate, 2 mol of dimethylamine and 16 mol of isopropyl alcohol, is described. Immerse the solution in nickel solution into the carbon airgel. When the nickel solution is infiltrated into the carbon airgel, the first heat treatment is performed at a predetermined temperature (eg, 100 ° C.), and then nickel (Ni) is formed in the pores of the carbon airgel. By the first heat treatment, a solvent component such as isopropyl alcohol is volatilized to disappear. It is preferable to repeat the process of dipping the carbon airgel in the nickel solution and the first heat treatment process to form nickel (Ni) in the pores of the carbon airgel. In the nitrogen (N 2 ) gas atmosphere, the carbon nickel composite airgel may be prepared by performing a first heat treatment at a temperature in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. (preferably about 800 ° C.).

이와 같이 제조된 탄소니켈복합 에어로젤을 이용하여 수퍼커패시터 전극(탄소니켈복합 에어로젤 전극)을 제조할 수 있는데, 먼저 상기 탄소니켈복합 에어로젤을 볼밀링과 같은 공정을 이용하여 분말로 분쇄하고, 분말로 분쇄된 탄소니켈복합 에어로젤 90~98중량%, 전도성 바인더 1~5중량%, 아세틸렌블랙 1~5중량%를 용매에 혼합하여 페이스트를 형성한 후, 상기 페이스트를 티타늄, 니켈, 알루미늄 호일, 플레이트 또는 메쉬 등에 50~200㎛ 두께로 도포하여 수퍼커패시터 전극을 형성할 수 있다. 상기 도포는 닥터블레이드나 롤코팅 등을 이용할 수 있다. 상기 도포 시에 탄소니켈복합 에어로젤의 접착력을 강화하기 위하여 핫플레이트를 이용하여 가열하면서 가압압착할 수 있다.The supercapacitor electrode (carbon nickel composite airgel electrode) may be manufactured using the carbon nickel composite airgel thus prepared. First, the carbon nickel composite airgel is pulverized into a powder using a process such as ball milling, and pulverized into a powder. 90 to 98% by weight of the prepared carbon nickel composite airgel, 1 to 5% by weight of the conductive binder, and 1 to 5% by weight of acetylene black are mixed with a solvent to form a paste, and then the paste is titanium, nickel, aluminum foil, plate or mesh. A supercapacitor electrode can be formed by applying to 50 to 200 micrometer thickness etc. to a back. The application may use a doctor blade or roll coating. In order to reinforce the adhesive strength of the carbon nickel composite airgel at the time of the coating may be press-compression while heating using a hot plate.

이하, 본 발명을 실시예들에 의해 상세히 설명한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. The following examples are merely illustrative of the present invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

반응 용기 내의 증류수 60㎖에 포름알데히드 23.9g과 레소시놀 16.1g을 넣어 4.35M의 농도가 되도록 혼합한 후, 마그네슘 아세테이트 0.625g(CA50), 0.312g(CA100), 0.156g(CA200) 및 0.063g(CA500)을 각각 첨가하여 혼합 용액을 얻었다. 23.9 g of formaldehyde and 16.1 g of resorcinol were added to 60 ml of distilled water in the reaction vessel and mixed to a concentration of 4.35 M, followed by 0.625 g (CA50), 0.312 g (CA100), 0.156 g (CA200), and 0.063 of magnesium acetate. g (CA500) was added respectively to obtain a mixed solution.

상기 혼합 용액을 24시간 동안 25℃에서 교반하였다. The mixed solution was stirred at 25 ° C. for 24 hours.

교반된 상기 혼합 용액을 상온보다는 높은 온도인 60℃에서 24시간 동안 방치하여 포름알데히드(formaldehyde)와 레소시놀(resorcinol)의 가수분해-축합 반응(hydrolysis-condensation reaction)에 의해 젤화가 일어나도록 하였다. 이때, 용매가 증발하면 수축이 일어나기 때문에 반응용기를 밀폐하여 포름알데히드(formaldehyde)와 레소시놀(resorcinol)의 반응이 일어나게 하였다. The stirred solution was allowed to stand for 24 hours at 60 ° C. higher than room temperature to cause gelation by hydrolysis-condensation reaction of formaldehyde and resorcinol. . At this time, since the contraction occurs when the solvent evaporates, the reaction vessel is sealed to allow the reaction between formaldehyde and resorcinol.

젤화된 조성물에 대하여 60℃에서 아세톤으로 용매 치환하는 공정을 24시간 수행하였다. 초임계 건조장치를 이용하여 25℃에서 80bar의 압력으로 액체 이산화탄소로 용매치환하고, 40℃ 온도 및 100bar의 압력 하에서 16시간 동안 CO2 초임계 건조를 통하여 RF 에어로젤을 제조하였다. Solvent substitution of the gelled composition with acetone at 60 ℃ was carried out for 24 hours. The solvent was substituted with liquid carbon dioxide at a pressure of 80 bar at 25 ° C. using a supercritical drying apparatus, and RF aerogels were prepared through CO 2 supercritical drying at 40 ° C. and 100 bar for 16 hours.

건조되어 형성된 RF 에어로젤에 대하여 탄화(carbonization) 공정을 실시하여 탄소 에어로젤을 얻었다. 상기 탄화 공정은 질소(N2) 가스 분위기에서 800℃의 온도로 3시간 동안 수행하였다. Carbonization process was performed on the dried RF airgel to obtain a carbon airgel. The carbonization process was performed at a temperature of 800 ° C. for 3 hours in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1에서 제조한 탄소 에어로젤을 이소프로필알코올 65.5㎖, 니켈아세테이트테트라하이드레이트(Ni(CH3COO)24H2O) 7.1㎖, 디메틸아민((CH3)2NH) 27.4㎖의 혼합용액인 니켈 솔루션에 담그고, 탄소 에어로젤에 니켈 솔루션이 스며들면 100℃에서 건조(제1 열처리)한 후, 탄소 에어로젤을 니켈 솔루션에 다시 담그고 100℃에서 건조하는 공정을 3번 반복하여 탄소 에어로젤의 기공에 니켈 용액을 침적시킨다. 질소(N2) 가스 분위기에서 800℃의 온도에서 제2 열처리를 하여 탄소니켈복합 에어로젤을 제조한다.The carbon airgel prepared in Example 1 was a mixed solution of 65.5 ml of isopropyl alcohol, 7.1 ml of nickel acetate tetrahydrate (Ni (CH 3 COO) 2 4H 2 O), and 27.4 ml of dimethylamine ((CH 3 ) 2 NH). After dipping in the nickel solution, the carbon airgel is impregnated with the nickel solution, it is dried at 100 ° C. (first heat treatment), and the carbon airgel is again immersed in the nickel solution and dried at 100 ° C. three times. Dip the solution. A carbon nickel composite airgel is prepared by performing a second heat treatment at a temperature of 800 ° C. in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere.

