KR101858805B1 - Electrode including Nickel Oxide and Perforated Graphene For Supercapacitor and Manufacturing Method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수퍼캐패시터의 성능을 향상시키고자 하며, NiO/GO로 구성된 전극의 경우, 니켈산화물이 우수한 정전 용량을 지니고 있지만 덮여진 그래핀으로 인해 이온들이 니켈산화물에 도달하지 못하는 문제점을 해결하기 위해, 천공된 그래핀과 니켈산화물 복합체를 전극재로 하였다. 또한, 그래핀의 천공에 의해 늘어난 에지로부터 전해질 이온들을 흡착/저장 효과도 있었다.
즉, 본 발명은, 니켈 발포체(Ni-foam) 위에 니켈산화물(NiO)과 천공된 그래핀(PG)이 복합된 NiO/PG 복합체를 부착한 애노드(양극); 및
니켈 발포체 위에 천공된 그래핀을 부착한 캐소드(음극);을 포함하여,
천공된 그래핀의 구멍을 통하여 전해질 이온이 니켈산화물에 쉽게 접근함과 더불어 에지부위에서 전해질 이온을 흡착/저장하는 효과와 니켈산화물의 전기전도도를 천공된 그래핀이 대신하므로써 복합체의 정전용량을 향상시킨 것을 특징으로 하는 비대칭형 수퍼 캐패시터를 제공하였다.
The present invention aims to improve the performance of a super capacitor. In the case of an electrode made of NiO / GO, nickel oxide has an excellent electrostatic capacity, but the problem of the ions not reaching the nickel oxide due to the covered graphene is solved , And the perforated graphene and nickel oxide complex were used as an electrode material. In addition, there was an effect of adsorbing / storing electrolyte ions from the edges stretched by the punching of graphene.
That is, the present invention relates to an anode (anode) to which a NiO / PG composite in which nickel oxide (NiO) and perforated graphene (PG) are combined on a nickel foam (Ni-foam); And
And a cathode (cathode) to which graphene perforated on the nickel foam is attached,
Through the hole of the perforated graphene, the electrolyte ion easily access to the nickel oxide, and the effect of the adsorption / storage of the electrolyte ion at the edge and the electroconductivity of the nickel oxide are replaced by the perforated graphene, thereby improving the electrostatic capacity of the composite Thereby providing an asymmetric supercapacitor.

Description

니켈산화물과 천공된 그래핀이 적용된 수퍼 캐패시터 용 전극 및 그 제조방법{Electrode including Nickel Oxide and Perforated Graphene For Supercapacitor and Manufacturing Method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrode for a supercapacitor to which nickel oxide and perforated graphenes are applied, and a method of manufacturing the electrode.

본 발명은 수퍼 캐패시터용 전극 구성 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a structure of an electrode for a supercapacitor and a method of manufacturing the same.

근 몇 십년간 휴대용 친환경 에너지에 대한 요구는 급격히 증가하였고, 보다 큰 출력 밀도를 잡아둘 수 있는 용량과 빠른 충방전율, 높은 신뢰도로 인해, 전기 화학적 슈퍼캐퍼시터들(ESs)이 리튬이온 배터리들 (이들은 실제 ESs 보다 더 높은 에너지 밀도(150-250 Wh/kg)를 가진다.) 보다 관심을 끌고 있다. 어떤 식으로든 ESs의 출력밀도 저하 없이 에너지밀도를 강화시킬 수 있다면 상용화를 이룰 수 있을 것이다. 대부분, ESs는 전자 저장 방식들에 따라 두 가지 종류를 나눌 수 있는데, 하나는 전기 이중층 캐퍼시터로, 이온 흡수와 탈착에 의존하는 것이며, 다른 하나는 빠른 표면 산화환원 반응을 이용하는 슈도 커패시터이다. 전기적 이중층 커패시터는 대부분 이중층 전극에 탄소계열 재료들을 활용하는데, 장기 안정성을 보이지만 만족스럽지 않은 비 정전용량 값(SC)을 보인다. 슈도 커패시터들은 대부분 전이 금속 산화물, 전이금속수산화물, 전이금속 층상 이중 수산화물 등으로 구성되며, 전극재료로 사용한다. 그러나 전기 이중층 커패시터 계열보다 낮은 내구성을 보이지만 높은 SC값을 갖는다. In recent decades, the demand for portable, green energy has increased dramatically, and because of the capacity to hold larger power densities, fast charge / discharge rates, and high reliability, electrochemical supercapacitors (ESs) Which has a higher energy density (150-250 Wh / kg) than real ESs. If the energy density can be enhanced without lowering the output density of the ESs in any way, commercialization can be achieved. For the most part, ESs can be divided into two types according to their electronic storage schemes: electrical double layer capacitors, which depend on ion absorption and desorption, and pseudo capacitors that use fast surface redox reactions. Most electrical double layer capacitors utilize carbon-based materials for the double layer electrodes, which exhibit long-term stability, but unsatisfactory non-capacitance values (SC). Most of the pseudo-capacitors are composed of transition metal oxide, transition metal hydroxide, transition metal layered double hydroxide, etc. and used as electrode material. However, it has lower durability than the electric double layer capacitor series, but has a higher SC value.

