KR101484163B1 - 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극 - Google Patents

초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극에 관한 것으로, 초고용량 커패시터의 전극에 있어서, 상기 전극은, 탄소나노소재로 형성되되, 상기 탄소나노소재는 표면 또는 말단에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입함에 의해 탄소나노소재 간에 다중수소결합이 이루어지는 전극물질을 형성하고, 이를 전극으로 이용하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 전극으로 전기전도도가 뛰어난 탄소나노소재를 사용하되, 분산제 등의 사용 없이 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 페이스트를 형성시키고, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용함에 의해 전극의 전도성 및 비축전용량 등이 양호하여 초고용량 커패시터의 성능이 향상되는 이점이 있다.

Description

초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극{nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs for electrode in supercapacitors}
본 발명은 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극으로 전기전도도가 뛰어난 탄소나노소재를 사용하되, 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 페이스트를 형성시켜, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극에 관한 것이다.
일반적으로, 초고용량 커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십배 이상이다.
이러한 초고용량 커패시터의 순시적인 파워를 내는 특성은 연료전지 자동차 기술에 응용되어 자동차의 가속성능을 향상시킬 뿐만 아니라 전기화학 반응을 이용하지 않기 때문에 내구성 및 신뢰성이 극히 높다.
즉, 초고용량 커패시터는 독자적으로 저용량의 에너지 저장장치로 이용하거나 순시적으로 많은 에너지 공급을 필요로 하는 시스템에서 주 에너지 공급원인 배터리와 함께 보조 에너지 공급원으로 이용된다. 이러한 특성으로 인하여 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지저장 시스템의 수명연장 등의 효과를 기대할 수 있다.
기존의 배터리로는 구현 불가능한 이와 같은 초고용량 커패시터의 특성으로 인하여 차량용은 물론 일반 산업용, 우주/군사용 등으로 그 응용 분야가 점차 확대되어 가고 있는 추세이다.
에너지를 저장하는 메카니즘으로서 커패시터는 비표면적이 크고 유전율이 높을수록 큰 축전용량을 얻을 수 있다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서 활성탄소분말, 활성탄소섬유, 에어로겔 탄소, 카본블랙 등을 이용한 연구들이 많이 발표되고 있다. 이 중 활성탄소는 전기전도성이 좋고 비표면적이 크며 제조가 용이하여 가격이 저렴하다는 이점으로 이러한 목적을 위해 사용되어온 재료의 하나이다. 금속산화물이나 전도성고분자 전극재료의 경우 고출력 특성의 초고용량 커패시터를 제조할 수 있으나 빠른 충방전 속도에서 축전용량이 급격히 저하되는 단점을 지니고 있어, 탄소계 전극재료와 하이브리드를 통해 전도도 향상을 통해 고속 충방전 특성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다.
탄소계 전극을 사용하는 초고용량 커패시터의 축전용량과 방전속도는 탄소계 물질의 물리화학적 성질, 전해질의 종류와 충방전 조건에 따라 크게 달라질 수 있다. 특히 이 중 탄소계 전극물질의 물리화학적 특성은 초고용량 커패시터의 전기화학적 거동에 큰 영향을 미친다.
기존의 초고용량 커패시터 전극 제조기술은 탄소계의 활물질과 바인더를 슬러리 형태로 만들어 집전체에 코팅하는 방식이 주로 연구되었다. 이 경우 집전체와 접촉하는 활물질의 양이 적기 때문에 축전용량이 크지 않고 전극저항이 증가하는 문제점이 있다.
최근, 전자부품에서 배터리 대용으로 쓰기 시작한 초고용량 커패시터의 일종인 전기 이중층 커패시터(EDLC;electron double layer capacitor)는 새로운 소재와 기술이 접목되면서 일반 산업용에 응용되어 실용화되고 있다.