<실시예 3><Example 3>

실시예 2에서 제조한 탄소니켈복합 에어로젤을 유발에서 분쇄한 후 지르코니아볼을 사용하여 14시간 밀링하여 입도가 110㎛ 크기의 입자로 분쇄한 후, 탄소니켈복합 에어로젤 90중량%, 전도성 바인더인 PTFE(폴리테트라플로로에틸렌) 5중량%, 아세틸렌블랙 5중량%가 되도록 혼합하고, 이소프로필알코올을 첨가하여 페이스트를 제조하였다. 탄소니켈복합 에어로젤 페이스트를 롤밀링하여 혼합이 잘 되도록 한 후 150㎛ 두께가 되도록 티타늄 플레이트, 니켈메쉬, 니켈호일, 에칭처리된 알루미늄 호일 각각에 도포하였다. 도포는 닥터블레이드나 롤코팅으로 하였으며, 그라파이트 본드를 사용하여 탄소니켈복합 에어로젤의 접착력을 강화하기 위하여 핫플레이트를 이용하여 가열하면서 가압접착하였다. 형성된 수퍼커패시터 전극을 2M 농도 의 황산에서 24시간 동안 담지하여 전극을 활성화하였다. 그 후에 풀셀 전극테스트는 음극과 양극을 동일한 수퍼커패시터 전극을 사용하여 2M 황산용액에서 1~5mA/㎠의 범위의 일정전류 하에서 대시간 전위변화측정법(Chronopotentiometry)으로 0~1V의 범위에서 충전과 방전시험을 행하여 충전용량을 계산하였다. 그리고 1~100mV/s의 스캔속도로 0~1V의 범위에서 순환전압전류시험(Cyclic voltammetry)을 행하였다. The carbon nickel composite airgel prepared in Example 2 was ground in a mortar and then milled for 14 hours using zirconia balls to be pulverized into particles having a particle size of 110 μm, followed by 90 wt% of the carbon nickel composite airgel and PTFE as a conductive binder. 5% by weight of polytetrafluoroethylene) and 5% by weight of acetylene black were mixed, and a paste was prepared by adding isopropyl alcohol. The carbon nickel composite airgel paste was roll milled to be mixed well and then applied to each of titanium plate, nickel mesh, nickel foil, and etched aluminum foil to a thickness of 150 μm. The coating was performed by a doctor blade or a roll coating, and was pressure-bonded by heating using a hot plate to enhance adhesion of the carbon nickel composite airgel using graphite bonds. The formed supercapacitor electrode was supported for 24 hours in sulfuric acid at 2M concentration to activate the electrode. Subsequently, the full-cell electrode test uses the same supercapacitor electrode for charging and discharging in the range of 0 to 1 V using Chronopotentiometry under a constant current in the range of 1 to 5 mA / cm 2 in 2M sulfuric acid solution. The test was performed to calculate the filling capacity. Cyclic voltammetry was then performed at a scan speed of 1 to 100 mV / s in the range of 0 to 1 V.

본 발명은 하기의 실험예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실험예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 이하에서, RF50, RF100, RF200 및 RF500은 RF 에어로젤을 제조할 때 첨가하는 레소시놀의 함량과 마그네슘 아세테이트의 함량의 비를 의미하고, CA50, CA100, CA200 및 CA500은 탄소 에어로젤을 제조할 때 첨가하는 레소시놀의 함량과 마그네슘 아세테이트의 함량의 비를 의미한다. 예를 들면, RF50 또는 CA50에서 '50'은 레소시놀을 기준으로 마그네슘 아세테이트의 몰비를 나타내는 것이며 레소시놀과 포름알데히드의 함량은 40을 기준으로 한다. CA50/Ni, CA100/Ni, CA200/Ni 및 CA500/Ni은 탄소 에어로젤의 기공에 니켈이 형성되어 복합화된 탄소니켈복합 에어로젤을 나타낸다. The present invention is described in more detail with reference to the following experimental examples, which do not limit the present invention. Hereinafter, RF50, RF100, RF200 and RF500 refers to the ratio of the content of resorcinol and magnesium acetate added when manufacturing the RF airgel, CA50, CA100, CA200 and CA500 is added when preparing the carbon airgel It means the ratio of the content of resorcinol and the content of magnesium acetate. For example, '50' in RF50 or CA50 represents the molar ratio of magnesium acetate based on resorcinol and the content of resorcinol and formaldehyde is 40. CA50 / Ni, CA100 / Ni, CA200 / Ni, and CA500 / Ni refer to a composite carbon nickel airgel formed by forming nickel in the pores of the carbon airgel.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 RF 에어로젤의 푸리에변환(Fourier Transfrom; FT)한 적외선(Infrared Ray; IR) 분광곡선을 나타낸 것이다. RF 에어로젤에서, OH와 CH2의 스트레칭 모드는 3385㎝- 1와 2935㎝-1에서 나타났다. 아로마틱 C=C 스트레칭 흡수 밴드는 1605㎝-1에 나타나는데, 이는 레소시놀의 더블본드와 관련이 있다고 생각된다. 1218㎝-1과 1085㎝-1의 밴드는 CH2-O-CH2에 기인하는 것으로 레소시놀과 포름알데히드가 다중 축합반응에 의하여 형성된 것으로 보인다. 레소시놀과 포름알데히드는 촉매인 마그네슘 아세테이트에 의하여 체인을 형성하고, 체인과 체인이 결합된 클러스터, 그리고 클러스터와 클러스터가 결합하여 에어로젤 네트워크를 형성한다. FIG. 1 shows Fourier Transfrom (FT) Infrared Ray (IR) spectral curves of an RF airgel prepared according to Example 1. FIG. In the RF airgel, OH and CH 2 stretching mode is 3385㎝ - appeared in the first and 2935㎝ -1. The aromatic C = C stretching absorption band appears at 1605 cm −1 , which is thought to be related to the double bond of resorcinol. The bands of 1218 cm -1 and 1085 cm -1 are due to CH 2 -O-CH 2 , and it appears that lesosinol and formaldehyde were formed by multiple condensation reactions. Resorcinol and formaldehyde form a chain by magnesium acetate as a catalyst, and the chain and the cluster to which the chain is coupled, and the cluster and the cluster are combined to form an airgel network.

도 2는 실시예 1에 따라 제조된 탄소 에어로젤을 실시예 2에 따라 니켈 솔루션에 담지하여 100℃에서 열처리 후 탄소 에어로젤의 기공에 니켈이 형성된 탄소니켈복합 에어로젤을 푸리에변환한 적외선 분광 곡선을 나타내며, 마그네슘 아세테이트 양의 변화에 따른 곡선을 나타낸다. 탄소 기공에 니켈이 형성된 에어로젤에서는 OH의 스트레칭 모드가 3437㎝-1에서 나타나고, 푸리에변환한 적외선 분광 데이터(FT-IR 데이터)는 촉매의 양에 따른 변화는 나타나지 않으며, COO- 의 스트레칭 모드는 1576㎝-1 과1404㎝-1에서 나타나고, 니켈 솔루션의 니켈아세테이트테트라하이레이트에서 기인한 것이다. 카본화를 진행한 후에는 1605㎝-1에서 C=C의 아로마틱 스트레칭 모드는 사라졌다. 2 shows an infrared spectral curve obtained by Fourier transforming a carbon nickel composite airgel in which nickel was formed in pores of the carbon airgel after heat treatment at 100 ° C. in a carbon airgel prepared according to Example 1, in a nickel solution according to Example 2, Curves with varying amounts of magnesium acetate are shown. In the carbon airgel pores nickel is formed, the stretching mode of the OH appears in 3437㎝ -1, Fourier transform infrared spectroscopy data (FT-IR data) will not appear is changed according to the amount of catalyst, COO - stretching mode of the 1576 It appears in ㎝ -1 and 1404㎝ -1, have originated from nickel acetate tetrahydrate high rate of nickel solution. After carbonization, the aromatic stretching mode of C = C disappeared at 1605 cm -1 .