전이 금속산화물 재료들 중에서 산화니켈(NiO)은 높은 이론적 정전용량과 낮은 전하 생성, 화학적 및 열적 안정성, 그리고 친환경성 때문에 슈도 커패시터 전극으로 사용되고 있다. 그러나 출력밀도가 높지 않고 전기 전도도가 좋지 않아서 이론 전정용량 보다 매우 낮은 값을 갖는다. Of the transition metal oxide materials, nickel oxide (NiO) has been used as a pseudo capacitor electrode due to its high theoretical capacitance, low charge generation, chemical and thermal stability, and environmental friendliness. However, since the output density is not high and the electric conductivity is poor, the value is much lower than the theoretical vestibular capacity.

또한, 산화니켈은 기계적 강도가 약하고 낮은 순환 안정성을 보여서 고성능 ES 소자들의 전극 재료로 사용하는 데에 큰 걸림돌이 된다. NiO의 장점은 살리면서 약점들을 보완하기 위해 NiO와 중합체(폴리머) 또는 그래핀과 같은 활물질들과의 조합이 제안되고 있다. In addition, nickel oxide has poor mechanical strength and low circulation stability, which is a serious obstacle to use as an electrode material for high performance ES devices. The combination of NiO and active materials such as polymer (polymer) or graphene has been proposed to compensate for weaknesses while taking advantage of NiO.

그래핀은 넓은 표면적과 높은 전기 전도성을 가지며, 화학적으로 안정하고, 탄소족 원소들 가운데 기계적 강도가 좋은 2D 재료이다. Cao et al.은 NiO/그래핀 구성의 전극을 이용하여 816 Fg-1(주사속도 5 mV s-1) ES를 보고했으며, Wu et al.은 Ni-foam 표면을 산화시켜 형성된 NiO층과 그래핀을 Ni-foam 자체를 촉매로하여 성장시켜서 전극재로 이용하여 425 F g-1 SC (전류밀도 2 A g-1)를 얻었다고 보고하였다. Jiang et al.은 다공질의 NiO와 reduced graphene oxide의 복합체를 합성하여 전류 밀도 1 A g-1일 때 342.9 F g-1의 정전 용량을 얻었으며, 2000 사이클 이상에서 86.1%의 정전용량 보유를 보였다. NiO/그래핀으로 구성된 ESs의 전극들의 SC 값들은 대부분 낮았는데, 특히 순수한 NiO 전극에 비해 낮았다(이론적인 CS값은 0 내지 0.5 V 전위차 내에서 2584 F g-1). 일반적으로 구멍 뚫리지 않은 그래핀(NG) 시이트들이 전해질 이온의 접근을 차단할 뿐만 아니라 porous NiO 나노구조의 기공(pore)들도 막아 전해액이 NiO 표면과 직접적인 접촉이 적어서 이온 확산 속도와 확산양을 감소시킨다. Graphene is a 2D material that has a large surface area and high electrical conductivity, is chemically stable, and has good mechanical strength among carbon-group elements. Cao et al. Reported an ES of 816 Fg- 1 (scanning speed 5 mV s- 1 ) using a NiO / graphene electrode, and Wu et al. Reported that 425 F g -1 SC (current density 2 A g -1 ) was obtained by growing NiO layer formed by oxidizing Ni-foam surface and graphene using Ni-foam itself as a catalyst . Jiang et al. Synthesized a composite of porous NiO and reduced graphene oxide to obtain a capacitance of 342.9 F g -1 at a current density of 1 A g -1 and a capacitance of 86.1% at over 2000 cycles. The SC values of the electrodes of the ESOs composed of NiO / graphene were mostly low, especially lower than that of the pure NiO electrode (the theoretical CS value was 2584 F g -1 within 0 to 0.5 V potential difference). In general, non-perforated graphene (NG) sheets block the access of electrolyte ions, as well as the pores of porous NiO nanostructures, reducing the direct contact of the electrolyte with the NiO surface, thereby reducing ion diffusion rate and diffusion .