탄소계 전극을 이용한 초고용량 커패시터는 전기이중층 메커니즘에 의해 발현되는 전기이중층 커패시터인데 이는 활성탄의 큰 표면적을 가지는 탄소계열 재료와 전해액을 사용해서 양자의 이면에 생기는 전기이중층을 전하저장에 이용하는 것이다. 즉, 전기이중층 커패시터는 긴수명, 고파워 뿐만 아니라 주요재료로 탄소를 사용하고 있기 때문에 친환경적이다.
이러한 전기이중층 커패시터 소자의 용량은 전극의 표면적과 전극단위 면적당 전기이중층에 의해서 결정되기 때문에 용량밀도의 향상을 위해서는 충진밀도와 비표면적이 큰 탄소전극을 이용하여야 한다.
이처럼, 전기이중층 커패시터는 전극물질 자체가 갖는 뛰어난 안정성과 함께 친환경적인 탄소재료를 이용한다. 탄소 전극물질에는 활성탄소분말(ACP ; Activated Carbon powder), 탄소나노튜브 (CNT ; Carbon Nano Tube), 그래핀, 흑연, 기상성장 탄소섬유(VGCF ; Vapor Grown Carbon Fiber), 탄소 에어로겔(Carbon aerogel), 폴리아크릴로나이트릴(PAN ; Poly acrylonitrile)이나 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; Poly vinylidenefluoride)와 같은 폴리머를 탄화하여 제조하는 탄소나노섬유(CNF ; Carbon Nano Fiber)나 이를 활성화시킨 활성화 탄소나노섬유(ACNF; Activated Carbon Nano Fiber) 등이 사용된다. 상기 탄소재료 이외에 도전성을 부여하기 위해 카본 블랙(CB; Carbon Black) 등을 첨가하기도 한다.
전기이중층 커패시터는 전류 집전체, 전극, 전해질 및 분리막으로 구성되며, 분리막으로 인해 서로 전기적으로 분리된 두 개의 전극 사이에 전해질이 충진되어 있고 전류 집전체는 전극에 효과적으로 전하를 충전시키거나 방전시키는 역할을 한다.
이러한 전기이중층 커패시터의 전극재로 사용되는 활성탄소 전극은 미세기공으로 이루어진 다공질로서 큰 비표면적을 가지고 있어, 활성탄소 전극에 (-)를 걸어주면 전해질로부터 해리되어 나온 (+)이온이 활성탄소 전극의 기공 내로 들어가서 (+)층을 이루고, 이는 활성탄소 전극의 계면에 형성된 (-)층과 전기이중층을 형성하면서 전하를 충전시키게 된다.
전기이중층 커패시터의 축전용량은 활성탄소 전극의 구조와 물성에 크게 의존하는데, 요구되는 특성으로는 비표면적이 클 것, 물질 자체의 내부저항이 작을 것, 탄소소재의 밀도가 높을 것 등이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초고용량 커패시터 전극으로써 상기 탄소계 물질, 특히 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소나노소재의 사용에 대한 연구가 대두 되고 있다.
탄소나노튜브는 전기저항이 10-4Ωcm로 금속에 버금가는 전기전도도를 가지고 있으며, 표면적이 벌크재료에 비해 1000배 이상 높은 재료로써, 최근 그 제조 및 응용, 적용분야에 있어서 활발히 연구되고 있다. 특히 탄소나노튜브는 형상 및 크기에 따라 금속과 같은 전기적 도체의 성질에서부터 전기가 잘 통하지 않는 반도체의 성질을 가지고 있어 각종 전자회로 분야뿐만 아니라, 화학적, 기계적으로도 매우 안정하므로 초강력 섬유나, 표면재료 분야 등 그 활용분야가 매우 다양할 것으로 기대되고 있다. 또 다른 탄소나노소재인 그래핀은 양자홀 효과, 상온에서 높은 캐리어 이동도 (~10,000 cm2/Vs),1 큰 비표면적 (2630cm2/g),2 우수한 광투과도 (~97.7 %),3 높은 기계적 물성 (~1 TPa)4 그리고 우수한 열전도도 (3000-5000 W/mK)5 등의 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 이러한 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 플러렌 등의 나노카본소재는 뛰어난 전기전도도 특성과 넓은 비표면적의 특성에 의해 전기화학적 특성이 발현되므로 초고용량 커패시터(supercapacitor) 뿐만 아니라, 염료감응 태양전지, 연료전지(fuel cell) 등의 다양한 전기화학 전극으로 활용이 기대된다.