도 3은 실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극(탄소니켈복합 에어로젤 전극)을 전기특성 평가 후 푸리에변환한 적외선 분광 곡선을 나타내며, 마그네슘 아세테이트 양의 변화에 따른 곡선을 나타낸다. 탄소니켈복합 에어로젤에서는 OH의 스트레칭 모드가 3382㎝-1에서 나타나고, CH2의 밴드는 1630㎝-1에서 나타난다. 푸리에변환한 적외선 분광 데이터(FT-IR 데이터)는 촉매의 양이 작을수록 OH의 피크가 커지는데, 적은 양의 촉매를 첨가하였을 때, 물의 흡착양이 많은 것으로 보여진다. 1245㎝-1 와 1085㎝-1 는 C-O 스트레칭 모드이며 635㎝-1 와 868㎝-1 은 S-O 스트레칭모드이며 이는 2M의 H2SO4의 전해질로 인해 기인하였다. 카본화를 진행한 후에는 1605㎝-1에서 C=C의 아로마틱 스트레칭 모드는 사라졌다. 3 shows a Fourier transform infrared spectral curve of the supercapacitor electrode (carbon nickel composite airgel electrode) prepared according to Example 3 after the evaluation of electrical properties, and shows a curve according to the change of magnesium acetate amount. The nickel complex of carbon airgel stretch mode of OH appears in 3382㎝ -1, bands of CH 2 is shown in 1630㎝ -1. The Fourier transformed infrared spectroscopy data (FT-IR data) shows that the smaller the amount of the catalyst, the larger the peak of OH. When a small amount of the catalyst is added, the amount of adsorption of water is increased. 1245cm -1 and 1085cm -1 are the CO stretching mode and 635cm -1 and 868cm -1 are the SO stretching mode due to the electrolyte of 2M H 2 SO 4 . After carbonization, the aromatic stretching mode of C = C disappeared at 1605 cm -1 .

도 4a는 실시예 1에 따라 제조된 탄소 에어로젤에 대하여 532㎚의 레이저에 의해서 산란된 라만 분광 피크들을 나타낸 것이다. 1342㎝-1와 1586㎝-1에서 탄소에 기인하는 피크가 나타나는데, 처음 피크는 D 밴드(D-band)에 기인하고 결함이 있는 그라파이트 피크이며, 두 번째 피크는 G-밴드(G-bad) 피크로 그라파이트(graphite)를 나타내는 것이다. CA50의 D 밴드는 넓고 G 밴드의 강도는 다른 샘플보다 약간 높다. 이는 그라파이트 결합이 다른 탄소 에어로젤의 샘플보다 더 발달하였기 때문이라고 생각된다. 4A shows Raman spectral peaks scattered by a laser of 532 nm for a carbon aerogel prepared according to Example 1. FIG. At 1342 cm -1 and 1586 cm -1 , peaks attributable to carbon appear, the first being attributable to the D-band and the defective graphite peak, and the second at G-bad. The peaks represent graphite. The D band of the CA50 is wide and the intensity of the G band is slightly higher than that of the other samples. This is thought to be because graphite bonds are more developed than samples of other carbon aerogels.

도 4b는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤에 대하여 532㎚의 레이저에 의해서 산란된 라만 분광 피크들을 나타낸 것으로서, 도 4a에 나타난 라만 분광 피크와 유사하나 샘플 CA200/Ni와 CA500/Ni는 도 4a의 CA200과 CA500 보다 G 밴드가 날카롭게 나타나며 -14㎝-1 만큼 시프트 되었다. 이는 니켈복합화를 통해 그라파이트가 발달하였음을 나타낸다. FIG. 4b shows Raman spectral peaks scattered by a laser of 532 nm for a carbon nickel composite airgel prepared according to Example 2, similar to the Raman spectral peak shown in FIG. 4a but with samples CA200 / Ni and CA500 / Ni G bands appear sharper than CA200 and CA500 of FIG. 4A and are shifted by -14 cm -1 . This indicates that graphite was developed through nickel complexation.

도 5는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤에 대한 것으로서, 마그네슘 아세테이트 촉매 비에 따른 X선회절 (X-ray Diffraction; XRD) 패턴을 나타낸 것이다. CA50/Ni의 피크를 보면 다른 샘플들과는 달리 그라파이트 피크 패턴이 나타나지 않으며 촉매의 양이 많을수록 그라파이트 피크를 더 잘 나타낸다, 이는 니켈복합화를 통해 니켈나노결정이 그라파이트 생성에 기여하기 때문이라고 생각된다. 5 is for the carbon nickel composite airgel prepared according to Example 2, it shows an X-ray diffraction (XRD) pattern according to the magnesium acetate catalyst ratio. When looking at the peak of CA50 / Ni, unlike other samples, no graphite peak pattern is observed, and the higher the amount of catalyst, the better the graphite peak is thought to be because nickel nanocrystals contribute to the graphite formation through nickel complexation.

도 6은 실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극에 대한 것으로서, 2M H2SO4 전해질에 24시간 담지 후 X선회절(X-ray Diffraction; XRD) 패턴을 나타낸 것이다. CA50/Ni-CA500/Ni에서 2M H2SO4 전해질로 인해 니켈이 산화되어 산화니켈 피크가 생성되었다. FIG. 6 shows a supercapacitor electrode prepared according to Example 3, and shows an X-ray diffraction (XRD) pattern after 24 hours in 2M H 2 SO 4 electrolyte. Nickel was oxidized in the CA50 / Ni-CA500 / Ni due to the 2M H 2 SO 4 electrolyte resulting in a nickel oxide peak.

도 7은 실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극에 대한 것으로서, 전기특성 평가 후 X선회절(X-ray Diffraction; XRD) 패턴을 나타낸 것이다. CA50/Ni, CA100/Ni, CA500/Ni에서 충방전 전기특성 평가 후 2M H2SO4 전해질의 SO4 -2와 카본이 반응하여 탄소 에어로젤 기공 내에 황이 생성된 것으로 생각되어지며 CA50/Ni-CA500/Ni에서 2M H2SO4 전해질로 인해 니켈이 산화되어 산화니켈이 생성되었다. FIG. 7 illustrates a supercapacitor electrode manufactured according to Example 3, and shows an X-ray diffraction (XRD) pattern after electric property evaluation. After charging / discharging electrical characteristics of CA50 / Ni, CA100 / Ni, and CA500 / Ni, SO 4 -2 and carbon in 2M H 2 SO 4 electrolyte reacted to produce sulfur in carbon airgel pores. The 2M H 2 SO 4 electrolyte at / Ni causes nickel to oxidize to form nickel oxide.

탄소니켈복합 에어로젤(CA/Ni)의 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller)식 을 이용하여 질소 흡착/탈착 법에 의하여 측정하였다. 도 8a에서 나타낸 바와 같이 마그네슘 아세테이트의 몰비를 달리할수록 다른 특징을 나타내었다. 도 8a는 실시예 1에 따라 제조된 탄소 에어로젤에 대한 질소 흡탈착 결과를 도시한 그래프로서, 도 8a에서 'Ads'는 질소 흡착의 경우를 나타내고, 'Des'는 질소 탈착의 경우를 나타낸다. The specific surface area of the carbon nickel composite airgel (CA / Ni) was measured by nitrogen adsorption / desorption method using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) equation. As shown in FIG. 8a, different molar ratios of magnesium acetate showed different characteristics. FIG. 8A is a graph illustrating nitrogen adsorption and desorption results for the carbon airgel prepared according to Example 1, where 'Ads' represents a case of nitrogen adsorption and 'Des' represents a case of nitrogen desorption.