본 발명의 목적은, 높은 SC 값을 가지며, 우수한 정전용량 비와 긴 사이클 수명을 갖는 ESs를 만들기 위한 것이며, 본 발명자들은 이론적 정전용량이 높은 금속산화물의 실제 낮은 정전용량을 개선하는 전극 구성 시스템을 만들고자 하였다. It is an object of the present invention to make ESs having a high SC value, an excellent capacitance ratio and a long cycle life, and the present inventors have developed an electrode configuration system which improves the actual low capacitance of a metal oxide having a high theoretical capacitance I want to make it.

상기 목적에 따라 본 발명은, 이론적 고정전용량을 가진 NiO와 천공된 그래핀 산화물(PG)로 구성된 전극 시스템을 설계/합성하였다. According to the above object, the present invention has designed / synthesized an electrode system composed of NiO having a theoretical fixed total capacitance and perforated graphene oxide (PG).

본 발명에 따른 NiO/천공된 그래핀 산화물(PG)로 구성된 전극은 천공된 그래핀 시이트와 NiO 나노구조체가 성장하면서 뒤엉킨 형태의 복합체를 이루며, 전해질 용액들이 그래핀의 구멍을 통해 NiO 표면까지 쉽게 접근할 수 있으며, 서로 접촉되지 않은 NiO입자들간에 그래핀 시이트에 의해 연결이 되며, NiO의 낮은 전기전도도는 뒤엉켜 붙어있는 그래핀 시이트가 전자 흐름의 경로 역할을 대체함으로써 PG/NiO 나노구조체의 정전용량을 크게 향상시킨다.The electrode composed of the NiO / perforated graphene oxide (PG) according to the present invention forms a complex with the perforated graphene sheet and the NiO nanostructure as they grow, and the electrolyte solutions can easily reach the NiO surface through the holes of the graphene NiO particles are connected by graphene sheets between NiO particles that are not in contact with each other, and the low electrical conductivity of NiO replaces the graphene sheet, The capacity is greatly improved.

PG는 전해질 용액이 NiO 표면까지 잘 도달할 수 있도록 접근 통로를 제공하며, 그래핀의 각 구멍들과 그 구멍에 의해서 형성된 수많은 에지(그래핀 결함)에서 전해질 이온들을 흡착/저장하는 역할을 하므로써 NiO/NG로 구성된 전극보다 더 높은 ES성능을 가져올 것으로 보았기 때문이다. PG provides an access path for the electrolyte solution to reach the surface of the NiO and adsorbs / stores the electrolyte ions in the graphene holes and numerous edges (graphene defects) / NG < / RTI >

PG를 만드는 데에는 화학적 에칭 방법을 사용했다. 초기에는 NiO와 더불어 PG 전극이 그들의 구조와 모폴로지(형태), 화학적 상태와 표면적 등에 있어서 특정 지어 지고, 후반 단계에서는, 이들이 전기화학적 측정에 사용되었다. 본 발명자들은 양극과 음극이 PG 전극의 역할을 한다는 것을 확인하였다. 흥미롭게도, NiO/PG로 구성된 양성 전극과 음성 전극인 PG를 묶어 제작된(NiO/PG||PG) 비대칭 슈퍼커패시터 (AS) 소자는 우수한 성능을 보였고, 1.6 V의 높은 전위에서 상당한 가역 사이클링을 보였고, 출력 밀도 800 W kg-1일 때 에너지 밀도 41.9 Wh kg-1 (8 kW kg-1의 높은 출력밀도에서는 에너지 밀도 3.6 Wh kg-1)를 보였고, 4 A g-1의 높은 방전 전류와 완벽한 사이클링 안정성(10000 사이클 이상일 때 81.2% 보유) 등을 보였다.A chemical etching method was used to make the PG. Initially, PG electrodes along with NiO were specified in their structure, morphology, chemical state and surface area, and in later stages they were used for electrochemical measurements. The present inventors confirmed that the positive electrode and the negative electrode function as a PG electrode. Interestingly, the NiO / PG asymmetric supercapacitor (AS) device fabricated by combining a positive electrode composed of NiO / PG and a PG electrode as a negative electrode exhibited excellent performance and exhibited significant reversible cycling at a high potential of 1.6 V It showed, when the output density of 800 W kg -1 showed an energy density of 41.9 Wh kg -1 (8 high power density in the energy density in kW kg -1 3.6 Wh kg -1) , 4 a g -1 high discharge current and And perfect cycling stability (81.2% at over 10000 cycles).