전기 이중층 커패시터 전극의 일예로, 폴리아크릴로나이트릴(PAN)을 염기활성화시켜 1500~3000 ㎡/g 정도의 높은 비표면적을 갖는 활성화 탄소나노섬유(ACNF)가 얻어지지만, 그 밀도가 낮아 등가직렬저항(ESR)이 다소 높은 편이며 축전용량도 활성탄소분말(ACP)로 제조된 전극보다 낮은 편이다. 이처럼 전극 활물질의 밀도가 낮으면 일반적으로 저항은 커지며 축전용량은 감소하게 된다.
한편, 전극물질과 집전체 간 또는 전극재료 간의 접촉특성을 향상시키기 위해 바인더 및 분산제등을 사용하게 되는데, 이때 사용되는 바인더 및 분산제 등의 함량은 전극물질의 물리적인 특성을 유지할 수 있는 정도의 최소량을 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는, 대부분의 바인더(binder) 및 분산제 물질들이 전도성이 없기 때문에 첨가량이 많으면 전극저항을 증가시켜 전극물질의 물리적인 특성이 저하될 우려가 있기 때문이다. 아울러, 탄소나노소재 표면이나 말단에 과도한 관능기 도입을 통해 탄소나노소재의 고분산성을 확보하고 관능기에 의한 유사커패시터(pseudocapacitor) 특성을 구현할 수 있지만 이럴 경우 전극소재 자체의 전도도가 감소하여 축전용량이 크게 저하되게 된다.
따라서 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전극으로 전기전도도가 뛰어난 탄소나노소재를 사용하되, 분산제 등의 사용 없이 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 고전도성 탄소나노소재 페이스트를 형성시키고, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초고용량 커패시터의 전극에 있어서, 상기 전극은, 탄소나노소재로 형성되되, 상기 탄소나노소재는 표면 또는 말단에 다중수소결합이 가능한 관능기를 최소함량으로 도입함에 의해 탄소나노소재 간에 다중수소결합이 이루어지는 고전도성 전극물질을 형성하고, 이를 전극으로 이용하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극을 기술적 요지로 한다.
상기 탄소나노소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 카본블랙, 흑연, 활성탄소 중 하나 이상이 되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노소재는 SnO2, Co3O4 , RuO2, TiO2, MnO2, Mn3O4, ZnO, Fe3O4 중 하나 이상의 금속산화물재료와 복합화되어 전극으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노소재는 페이스트 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다중수소결합이 가능한 관능기는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone) 유도체, 2-우레이도-4[H]피리미디놀(4-ureido-4[1H]pyrimidinol) 유도체, 2-우레이도-4-피리미돈(2-uriedo-4-pyrimidone) 유도체, 디아실피리미딘(diacylpyrimidine) 유도체, 우레이도아실피리미딘 (ureidoacylpyrimidine) 유도체, 아세틸아미노트리아진(acetylaminotriazine) 유도체, 우레이도트리아진(ureidotriazine) 유도체, 2,6-디(아세틸아미노)-4-피리딜 (2,6-di(acetylamino)-4-pyridyl) 유도체, 티민(thymine) 유도체, 2-아미노벤즈이미다졸(2-aminobenzimidazole) 유도체, 2,7-디아미노-1,8-나프티리딘(2,7-diamino-1,8-naphthyridine) 유도체, 디(헥사노일아미노)피리미딘 (di(hexanoylamino)pyrimidine) 유도체, 2-부틸우레이도-4-아세틸아미노피리딘(2-butylureido-4-acetylaminopyridine) 유도체 중 하나 이상에 의한 것이 바람직하다.