탄소니켈복합 에어로젤의 비표면적은 BET 모델로 계산하였는데, 도 8a에 나타난 바와 같이 히스테리시스 루프의 모양은 촉매의 양, 즉 R 비율(레소시놀의 몰(mol) /촉매의 몰)의 변화에 따라서 다른 경향을 나타내었다. CA50/Ni의 경우 전형적인 I-V(전류-전압) 유형의 특성을 나타내었는데, 이는 메조기공(mesopore)으로 이루어진 다공체인 것을 의미한다. CA50/Ni의 흡착곡선은 상대기압(상대압력)이 0.8까지는 일정한 속도로 증가하다가 급작스럽게 흡착량이 증가한 다음, 탈착 시는 보다 낮은 상대기압에서 탈착량이 많아지고 그 다음에 일정한 속도로 감소한다. 이때 CA50/Ni의 최대 흡착량은 432㎤/g 이었으며, CA100/Ni의 경우 373㎤/g, CA200/Ni는 281㎤/g, CA500/Ni는 133㎤/g의 값을 나타내었다. 최대흡착량을 통하여 CA50/Ni이 가장 많은 메조기공으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 즉 R 비율(Resorcinol의 mol/촉매의 mol)이 가장 낮은 값, 다시 말하면 촉매의 양이 가장 많을 때 메조기공률이 가장 크다는 것을 알 수 있다. The specific surface area of the carbon nickel composite airgel was calculated by the BET model. As shown in FIG. 8A, the shape of the hysteresis loop was changed according to the amount of catalyst, that is, the R ratio (mol of resorcinol / mol of catalyst). Another trend was shown. In the case of CA50 / Ni, typical I-V (current-voltage) type characteristics were shown, which means that it is a porous body composed of mesopores. The adsorption curve of CA50 / Ni increases at a constant rate until the relative pressure (relative pressure) reaches 0.8, then suddenly increases the amount of adsorption, and then at the lower relative pressure, the amount of desorption increases and then decreases at a constant rate. At this time, the maximum adsorption amount of CA50 / Ni was 432 cm 3 / g, 373 cm 3 / g for CA100 / Ni, 281 cm 3 / g for CA 200 / Ni, and 133 cm 3 / g for CA 500 / Ni. The maximum adsorption amount shows that CA50 / Ni is composed of the most mesopores. That is, it can be seen that the mesoporosity is the highest when the R ratio (mol of Resorcinol / mol of catalyst) is the lowest value, that is, the amount of catalyst is the highest.

도 8b에서는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤의 기공크기 분포도를 나타내었다. CA50/Ni의 기공 크기는 22~65㎚이었으며, CA100/Ni은 17~46㎚, CA200/Ni은 15~28㎚이었으며, CA500/Ni은 1.9~4.3㎚이었다. CA50/Ni와 CA100/Ni의 경우 기공 크기는 수십나노미터 크기로 거의 비슷한 수준이었지만, CA200/Ni과 CA500/Ni로 갈수록 매우 작은 기공으로 이루어져 있는 것을 알 수 있다. 도 9d에 나타낸 전자현미경 미세구조에서 보는 바와 같이 CA500/Ni의 경우, 아주 큰 기공으로 이루어진 매크로 기공으로 이루어져 있고, 탄소 입자의 크기도 1㎛ 이상으로 큰 것을 알 수 있다. 표 1은 탄소니켈복합 에어로젤의 R 비율에 따른 기공의 특성을 분석한 것이다. Figure 8b shows the pore size distribution of the carbon nickel composite airgel prepared according to Example 2. The pore size of CA50 / Ni was 22-65 nm, CA100 / Ni was 17-46 nm, CA200 / Ni was 15-28 nm, and CA500 / Ni was 1.9-4.3 nm. In the case of CA50 / Ni and CA100 / Ni, the pore size was about the same as the size of several tens of nanometers. As shown in the electron microscope microstructure shown in FIG. 9D, in the case of CA500 / Ni, it is composed of macropores composed of very large pores, and the size of the carbon particles is also larger than 1 μm. Table 1 analyzes the pore characteristics according to the R ratio of the carbon nickel composite airgel.

CA50/NiCA50 / Ni CA100/NiCA100 / Ni CA200/NiCA200 / Ni CA500/NiCA500 / Ni BET (m2/g)BET (m 2 / g) 513513 508508 361361 352352 기공 부피
(cc/g)
Pore volume
(cc / g)
V mesoV meso 0.4890.489 0.3980.398 0.3080.308 0.060.06
V microV micro 0.1760.176 0.1710.171 0.1220.122 0.1460.146 V macroV macro 1.8651.865 2.3012.301 1.7641.764 1.9921.992 기공 크기(Å)Pore size 284.7284.7 291.6291.6 283.6283.6 41.3441.34 밀도(g/cc)Density (g / cc) 0.2980.298 0.3100.310 0.3200.320 0.3200.320

BET 비표면적의 경우 CA50/Ni이 513㎡/g으로 가장 크고, 그 다음으로는 CA100/Ni이 508㎡/g이었으며, CA200/Ni은 361㎡/g으로 그 다음이었으며, CA500/Ni은 352㎡/g의 값을 나타내었다. 기공 체적(부피)에 있어서 CA50/Ni의 메조기공 체적이 가장 큰 값은 0.49cc/g이었고, CA100/Ni은 0.40cc/g으로 낮았고, 점차적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 미세기공의 경우 CA50/Ni의 경우 0.17cc/g이었고, CA100/Ni도 거의 동일한 수준이었으며, CA200/Ni과 CA500/Ni은 약간 낮은 0.12~0.15cc/g 값을 나타내었다. 매크로 기공의 경우 CA50/Ni과 CA100/Ni은 1.9~2.3cc/g 정도의 값을 타내었지만, CA200/Ni과 CA500/Ni의 경우는 1.8~2.0g/cc 정도로 비슷한 값을 나타내었다. 밀도값의 경우 CA50/Ni는 0.298g/㎤에서 점차적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, CA500/Ni의 경우 0.320g/㎤으로 가장 큰 값을 보였다. For BET specific surface area, CA50 / Ni was the largest with 513㎡ / g, followed by CA100 / Ni with 508㎡ / g, followed by CA200 / Ni with 361㎡ / g and CA500 / Ni with 352㎡ The value of / g is shown. In the pore volume (volume), the largest mesopore volume of CA50 / Ni was 0.49 cc / g, and CA100 / Ni was low at 0.40 cc / g, and gradually decreased. In the case of micropores, CA50 / Ni was 0.17cc / g, and CA100 / Ni was almost the same level. CA200 / Ni and CA500 / Ni showed slightly lower values of 0.12 ~ 0.15cc / g. In the case of macropores, CA50 / Ni and CA100 / Ni showed values of 1.9∼2.3cc / g, while CA200 / Ni and CA500 / Ni showed similar values of 1.8∼2.0g / cc. In the case of the density value, CA50 / Ni showed a tendency to increase gradually at 0.298 g / cm 3, and CA500 / Ni showed the highest value at 0.320 g / cm 3.

도 9a 내지 도 9d는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤(CA/Ni)의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진을 나타낸 것이다. CA50/Ni, CA100/Ni 및 CA200/Ni의 경우 10㎚ 크기의 입자들로 이루어져 있는 것을 알 수 있고, 나노입자들의 클러스터(cluster)가 서로 연결되어 있는 미세구조를 나타낸다. 하지만, CA500/Ni 경우 입자의 크기가 1㎛ 이상의 큰 입자들로 구성되어 있음을 알 수 있다. 따라서 CA500/Ni 경우 미세기공이나 매크로 기공으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 9a to 9d show a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope; SEM) photograph of the carbon nickel composite airgel (CA / Ni) prepared according to Example 2. In the case of CA50 / Ni, CA100 / Ni, and CA200 / Ni, it can be seen that the particles are composed of 10 nm size, and show a microstructure in which clusters of nanoparticles are connected to each other. However, in the case of CA500 / Ni it can be seen that the particle size is composed of large particles of 1㎛ or more. Therefore, it can be seen that CA500 / Ni consists of micropores or macropores.