본 발명자들은 AS 소자의 성능을 붉은 LED를 점등하여 시험하였는데, 놀랍게도 LED의 ON 상태를 600s 이후에도 유지할 수 있는 능력을 보였다. 이는 본 발명의 현실적인 잠재력을 보여준 것이다. 또한, 본 발명에서 얻은 결과들은 이전에 보고된 NiO/수산화물 기반의 AS 소자 성능보다 월등히 좋았다.The present inventors tested the performance of the AS element by turning on the red LED, and surprisingly, it showed the ability to maintain the ON state of the LED even after 600s. This shows the realistic potential of the present invention. In addition, the results obtained in the present invention were much better than previously reported NiO / hydroxide based AS device performance.

본 발명에 따른, 바인더 사용 없이 산화니켈(NiO)/천공된 그래핀(PG)으로 구성된 고표면적 전극은 Ni 발포체 위에 직접적으로 열수용법을 통해 합성되는데, 이는 비대칭 슈퍼 커패시터의 NiO/PG||PG 배열 구성에 적용되는 애노드 전극 물질로 구상된다. 상용화를 위해서는, 높은 비 정전용량과 더 큰 에너지 밀도 및 출력 밀도를 제공하는 AS 소자들을 개발하는 것이 중요하다. According to the present invention, a high surface area electrode composed of nickel oxide (NiO) / perforated graphene (PG) without the use of a binder is synthesized directly on the Ni foil by hot application, which results in a NiO / PG || PG of asymmetric supercapacitors Lt; RTI ID = 0.0 > anode < / RTI > For commercialization, it is important to develop AS devices that provide high non-electrostatic capacity and greater energy density and power density.

본 발명은, According to the present invention,

기판 위에 니켈산화물(NiO)과 천공된 그래핀(PG)이 복합된 NiO/PG 복합체를 부착한 애노드(양극); 및An anode (anode) to which a NiO / PG composite in which nickel oxide (NiO) and perforated graphene (PG) are combined on a substrate; And

니켈 발포체 위에 천공된 그래핀을 부착한 캐소드(음극);을 포함하여,And a cathode (cathode) to which graphene perforated on the nickel foam is attached,

천공된 그래핀의 구멍을 통하여 전해질 이온이 니켈산화물 표면에 쉽게 접근하고, 천공에 의해 형성된 그래핀 에지에 전해질 이온들을 흡착 저장하는 효과와 니켈산화물의 낮은 전기전도도를 천공된 그래핀이 대신하므로써 전기화학적 특성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 비대칭형 수퍼 캐패시터를 제공한다.The effect of the electrolyte ions on the surface of the nickel oxide through the hole of the perforated graphene, the effect of adsorbing and storing the electrolyte ions on the graphene edge formed by the perforation, and the low electrical conductivity of the nickel oxide by the perforated graphene, Wherein the asymmetric supercapacitor has improved chemical properties.

또한, 본 발명은, Further, according to the present invention,

그래핀 산화물(GO)을 희석하여 서스펜션으로 만들고,The graphene oxide (GO) is diluted to make a suspension,

진한 질산과 그래핀 산화물 서스펜션을 혼합하되, 초음파 처리를 병행하여 혼합하고, The concentrated nitric acid and the graphene oxide suspension were mixed, and the ultrasonic treatment was performed in parallel,

혼합물을 원심분리하고,The mixture was centrifuged,

원심분리로 얻어진 수득물을 투석으로 산을 제거하여 천공된 그래핀(PG)을 얻고,The obtained product obtained by centrifugation was subjected to dialysis to remove the acid to obtain perforated graphene (PG)

천공된 그래핀을 아세틸렌 블랙, 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE) 서스펜션 바인더와 섞어 혼합물을 만들고,The perforated graphene was mixed with acetylene black, and a poly (tetrafluoroethylene) (PTFE) suspension binder to form a mixture,

Ni 발포체 위에 상기 혼합물을 도포 및 건조하여 제조되는 것을 특징으로 하는 수퍼캐퍼시터용 캐소드 제조방법을 제공한다.Coating the mixture on a Ni foil, and drying the mixture.