이에 따라, 전극으로 전기전도도가 뛰어난 탄소나노소재를 사용하되, 분산제 등의 사용 없이 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 페이스트를 형성시키고, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용함에 의해 전극의 전도성 및 비축전용량 등이 양호하여 초고용량 커패시터의 성능이 향상되는 이점이 있다.
상기의 구성에 의한 본 발명은, 분산제 등의 사용 없이 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 고전도성 탄소나노소재 페이스트를 형성하고, 이를 인쇄장비를 이용하여 기재에 인쇄하고, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용함에 의해 전극의 전도성 및 비축전용량 등이 양호하여 초고용량 커패시터의 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노소재에 도입된 다중수소결합을 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 페이스트의 사진을 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극 단면의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도이고,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류변화를 나타낸 도이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 전기화학적 임피던스(electrochemical impedance) 측정값을 나타낸 도이고,
도 6은 본 발명의 각각의 실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도에 따른 비축전용량(specific capacitance) 변화를 나타낸 도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노소재에 도입된 다중수소결합을 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 페이스트의 사진을 나타낸 도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극 단면의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류변화를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 전기화학적 임피던스(electrochemical impedance) 측정값을 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명의 각각의 실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도에 따른 비축전용량(specific capacitance) 변화를 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극은, 초고용량 커패시터의 전극에 있어서, 상기 전극은, 탄소나노소재로 형성되되, 상기 탄소나노소재는 표면 또는 말단에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입함에 의해 탄소나노소재 간에 다중수소결합이 이루어지는 전극물질을 형성하고, 이를 초고용량 커패시터 전극으로 이용하는바, 이하 이에 대해 구체적으로 설명한다.
여기서, 다중수소결합은 수소결합주개(D)와 수소결합받개(A), 이온성 수소결합주개(D+)로 구성되어 있으며, D, D+와 A의 배열이 삼중수소결합의 경우 ADA-DAD, ADD-DAA, AAA-DDD, 양이온성 AAA-DDD+ 쌍으로 되어 있는 구조 중에 하나이며, 사중수소결합은 ADAD-DADA, AADD-DDAA, ADDA-DAAD, AAAD-DDDA, ADAA-DADD, AAAA-DDDD, 양이온성 AAAA-DDD+ 쌍으로 되어 있는 구조 중에 하나 이상의 관능기를 도입하는 것이 바람직하다.
상기 수소결합이 가능한 관능기는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone) 유도체, 2-우레이도-4[H]피리미디놀(4-ureido-4[1H]pyrimidinol) 유도체, 2-우레이도-4-피리미돈(2-uriedo-4-pyrimidone) 유도체, 디아실피리미딘(diacylpyrimidine) 유도체, 우레이도아실피리미딘 (ureidoacylpyrimidine) 유도체, 아세틸아미노트리아진(acetylaminotriazine) 유도체, 우레이도트리아진(ureidotriazine) 유도체, 2,6-디(아세틸아미노)-4-피리딜 (2,6-di(acetylamino)-4-pyridyl) 유도체, 티민(thymine) 유도체, 2-아미노벤즈이미다졸(2-aminobenzimidazole) 유도체, 2,7-디아미노-1,8-나프티리딘(2,7-diamino-1,8-naphthyridine) 유도체, 디(헥사노일아미노)피리미딘 (di(hexanoylamino)pyrimidine) 유도체, 2-부틸우레이도-4-아세틸아미노피리딘(2-butylureido-4-acetylaminopyridine) 유도체 중 하나 이상에 의한 것에 의해 이루어질 수 있다.
< 제1실시예 >
본 발명의 제1실시예는 탄소나노튜브와 그래핀에 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하여 전도성 페이스트를 제조하고 이를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 방법에 관한 것이다.
탄소나노소재에 도입된 4중 수소결합 관능기의 구조는 도 1에 도식화되어 나타낸다.