도 10a 내지 도 10d는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤(CA/Ni)의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 10의 투과전자현미경 사진을 보면 보다 자세하게 탄소니켈복합 에어로젤의 미세구조를 관찰할 수 있다. CA50/Ni는 수 나노미터에서 10㎚ 크기의 입자들의 네트워크로 이루어져 있음을 알 수 있는데, R 비율이 증가할수록 탄소입자들의 크기와 니켈나노입자들의 크기가 점차적으로 커지고 있는 것을 알 수 있다. CA100/Ni과 CA200/Ni의 경우 입자크기가 10~20㎚ 크기인 것을 관찰할 수 있으며, CA500/Ni의 경우는 미크론(㎛) 크기의 쉬트가 서로 연결되어 있으며, 그 사이에 매크로 기공이 존재하는 것으로 보인다. 니켈 나노입자의 크기는 R 비율이 증가할수록 커지며, CA50/Ni와 CA100/Ni는 25~90㎚ 크기인 것을 관찰할 수 있으며, CA/200Ni와 CA500/Ni는 20~150㎚ 크기인 것을 관찰할 수 있다.10A to 10D show Transmission Electron Microscope (TEM) images of carbon nickel composite airgels (CA / Ni) prepared according to Example 2. FIG. Looking at the transmission electron micrograph of Figure 10 it can be observed in more detail the microstructure of the carbon nickel composite airgel. It can be seen that CA50 / Ni is composed of a network of particles having a size of 10 nm at several nanometers. As R ratio increases, the size of carbon particles and the size of nickel nanoparticles are gradually increased. In the case of CA100 / Ni and CA200 / Ni, it can be observed that the particle size is 10-20 nm. In the case of CA500 / Ni, sheets of micron size are connected to each other, and macropores exist between them. Seems to do. The size of the nickel nanoparticles increases as the R ratio increases, and it can be observed that CA50 / Ni and CA100 / Ni are 25-90 nm in size, and that CA / 200Ni and CA500 / Ni are 20-150 nm in size. Can be.

표 2은 탄소니켈복합 에어로젤의 R 비율에 따른 탄소니켈복합 에어로젤의 성분 함량을 의미한다.Table 2 shows the component content of the carbon nickel composite airgel according to the R ratio of the carbon nickel composite airgel.

EDXEDX CA/NiCA / Ni 순환전압전류 측정 후(After cyclic voltammetry measurement)After cyclic voltammetry measurement 샘플Sample CA50/NiCA50 / Ni CA100/NiCA100 / Ni CA200/NiCA200 / Ni CA500/NiCA500 / Ni CA50Ni/CVCA50Ni / CV CA100Ni/CVCA100Ni / CV CA200Ni/CVCA200Ni / CV CA500Ni/
CV
CA500Ni /
CV
CC 94.52 %94.52% 83.13 %83.13% 85.6 %85.6% 43.56 %43.56% 82.11 %82.11% 70.28 %70.28% 76.32 %76.32% 60.71 %60.71% NiNi 2.85 %2.85% 7.46 %7.46% 7.54 %7.54% 33.77 %33.77% 4.53 %4.53% 9.29 %9.29% 17.19 %17.19% 35. 91 %35.91% OO 2.63 %2.63% 9.41 %9.41% 6.86 %6.86% 22.67 %22.67% 8.93 %8.93% 9.26 %9.26% 6.31 %6.31% 2.62 %2.62% SS 0 %0 % 0 %0 % 0 %0 % 0 %0 % 4.43 %4.43% 11.17 %11.17% 0.18 %0.18% 0.76 %0.76%

FE-SEM의 EDX의 경우 CA50/Ni에서 CA500/Ni로 갈수록 탄소의 함량은 줄어드는 경향을 나타내며, 니켈의 함량은 증가한다. 이는 R이 증가할수록 탄소니켈복합 에어로젤의 기공이 크기 때문에 니켈 솔루션에 담지 하였을 때 상대적으로 기공이 큰 CA500/Ni샘플에 니켈이 많이 형성된 것이다. 전기특성 평가 후 (CV) 에는 CA50Ni/CV에서 CA500Ni/CV로 갈수록 탄소의 함량은 줄어드는 경향을 나타내며, 니켈의 함량은 증가하는 경향이 있다. CANi/CV 샘플들은 2M H2SO4 전해질에 전기특성 평가를 실시하였는데 이로 인해 황이 생성된 것으로 여겨진다. In the case of EDX of FE-SEM, the carbon content tends to decrease from CA50 / Ni to CA500 / Ni, and the nickel content increases. This is because as the R increases, the pores of the carbon nickel composite aerogel are larger, so that nickel is formed in the CA500 / Ni sample having larger pores when supported in the nickel solution. After electric property evaluation (CV), the carbon content tends to decrease from CA50Ni / CV to CA500Ni / CV, and the nickel content tends to increase. CANi / CV samples were subjected to electrical characterization on 2M H2SO 4 electrolyte, which is believed to result in sulfur formation.

실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극의 반쪽전지에 대하여 3.14mA 일정전류에서 충방전 곡선을 도 11에 나타내었다. 도 11의 충방전 순환 실험(charge-discharge cycling test)은 2M의 황산(H2SO4)을 전해질(electrolyte)로 사용하여 3전극 셀(three-electrode cell)인 반쪽전지(half cell)에서 순환전압전류법(cyclic voltametry; CV)을 이용하여 이루어졌으며, 수퍼커패시터 전극(탄소니켈복합 에어로젤 전극)에 대하여 Ag/AgCl을 기준전극(reference electrode)으로 사용하고 그라파이트 쉬트를 카운터전극(counter electrode)으로 사용하여 측정한 값이다. 기준전극에는 단위면적(㎠)당 1㎃의 전류가 인가되었다. 충전 동안에는, 1.0V의 풀-전하 전압(full-charge voltage)이 축적될 때까지는 3.14㎃의 정전하 전류(constant charge current)가 ELDC에 인가되었다. 방전 동안에는, ELDC는 전자부하(electronic load)를 통해 3.14㎃의 정방전 전류에서 방전되었다. A charge / discharge curve at a 3.14 mA constant current with respect to the half cell of the supercapacitor electrode prepared according to Example 3 is shown in FIG. 11. In the charge-discharge cycling test of FIG. 11, 2M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) is used as an electrolyte to circulate in a half-cell that is a three-electrode cell. It was made by cyclic voltametry (CV), and Ag / AgCl was used as the reference electrode for the supercapacitor electrode (carbon nickel composite airgel electrode), and the graphite sheet was used as the counter electrode. It is the value measured using. A current of 1 mA per unit area (cm 2) was applied to the reference electrode. During charging, a constant charge current of 3.14 mA was applied to the ELDC until a 1.0 V full-charge voltage was accumulated. During discharge, the ELDC was discharged at a positive discharge current of 3.14 mA through an electronic load.

수퍼커패시터 전극(탄소니켈복합 에어로젤 전극)의 충방전 등의 전압변화는 두 단계로 이루어져 있는데, 약 0.5V에서 변곡점을 나타내었다. 확실하지는 않지만, 반쪽전지에서는 충방전 동안에 탄소니켈복합 에어로젤(CA/Ni) 표면의 표면산화가 일어나며, 또한 반쪽전지 시험 시에는 명목상 1V이지만 실질적인 전압은 약 1.3V 인가되는 것과 관련이 있어 보인다. 반쪽전지의 수퍼커패시터의 충전용량을 계산한 값을 나타내었는데, CA50/Ni의 경우 136.5 F/g의 값을 가졌는데, CA500/Ni의 99.4 F/g에 비하여 약 1.4배 이상 큰 값을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 이는 비표면적의 차이로만 설명될 수 없지만, CA50/Ni의 비표면적은 약 513 ㎡/g이고 CA500/Ni의 경우는 352 ㎡/g으로 1.5 배 정도 크며 축전용량과 관련이 있는 것을 알 수 있다. 비표면적뿐만 아니라 기공체적이 큰 역할을 하고 있는 것으로 보이는데, CA50/Ni의 경우 0.49 ㎤/g이고 CA500/Ni의 경우 0.06 ㎤/g 으로 8배 이상 차이가 나는 것을 알 수 있다. The voltage change such as charge and discharge of the supercapacitor electrode (carbon nickel composite airgel electrode) was performed in two stages, and showed an inflection point at about 0.5V. While it is not clear, the surface of the carbon nickel composite aerogel (CA / Ni) surface occurs during the half-cell in charge and discharge, and the half-cell test is related to the nominal 1 V but the actual voltage of about 1.3 V. The charge capacity of the supercapacitor of the half-cell is shown. The CA50 / Ni has a value of 136.5 F / g, which is 1.4 times larger than the 9500 F / g of CA500 / Ni. It can be seen that. This can not be explained only by the difference in specific surface area, but the specific surface area of CA50 / Ni is about 513 m 2 / g, and in the case of CA500 / Ni, it is 1.5 times as large as 352 m 2 / g, which is related to storage capacity. In addition to the specific surface area, the pore volume seems to play a large role, which is 0.49 cm 3 / g for CA50 / Ni and 0.06 cm 3 / g for CA500 / Ni.