또한, 본 발명은, Further, according to the present invention,

그래핀 산화물(GO)을 희석하여 서스펜션으로 만들고,The graphene oxide (GO) is diluted to make a suspension,

진한 질산과 그래핀 산화물 서스펜션을 혼합하되, 초음파 처리를 병행하여 혼합하고, The concentrated nitric acid and the graphene oxide suspension were mixed, and the ultrasonic treatment was performed in parallel,

혼합물을 원심분리하고,The mixture was centrifuged,

원심분리로 얻어진 수득물을 투석으로 산을 제거하여 천공된 그래핀(PG)을 얻고,The obtained product obtained by centrifugation was subjected to dialysis to remove the acid to obtain perforated graphene (PG)

상기 천공된 그래핀을, 니켈 전구체를 포함한 용액에 Ni 발포체와 함께 넣고, 열수용법으로 처리되고,The perforated graphene is placed in a solution containing the nickel precursor together with the Ni foil, treated by hot application,

열수용법으로 얻어진 Ni(OH)2/PG 복합체를 Ar 분위기에서 어닐링하여 NiO/PG 복합체 전극을 얻는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing an anode for a super capacitor, characterized in that the Ni (OH) 2 / PG composite obtained by the hot application method is annealed in an Ar atmosphere to obtain an NiO / PG composite electrode.

상기에 있어서, 니켈 전구체를 포함한 용액은, Ni(NO3)2·6H2O 및 히드라진 하이드레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법을 제공한다.In the above, the solution containing the nickel precursor includes Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O and hydrazine hydrate.

상기에 있어서, 열수용법 처리는, 오토클레이브 안에서 실시되고, 니켈 발포체를 용액 위에 수직으로 놓고 4 내지 6시간 동안 80 내지 95℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법을 제공한다.In the above, the hydrothermal treatment is carried out in an autoclave, and the nickel foam is placed vertically on the solution and maintained at 80 to 95 캜 for 4 to 6 hours.

상기에 있어서, 어닐링은 350 내지 450℃로 30분 내지 1시간 30분 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법을 제공한다.In the above, the annealing is performed at 350 to 450 ° C for 30 minutes to 1 hour and 30 minutes.

본 발명에 따르면 정전용량이 크지만 전기전도도가 다소 낮은 니켈산화물과 전기전도성이 우수한 그래핀이 천공된 시이트 형태로 니켈산화물에 뒤엉켜 복합체를 이루어 이온들이 천공된 그래핀의 구멍을 통해 니켈산화물에 쉽게 접근할 수 있어 높은 정전용량을 비롯하여 순환안정성의 향상, 높은 출력밀도 등 각종 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, a nickel oxide having a large electrostatic capacity but a relatively low electrical conductivity and a graphene sheet having excellent electrical conductivity are formed into a sheet of perforated nickel oxide, It is possible to improve various electrochemical characteristics such as high capacitance, improvement of circulation stability, and high output density.

본 발명에 따른, NiO/PG 전극으로 제작된 AS 소자들은 보다 높은 비정전 용량(전류 밀도 3 A g-1일 때 1,458 F g- 1)을 보였고, 완벽한 순환 안정성(5,000 cycles 이상에서 76.8% 정전용량 보유)을 보였으며, NiO/NG 전극으로 제작된 소자(출력 밀도 500 W kg-1일 때 34.2 Wh kg-1, 전류 밀도 1 A g-1, 에서 246.5 F g-1) 보다 더 나은 에너지 밀도와 출력 밀도(750 W kg-1 출력 밀도일 때 50.6 Wh kg-1)를 보였는데, 이는 각각 NG보다 AS 소자들에 있어서의 PG의 중요성을 부각한다(음전극으로는 PG를 사용). The AS devices fabricated with the NiO / PG electrodes according to the present invention exhibited higher non-volatile capacity (1,458 F g - 1 at current density of 3 A g -1 ) and perfect circulation stability (76.8% capacitances at over 5,000 cycles) showed a retention), the better energy density than the element (when the power density of 500 W kg -1 34.2 Wh kg -1 , a current density of 1 a g -1, F 246.5 g -1 in) made of NiO / NG electrode And output density (50.6 Wh kg -1 at 750 W kg -1 output density), highlighting the importance of PG in AS devices (using PG as the negative electrode), respectively.