먼저, 카르복실기가 도입된 탄소나노튜브와 산화 그래핀을 디메틸포름아미드(dimethylformamide)용매에 100㎎/L로 분산시킨 후 톨루엔 디이소시아네이트 (toluene diisocyanate)와 아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘(amino-4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine)를 순차적으로 홉합하고 100℃에서 20시간 동안 교반하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone)를 도입하였다.
상기에서 제조된 다중수소결합이 존재하는 초분자구조 탄소나노튜브-그래핀을 이용해 디메틸포름아미드(dimethylformamide)용매를 이용하여 기타 첨가제 필요없이 간단한 교반에 의해 페이스트를 제조한바, 도2에서와 같이 고형분 0.5 wt% 이상인 탄소나노튜브-그래핀 페이스트를 간단한 교반에 의해 손쉽게 제조할 수 있었다.
상기에서 제조된 탄소나노튜브-그래핀 페이스트를 바코터를 이용해 금속 호일에 전극을 형성시키고, 섭씨 200℃에서 잔류용매를 제거하였다.
도3은 상기에서 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 단면을 나타낸다.
도3에서 탄소나노튜브와 그래핀을 하이브리드 할 경우, 그래핀과 그래핀의 사이에 탄소나노튜브가 존재하는 형태로 그래핀의 재적층(restacking)을 방지하고 메조기공을 형성하는 형태로 비표면적이 증가함을 알 수 있다.
그리고 전기화학적 특성은 백금(Pt), 포화 칼로멜(saturated calomel), 나노카본 전극의 삼극전극 시스템을 사용하였다. 전해질은 1M 황산용액을 사용하여 측정하였으며, 전기화학적 임피던스는 100kHz에서 100mHz까지 측정하였다.
도4는 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류값을 나타내는 그래프로 슈퍼커패시터의 전형적인 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor)에서 나타나는 사각형 모양의 전류-전압 싸이클 형태와 유사커패시터(pseudo capacitor)에서 보이는 산화-환원반응 피크(redox reaction peak)가 중간에 나타나는 것을 볼 수 있다.
이를 바탕으로 도6에서 보는 바와 같이 비축전용량(specific capacitance)를 계산한 결과, 탄소나노튜브와 그래핀을 하이브리드 할 경우, 10mV/s의 스캔속도에서 200 F/g 이상의 우수한 용량을 나타낸다. 특히, 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 90% 이상의 용량이 유지되는 것을 확인하였다.
도5는 전극과 전해질 계면에서의 계면저항을 나타내는 임피던스 스펙트럼이며, 계면저항이 1옴(ohms) 이하로 작은 값을 나타내고, 작은 주파수 영역에서 거의 수직으로 상승하는 그래프 형태는 사용된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극이 우수한 축전 거동을 보임을 나타낸다.
< 제2실시예 >
본 발명의 제2실시는, 제1실시예에서 같이 탄소나노튜브와 그래핀에 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하고, 이에 0.02 M KMnO4 5㎖와 0.03 M MnSO4 5㎖를 순차적으로 첨가하여 약 20분간 교반하는 형태로 산화망간 (MnO2) 나노입자를 도입한 것이 상기 제1실시예와 차이점이다.
탄소나노튜브-그래핀-산화망간 복합체 페이스트가 상기 제1실시예와 유사한 형태로 제조되었다.
제조된 탄소나노튜브-그래핀-산화망간 복합체 페이스트를 바코터를 이용해 구리호일에 전극을 형성시키고, 섭씨 200℃에서 잔류용매를 제거하였다.
그리고 비축전 용량을 계산한 결과, 도6에서 보는 바와 같이, 10 mV/s의 스캔속도에서 300 F/g 이상의 우수한 용량을 나타내고, 특히, 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 85% 이상의 용량이 유지됨을 확인하였다.
< 제3실시예 >
본 발명의 제3실시예는 탄소나노튜브만을 이용하여 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하고, 페이스트를 형성한 후 전극을 형성하는 형태로 나머지 과정은 상기 제1실시예와 동일한 과정으로 전극을 제조하였다.