도 12는 반쪽전지에서 1㎷/s의 스캔 속도로 수퍼커패시터 전극(탄소니켈복합 에어로젤 전극)의 사이클 볼타메트리(Cycle Voltammetry) 특성을 측정한 그래프이다. 도 12에서는 0.45~0.55V에서 산화피크가 나타나고, 0.35~0.45V에서 환원피크가 나타나는 것을 알 수 있는데, R 비율이 작아질수록 CV 히스테리시스 곡선의 면적은 커지는 것을 알 수 있으며, 산화 피크는 0.55V로 이동하고 있고 환원 피크는 0.35V로 낮아지는 것을 알 수 있다. 반쪽전지의 전기화학 특성을 표 3에 정리하였다. FIG. 12 is a graph illustrating cycle voltammetry characteristics of a supercapacitor electrode (carbon nickel composite airgel electrode) at a scan rate of 1 μs / s in a half cell. In FIG. 12, it can be seen that an oxide peak appears at 0.45 to 0.55 V and a reduction peak appears at 0.35 to 0.45 V. As the R ratio decreases, the area of the CV hysteresis curve increases, and the oxidation peak is 0.55 V. The reduction peak is lowered to 0.35V. The electrochemical characteristics of the half cell are summarized in Table 3.

CA50/NiCA50 / Ni CA100/NiCA100 / Ni CA200/NiCA200 / Ni CA500/NiCA500 / Ni 커패시턴스Capacitance (F/g)(F / g) 136.4136.4 99.499.4 76.876.8 38.538.5 (F/cc)(F / cc) 58.258.2 38.238.2 30.330.3 19.019.0 에너지밀도(Wh/kg)Energy density (Wh / kg) 19.019.0 13.813.8 10.710.7 4.34.3 전력밀도(W/kg)Power Density (W / kg) 142.2142.2 162.0162.0 165.3165.3 89.489.4 ESR
ESR
10kHz10 kHz 0.15340.1534 0.15650.1565 0.14550.1455 0.15820.1582
1kHz1 kHz 0.25320.2532 0.26400.2640 0.29150.2915 0.29470.2947

수퍼커패시터의 실제적인 충전용량을 알기 위해서, 도 13에서 보이는 바와 같이 풀 셀(full cell)의 일정전류 충방전 특성을 평가하였다. 도 13의 충방전 순환 실험(charge-discharge cycling test)은 2M의 황산(H2SO4)을 전해질(electrolyte)로 사용하여 2전극 셀(two-electrode cell)인 풀셀(full cell)에서 순환전압전류법(cyclic voltametry; CV)을 이용하여 이루어졌으며, 그라파이트 쉬트를 카운터전극(counter electrode)으로 사용하여 측정한 값이다. 기준전극에는 단위면적(㎠)당 1㎃의 전류가 인가되었다. 충전 동안에는, 1.0V의 풀-전하 전압(full-charge voltage)이 축적될 때까지는 3.14㎃의 정전하 전류(constant charge current)가 ELDC에 인가되었다. 방전 동안에는, ELDC는 전자부하(electronic load)를 통해 3.14㎃의 정방전 전류에서 방전되었다. In order to know the actual charge capacity of the supercapacitor, the constant current charge / discharge characteristics of the full cell were evaluated as shown in FIG. 13. The charge-discharge cycling test of FIG. 13 uses a 2M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) as an electrolyte and a circulating voltage in a full cell that is a two-electrode cell. It was made using a cyclic voltametry (CV) and measured using a graphite sheet as a counter electrode. A current of 1 mA per unit area (cm 2) was applied to the reference electrode. During charging, a constant charge current of 3.14 mA was applied to the ELDC until a 1.0 V full-charge voltage was accumulated. During discharge, the ELDC was discharged at a positive discharge current of 3.14 mA through an electronic load.

도 14에서는 풀 셀의 순환전압전류 특성을 평가하였다. 도 14은 풀셀에서 1㎷/s의 스캔 속도로 탄소니켈복합 에어로젤의 사이클 볼타메트리(Cycle Voltammetry) 특성을 측정한 그래프이다. In FIG. 14, the cyclic voltage current characteristics of the full cell were evaluated. FIG. 14 is a graph measuring cycle voltammetry characteristics of a carbon nickel composite airgel at a scan rate of 1 μs / s in a full cell.

풀 셀의 경우 CA50/Ni 수퍼커패시터의 경우 방전용량은 29F/g의 값을 가졌고, CA100/Ni은 25.1F/g, CA200/Ni의 경우 15.0F/g, 그리고 CA500/Ni의 경우 7.5F/g의 값을 가졌다. 도 13에서 보는 바와 같이 반쪽전지와는 다르게, 충방전 곡선이 약간의 곡선을 나타내지만, 일정하게 충전되었다가 일정하게 방전되는 특성을 나타내었다. CA50/Ni의 용량은 29F/g으로 CA500/Ni의 7.5F/g에 비하여 약 3.9 배 정도의 높은 값을 가졌는데, 이는 CA50/Ni이 CA500/Ni보다 약 7배 정도 높은 메조기공으로 이루어져 있으며, 비표면적도 높기 때문으로 사료된다. 순환전압전류 특성은 반쪽전지에서보다 산화환원 피크는 잘 나타나지 않은 것을 알 수 있고, 탄소니켈복합 에어로젤(CA/Ni)의 R 비율이 작을수록, 즉 촉매의 양이 많을수록 곡선의 면적은 커지는 것을 알 수 있다. 풀 셀의 전기화학 특성을 표 4에 정리하였다. The discharge capacity of the CA50 / Ni supercapacitor was 29F / g for the full cell, 25.1F / g for the CA100 / Ni, 15.0F / g for the CA200 / Ni, and 7.5F / for the CA500 / Ni. had a value of g. As shown in FIG. 13, unlike the half-cell, the charge and discharge curves show some curves, but are constantly charged and then discharged. The capacity of CA50 / Ni is 29F / g, which is about 3.9 times higher than 7.5F / g of CA500 / Ni, which is composed of mesopores about 7 times higher than CA500 / Ni. This is because the specific surface area is also high. The cyclic voltammetry shows that the redox peak is less likely to be seen in the half cell, and the smaller the R ratio of the carbon nickel composite airgel (CA / Ni), i.e., the greater the amount of catalyst, the larger the area of the curve. Can be. The electrochemical characteristics of the full cell are summarized in Table 4.