본 발명자들은 PG의 구멍난 엣지(edge)에 존재하는 결함들이 금속 산화물과 전해질 이온들의 산화 환원 반응 속도를 동일하게 유지시켰고, 그 전기화학적 성능은 천공이 없는 평면 그래핀(NG)을 넘어서, 가역적인 포타슘 저장소들(궁극적으로 비정전용량에 기여)로 작용 되었음을 확신한다. NiO/PG 전극의 전기화학적 측정과 더불어, 표면 모폴로지, 구조, 원소 분석, 표면적 등은 슈퍼커패시터 활용에서 음극활물질로서의 가능성을 확인하기 위해 초기에 검사된다. NiO/PG(애노드)과 PG(캐소드) 전극 재료들을 이용해 디자인한 AS 소자, 즉 NiO/PG||PG는 출력 밀도 800W kg-1에서 에너지 밀도 41.9 W h kg-1를 보였으며, 10,000 사이클 이상일 때 상당히 안정된 비정전용량 안정성(82.1%)을 보였다. 이는 기존의 결과들보다 상당히 우수하다.The present inventors found that the defects existing at the pitted edge of PG kept the oxidation / reduction reaction rate of the metal oxide and electrolyte ions at the same level, and their electrochemical performance exceeded the planar graphene (NG) It is believed to have been acted as phosphorus storage (ultimately contributing to non-invasive capacity). In addition to electrochemical measurements of NiO / PG electrodes, surface morphology, structure, elemental analysis, surface area, etc. are initially tested to confirm the potential of the anode active material in supercapacitor applications. The AS element designed using NiO / PG (anode) and PG (cathode) electrode materials, ie NiO / PG / PG showed an energy density of 41.9 W h kg -1 at an output density of 800 W kg -1 , (82.1%), which were significantly stable. This is significantly better than the existing results.

도 1은 본 발명의 NiO/PG의 제작에 대한 모식도이다.
도 2(a)및 (b)는 NiO의 FESEM 및 HRTEM 이미지, (c) 및 (d)는 NiO/PG 이미지이고 삽도는 SAED 패턴이다.
도 3(a)는 NiO/PG와 PG(삽도)의 XRD 패턴이고, (b)는 Ni 2p의 XPS spectra, (c)는 NiO/PG의 O 1s, (d)는 C 1s XPS spectra이다.
도 4(a)는 N2 등온 흡탈착 곡선(adsorption-desorption isotherms), (b)는 NiO/PG의 기공 크기 분포 곡선이다.
도 5(a) 및 (b)는 NiO/NG와 NiO/PG의 형성 모식도이고, (c)와 (d)는 각각의 FESEM 이미지들이다.
도 6(a)는 CV와 GCD(삽도), (b)는 SC vs. 전류밀도 변화, (c)등가 회로도와 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots), (d) NiO, NiO/PG 및 NiO/NG의 안정성 측정 결과이다.
도 7(a)는 CV (다른 스캔 속도하에서 측정), (b) GCD (다른 전류 밀도에서 측정), (c) 정전용량 보유율 시험 (d) 음극 PG의 나이퀴스트(Nyquist) 측정 및 시뮬레이션 결과이다.
도 8(a)는 CV (다른 스캔 속도하에서 측정), (b) GCD (다른 전류밀도들에 대한 것), (c) SC 변화 vs. 전류 밀도, (d) NiO/PG||PG AS의 순환 성능 (e) 각 참조 번호로부터 얻어진 다른 결과들과 관련된 에너지 밀도와 출력밀도와 관련된 Ragone plots, (f)는 붉은 LED에 두 개의 AS 코인 전지를 직렬연결하여 전력을 공급하여 점등한 디지탈 사진이다.
도 9는 본 발명의 수퍼캐패시터에 대해 LED를 연결하여 600초 동안 점등을 지속시킨 것을 보여주는 사진이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing the production of NiO / PG of the present invention. FIG.
2 (a) and 2 (b) are FESEM and HRTEM images of NiO, (c) and (d) are NiO / PG images and the illustration is a SAED pattern.
3 (a) (B) XPS spectra of Ni 2p, (c) O 1s of NiO / PG, and (d) C 1s XPS spectra of NiO / PG and PG
FIG. 4 (a) is an N 2 isotherm adsorption-desorption curve, and FIG. 4 (b) is a pore size distribution curve of NiO / PG.
5 (a) and 5 (b) are schematic diagrams of formation of NiO / NG and NiO / PG, and (c) and (d) FESEM images.
Figure 6 (a) shows CV and GCD (illustration), (b) shows SC vs. VCD . (C) equivalent circuit diagram and Nyquist plots, (d) NiO, NiO / PG and NiO / NG stability measurements.
Figure 7 (a) shows the results of the Nyquist measurement and simulation results of the cathode PG (measured at different scan speeds), (b) GCD (measured at different current densities) to be.
Figure 8 (a) shows CV (measured at different scan speeds), (b) GCD (for different current densities), (c) SC change vs. Current density, (d) circulation performance of NiO / PG / PG AS (e) Ragone plots, (f) related to energy density and power density associated with other results obtained from each reference number, It is a digital photograph which is turned on by connecting the battery in series and supplying electric power.
FIG. 9 is a photograph showing that the LED is connected to the supercapacitor of the present invention and sustained lighting for 600 seconds. FIG.