그리고 비축전 용량을 계산한 결과, 도6에서 보는 바와 같이, 비축전용량은 탄소나노튜브-그래핀 복합체(제1실시예)에 비해 작은 비축전용량 값을 나타내었다. 그러나 탄소나노튜브를 단독으로 사용할 경우도 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 85% 이상의 용량이 유지되는 것을 확인하였다.
< 제4실시예 >
본 발명의 제4실시예는 그래핀만을 이용하여 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하고, 페이스트를 형성한 후 전극을 형성하는 형태로 나머지 과정은 상기 제1실시예와 동일한 과정으로 전극을 제조하였다.
그리고 비축전 용량을 계산한 결과, 도6에서 보는 바와 같이, 비축전용량은 탄소나노튜브-그래핀 복합체(제1실시예)에 비해 작은 비축전용량 값을 나타내었다. 그러나 그래핀을 단독으로 사용할 경우도 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 85% 이상의 용량이 유지되는 것을 확인하였다.
이상에서와 같이, 다중수소결합에 의해 다양한 탄소나노소재의 페이스트화가 가능하고, 다양한 탄소나노소재를 복합화하여 단일 소재를 사용할 경우에 비해 우수한 성능의 슈퍼커패시터 구현 가능하며, 분산제 등의 첨가제를 사용하지 않고 전극을 형성할 수 있어 상용화 관점에서 유리하며, 탄소나노소재의 전도도 손해없이 탄소나노소재의 페이스트화가 가능한 기능화 기법으로 고 축전용량의 초고용량 슈퍼커패시터 구현을 위한 고전도성 탄소나노소재 전극 형성이 가능함을 알 수 있다.
그리고, 다중수소결합 관능기에 의한 산화-환원반응(redox reaction)유도를 통한 유사커패시터(pseudocapacitor) 성능을 향상시키고, 다중수소결합 관능기에 의한 메조기공 유도(meso pore) 형성이 용이함을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 초고용량 커패시터의 전극에 있어서,
    상기 전극은, 탄소나노소재로 형성되되,
    상기 탄소나노소재는 표면 또는 말단에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입함에 의해 탄소나노소재 간에 다중수소결합이 이루어지고, 분산제 첨가없이 전도성을 가지는 페이스트 형태의 전극물질로 형성되어, 이를 전극으로 이용함을 특징으로 하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 카본블랙, 흑연, 활성탄소 중 하나 이상이 됨을 특징으로 하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노소재는 SnO2, Co3O4 , RuO2, TiO2, MnO2, Mn3O4, ZnO, Fe3O4 중 하나 이상의 금속산화물재료와 복합화되어 전극으로 형성됨을 특징으로 하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 다중수소결합이 가능한 관능기는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone) 유도체, 2-우레이도-4[H]피리미디놀(4-ureido-4[1H]pyrimidinol) 유도체, 2-우레이도-4-피리미돈(2-uriedo-4-pyrimidone) 유도체, 디아실피리미딘(diacylpyrimidine) 유도체, 우레이도아실피리미딘 (ureidoacylpyrimidine) 유도체, 아세틸아미노트리아진(acetylaminotriazine) 유도체, 우레이도트리아진(ureidotriazine) 유도체, 2,6-디(아세틸아미노)-4-피리딜 (2,6-di(acetylamino)-4-pyridyl) 유도체, 티민(thymine) 유도체, 2-아미노벤즈이미다졸(2-aminobenzimidazole) 유도체, 2,7-디아미노-1,8-나프티리딘(2,7-diamino-1,8-naphthyridine) 유도체, 디(헥사노일아미노)피리미딘 (di(hexanoylamino)pyrimidine) 유도체, 2-부틸우레이도-4-아세틸아미노피리딘(2-butylureido-4-acetylaminopyridine) 유도체 중 하나 이상에 의한 것임을 특징으로 하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극.
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