CA50/NiCA50 / Ni CA100/NiCA100 / Ni CA200/NiCA200 / Ni CA500/NiCA500 / Ni 커패시턴스
Capacitance
(F/g)(F / g) 29.029.0 25.125.1 15.015.0 7.57.5
(F/cc)(F / cc) 11.511.5 10.010.0 6.46.4 3.93.9 에너지밀도(Wh/kg)Energy density (Wh / kg) 4.04.0 3.43.4 1.61.6 1.01.0 전력밀도(W/kg)Power Density (W / kg) 79.079.0 78.278.2 46.846.8 47.647.6 ESR
ESR
10 kHz10 kHz 0.07760.0776 0.08570.0857 0.11150.1115 0.12720.1272
1 kHz1 kHz 0.18960.1896 0.18260.1826 0.26130.2613 0.36840.3684

앞서 살펴본 바와 같이, R 비율, 즉 마그네슘 아세테이트 촉매의 양이 최종적인 수퍼커패시터 소재인 탄소니켈복합 에어로젤의 기공구조에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있다. R 비율이 작을수록 탄소입자의 크기는 작아지고 탄소입자의 네트워크 구조를 통하여서 이루어지는 탄소니켈복합 에어로젤의 기공은 메조 기공이면서 기공의 체적은 커지는 것을 알 수 있다. 탄소니켈복합 에어로젤의 경우 R 비율이 커질수록 탄소입자의 크기도 커지며, 특히 CA500/Ni의 경우 입자의 크기가 미크론 단위로 커지기 때문에 기공도 미세기공이거나 아니면 매크로 기공인 것을 알 수 있다. 미세기공의 경우 R 비율이 커질수록 약간 감소하지만, 동일한 수준의 미세기공 체적을 나타내었으며, 매크로기공의 경우 CA50/Ni는 2.301㎤/g으로 가장 크며 CA100/Ni, CA200/Ni과 CA500/Ni 경우는 거의 비슷한 값을 나타내었다. 전기화학 분석 결과 R의 비율이 가장 작은 값, 즉 촉매의 양이 가장 많은 경우 나노미터 크기의 탄소입자와 메조기공으로 이루어진 미세구조를 가지고, 이로 말미암아 가장 큰 비표면적과 메조기공 체적을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, CA50/Ni이 가장 높은 충전용량을 나타내었는데, 풀셀의 경우 CA50/Ni이 29F/g의 값을 가졌으며, CA500/Ni은 7.5F/g으로 CA50/Ni이 약 4배 이상 큰 용량을 가지고 있는 것을 알 수 있다. As described above, it can be seen that the R ratio, that is, the amount of the magnesium acetate catalyst greatly affects the pore structure of the carbon nickel composite airgel, which is the final supercapacitor material. The smaller the R ratio, the smaller the size of the carbon particles, and the pores of the carbon nickel composite airgel formed through the network structure of the carbon particles are mesopores and the volume of the pores increases. In the case of the carbon nickel composite airgel, the larger the R ratio, the larger the size of the carbon particles. In particular, in the case of CA500 / Ni, the size of the particles increases in microns, so that the pores are either micropores or macropores. In the case of micropores, it decreased slightly as R ratio increased, but showed the same level of micropore volume. In case of macropores, CA50 / Ni is the largest at 2.301cm3 / g, and CA100 / Ni, CA200 / Ni and CA500 / Ni Showed nearly similar values. The electrochemical analysis showed that the smallest proportion of R, ie, the highest amount of catalyst, had a microstructure consisting of nanometer-sized carbon particles and mesopores, thereby having the largest specific surface area and mesopore volume. Able to know. Therefore, CA50 / Ni showed the highest charging capacity. In the case of full cell, CA50 / Ni had a value of 29F / g, and CA500 / Ni was 7.5F / g, and CA50 / Ni was about four times larger. You can see what you have.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 RF 에어로젤의 푸리에변환한 적외선(IR) 분광곡선을 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing a Fourier transform infrared (IR) spectroscopy curve of an RF airgel prepared according to Example 1. FIG.

도 2는 실시예 1에 따라 제조된 탄소 에어로젤을 실시예 2에 따라 니켈 솔루션에 담지하여 100℃에서 열처리 후 탄소 에어로젤의 기공에 니켈이 형성된 탄소니켈복합 에어로젤을 푸리에변환한 적외선 분광 곡선을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing an infrared spectral curve obtained by Fourier transforming a carbon nickel composite airgel in which nickel was formed in pores of a carbon airgel after heat treatment at 100 ° C. in a carbon airgel prepared according to Example 1 in a nickel solution according to Example 2; to be.

도 3은 실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극을 전기특성 평가 후 푸리에변환한 적외선 분광 곡선을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing a Fourier transform infrared spectral curve of a supercapacitor electrode prepared according to Example 3 after evaluation of electrical characteristics.

도 4a는 실시예 1에 따라 제조된 탄소 에어로젤에 대하여 532㎚의 레이저에 의해서 산란된 라만 분광 피크들을 나타낸 그래프이다. 4A is a graph showing Raman spectral peaks scattered by a laser of 532 nm for a carbon aerogel prepared according to Example 1. FIG.

도 4b는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤에 대하여 532㎚의 레이저에 의해서 산란된 라만 분광 피크들을 나타낸 그래프이다.4B is a graph showing Raman spectral peaks scattered by a laser of 532 nm for a carbon nickel composite airgel prepared according to Example 2. FIG.

도 5는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤에 대하여 마그네슘 아세테이트 촉매 비에 따른 X선회절 (XRD) 패턴을 나타낸 것이다. Figure 5 shows the X-ray diffraction (XRD) pattern according to the magnesium acetate catalyst ratio for the carbon nickel composite airgel prepared according to Example 2.

도 6은 실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극에 대한 것으로서, 2M H2SO4 전해질에 24시간 담지 후 X선회절(XRD) 패턴을 나타낸 것이다. 6 shows a supercapacitor electrode prepared according to Example 3, and shows an X-ray diffraction (XRD) pattern after 24 hours in 2M H 2 SO 4 electrolyte.

도 7은 실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극에 대한 것으로서, 전기특성 평가 후 X선회절(XRD) 패턴을 나타낸 것이다. FIG. 7 shows the X-ray diffraction (XRD) pattern of the supercapacitor electrode manufactured according to Example 3 after evaluation of electrical characteristics.

도 8a는 실시예 1에 따라 제조된 탄소 에어로젤에 대한 질소 흡탈착 결과를 도시한 그래프이다.Figure 8a is a graph showing the nitrogen adsorption and desorption results for the carbon airgel prepared according to Example 1.

도 8b는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤의 기공크기 분포도를 나타낸 그래프이다.Figure 8b is a graph showing the pore size distribution of the carbon nickel composite airgel prepared according to Example 2.

도 9a 내지 도 9d는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.9a to 9d show scanning electron microscope (SEM) photographs of carbon nickel composite airgels prepared according to Example 2. FIG.

도 10a 내지 도 10d는 실시예 2에 따라 제조된 탄소니켈복합 에어로젤의 투과전자현미경(TEM) 사진을 나타낸 것이다. 10A to 10D show transmission electron microscope (TEM) photographs of carbon nickel composite airgels prepared according to Example 2. FIG.

도 11은 실시예 3에 따라 제조된 수퍼커패시터 전극의 반쪽전지에 대하여 3.14mA 일정전류에서 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing charge and discharge curves at 3.14 mA constant current with respect to a half cell of a supercapacitor electrode manufactured according to Example 3. FIG.

도 12는 반쪽전지에서 1㎷/s의 스캔 속도로 수퍼커패시터 전극(탄소니켈복합 에어로젤 전극)의 사이클 볼타메트리(Cycle Voltammetry) 특성을 측정한 그래프이다. FIG. 12 is a graph illustrating cycle voltammetry characteristics of a supercapacitor electrode (carbon nickel composite airgel electrode) at a scan rate of 1 μs / s in a half cell.

도 13은 풀 셀(full cell)의 일정전류 충방전 특성을 나타낸 그래프이다13 is a graph showing the constant current charge and discharge characteristics of a full cell.

도 14는 풀 셀의 순환전압전류 특성을 나타낸 그래프이다.14 is a graph illustrating the cyclic voltammogram characteristics of a full cell.

도 15는 CO2 초임계 건조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.15 is a view schematically showing a CO 2 supercritical drying apparatus.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110: 초임계 건조 반응기 120: 이산화탄소 공급 탱크110: supercritical drying reactor 120: carbon dioxide feed tank

130: 펌프 140: 배수조130: pump 140: sump

150: 열교환기150: heat exchanger

Claims (9)

포름알데히드와 레소시놀의 혼합 용액에 마그네슘 아세테이트를 첨가하여 교반하는 단계;Stirring by adding magnesium acetate to a mixed solution of formaldehyde and resorcinol; 25~90℃의 온도에서 상기 마그네슘 아세테이트에 의해 상기 포름알데히드와 레소시놀이 가수분해 축합 반응되어 체인을 형성하고, 상기 체인과 체인이 결합되어 클러스터를 형성하며, 상기 클러스터와 클러스터가 결합되어 네트워크를 이루는 젤화된 조성물이 합성되는 단계;Formaldehyde and resorcinol hydrolysis condensation reaction with the magnesium acetate at a temperature of 25 ~ 90 ℃ to form a chain, the chain and the chain is combined to form a cluster, the cluster and the cluster is combined to form a network Synthesizing the gelled composition; 상기 젤화된 조성물을 아세톤 또는 메탄올로 용매 치환하는 단계;Solvent substitution of the gelled composition with acetone or methanol; 용매 치환된 조성물을 에이징 시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시키는 단계;Aging the solvent substituted composition to strengthen the network structure within the gel; 에이징된 조성물에 함유된 용매를 액상의 이산화탄소로 용매치환하는 단계; Solvent-substituting the solvent contained in the aged composition with liquid carbon dioxide; 이산화탄소를 초임계 상태로 만들어 이산화탄소로 용매치환된 조성물을 건조하여 RF 에어로젤을 형성하는 단계;Making carbon dioxide into a supercritical state to dry the solvent-substituted composition with carbon dioxide to form an RF airgel; 상기 RF 에어로젤에 대하여 탄화 공정을 실시하여 탄소 에어로젤을 합성하는 단계; 및Performing a carbonization process on the RF airgel to synthesize carbon airgel; And 상기 탄소 에어로젤을 니켈 전구체를 포함하는 니켈 솔루션에 담지하여 탄소니켈복합 에어로젤을 합성하는 단계를 포함하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법.A method of manufacturing a carbon nickel composite airgel, comprising: synthesizing a carbon nickel composite airgel by supporting the carbon airgel in a nickel solution including a nickel precursor. 제1항에 있어서, 상기 탄소니켈복합 에어로젤을 합성하는 단계는,The method of claim 1, wherein synthesizing the carbon nickel composite airgel comprises: 상기 탄소 에어로젤을 상기 니켈 솔루션이 담긴 반응 용기 내에 담지하는 단계; Supporting the carbon airgel in a reaction vessel containing the nickel solution; 상기 니켈 솔루션에 담지된 상기 탄소 에어로젤을 60~120℃의 온도에서 제1 열처리하여 상기 탄소 에어로젤의 기공에 니켈을 형성하는 단계; 및Forming nickel in pores of the carbon airgel by first heat treating the carbon airgel supported on the nickel solution at a temperature of 60 to 120 ° C .; And 환원 가스, 비활성 가스 또는 환원 가스와 비활성 가스 분위기에서 600~1000℃의 온도 범위로 제2 열처리하는 단계를 포함하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법. A method for producing a carbon nickel composite airgel comprising a second heat treatment in a reducing gas, an inert gas or a reducing gas and an inert gas atmosphere at a temperature in the range of 600 to 1000 ° C. 제2항에 있어서, 상기 니켈 전구체는 니켈아세테이트테트라하이드레이트이고, 상기 니켈 솔루션은 상기 니켈 전구체, 이소프로필알코올 및 디메틸아민을 포함하는 용액이며, 상기 니켈 전구체는 상기 니켈 솔루션에 0.1~1 몰농도 함유되고, 상기 디메틸아민은 상기 니켈 솔루션에 0.1~4몰 함유되며, 상기 이소프로필알코올은 상기 니켈 솔루션에 8~20몰 함유되는 것을 특징으로 하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법.The method of claim 2, wherein the nickel precursor is nickel acetate tetrahydrate, the nickel solution is a solution containing the nickel precursor, isopropyl alcohol and dimethylamine, the nickel precursor contains 0.1 to 1 molar concentration in the nickel solution And the dimethylamine is contained in the nickel solution in an amount of 0.1 to 4 moles, and the isopropyl alcohol is contained in the nickel solution in an amount of 8 to 20 moles. 제1항에 있어서, 상기 포름알데히드와 상기 레소시놀의 혼합 용액은 상기 포름알데히드와 상기 레소시놀을 증류수에 1~10 M의 농도가 되도록 혼합한 용액이고, 상기 포름알데히드와 상기 레소시놀의 혼합 용액에 상기 레소시놀의 함량과 상기 마그네슘 아세테이트의 함량의 몰비가 50~500이 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법. The method of claim 1, wherein the mixed solution of formaldehyde and resorcinol is a solution of mixing the formaldehyde and the resorcinol in distilled water to a concentration of 1 to 10 M, wherein the formaldehyde and the resorcinol The molar ratio of the content of resorcinol and the content of magnesium acetate in the mixed solution of Method for producing a carbon nickel composite airgel, characterized in that added to 50 to 500. 제1항에 있어서, 상기 포름알데히드와 상기 레소시놀의 혼합 용액은 상기 포름알데히드와 상기 레소시놀이 몰비로 1:1 내지 4:1의 비율로 혼합된 용액인 것을 특징으로 하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법. The carbon nickel composite airgel of claim 1, wherein the mixed solution of formaldehyde and resorcinol is a mixture of the formaldehyde and the resorcinol in a ratio of 1: 1 to 4: 1 in a molar ratio. Manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 에이징은,The method of claim 1, wherein the aging is 젤화된 조성물을 아세톤에 담지하여 25~90℃의 온도 범위에서 실링한 용기 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법. A method for producing a carbon nickel composite airgel, characterized in that the gelled composition is supported in acetone and sealed in a container sealed at a temperature in the range of 25 to 90 ° C. 제1항에 있어서, 상기 건조는,The method of claim 1, wherein the drying, 이산화탄소가 초임계 상태로 되는 31℃의 온도 및 73 bar의 압력과 같거나 높은 온도 및 압력으로 일정 시간 동안 유지하여 건조하는 것을 특징으로 하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법. A method for producing a carbon nickel composite airgel, characterized in that the carbon dioxide is maintained at a temperature equal to or higher than 31 ° C. and a pressure of 73 bar at a supercritical state for a predetermined time and dried. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 탄화 공정은 환원 가스, 비활성 가스 또는 환원 가스와 비활성 가스 분위기에서 600~1000℃의 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소니켈복합 에어로젤의 제조방법. The carbonization process is a method for producing a carbon nickel composite airgel, characterized in that the reducing gas, inert gas or reducing gas and inert gas atmosphere in the temperature range of 600 ~ 1000 ℃. 제1항에 기재된 방법으로 제조된 상기 탄소니켈복합 에어로젤을 분말로 분쇄하는 단계; Pulverizing the carbon nickel composite airgel prepared by the method of claim 1 into a powder; 분말로 분쇄된 탄소니켈복합 에어로젤 90~98중량%, 전도성 바인더 1~5중량%, 아세틸렌블랙 1~5중량%를 용매에 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계; 및90 to 98% by weight of a carbon nickel composite airgel pulverized into powder, 1 to 5% by weight of a conductive binder, and 1 to 5% by weight of acetylene black in a solvent to form a paste; And 상기 페이스트를 티타늄, 니켈, 알루미늄 호일, 플레이트 또는 메쉬에 50~200㎛ 두께로 도포하여 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수퍼커패시터 전극의 제조방법.The method of manufacturing a supercapacitor electrode comprising the step of forming an electrode by applying the paste to a titanium, nickel, aluminum foil, plate or mesh 50 ~ 200㎛ thickness.
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