이하, 첨부도면을 참조여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

재료material

진한 염산(HCl, 37%), 진한 질산(HNO3, 70%)을 대정 화학에서 구입하였다. Of concentrated hydrochloric acid (HCl, 37%), concentrated nitric acid (HNO 3, 70%) was obtained from vena chemistry.

아세톤과 무수 에탄올 용액들은 SK 화학에서 받았다. 다른 화학물질들, 질산화 니켈 6 수화물(nickel nitrate hexahydrate) (>97%, Ni(NO3)2·6H2O), 수산화칼륨(KOH), 헥시메틸렌테트라민(HMT), 및 그래파이트는 분석용 품위로 사용했고, Sigma Aldrich에서 받은 대로 사용되었다.Acetone and anhydrous ethanol solutions were obtained from SK Chemical. Other chemicals, nickel nitrate hexahydrate (> 97%, Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O), potassium hydroxide (KOH), hexamethylenetetramine (HMT) Used as dignity and as received from Sigma Aldrich.

PG 제작PG production

그래핀 산화물은 그라파이트 파우더를 변형된 Hummers 방법을 통해 제조되었다. 전형적인 반응으로, 상온에서 그라파이트 (8g)와 질산나트륨 (4g)으로 차 있는 2000-ml 플라스크에 H2SO4 (180 mL)을 투입했다. 그 이후 고체 KMnO4 (23 g)를 0 ℃(ice bath)를 유지하면서 천천히 넣는다. 35℃까지 온도를 올린 다음, 혼합물을 180 min 동안 세게 교반한다. 그리고 나서, 0 ℃에서 증류수 375ml를 점진적으로 넣고, 90 ℃로 승온 될 때까지 용액을 5h 동안 교반 한다. 마지막으로, 용액을 1000ml 증류수로 희석하고, 과산화수소수(H2O2, 30 wt.%)로 더 이상 추가적인 가스가 생기지 않을 때까지 처리하였다. 이 과정에서 용액의 색은 진갈색에서 노란색으로 변화하였다. 이 단계에서 용액을 유리 필터를 통해 여과했고, 5% HCl 용액으로 여과물을 세정한 다음 증류수로 다시 세정하였다. 그러고 나서, 얻어진 GO는 0.1 w/v % 서스펜션을 만들기 위해 희석하였고, 밀봉된 50ml 유리병에서 1h 동안 초음파 처리를 하면서 70% 진한 HNO3 39ml와 섞었다. 그 뒤에 혼합물을 45-mL 원심 튜브(centrifuge tube)에 담고, 5번 원심분리를 거쳤고, 그 다음, 투석백(molecular weight cut-off 는 2000 Da)에 넣어 산을 제거하기 위해 1주일간 투석시켰다. 얻어진 결과물은 1 w/v % PG 서스펜션(현탁액)을 만들기 위해 희석시켰다.Graphene oxide was prepared by the modified Hummers method with graphite powder. In a typical reaction, H 2 SO 4 (180 mL) was added to a 2000-ml flask containing graphite (8 g) and sodium nitrate (4 g) at room temperature. Thereafter, solid KMnO 4 (23 g) is slowly added while maintaining the temperature at 0 ° C (ice bath). After raising the temperature to 35 ° C, the mixture is agitated vigorously for 180 min. Then, 375 ml of distilled water is gradually added at 0 ° C, and the solution is stirred for 5 hours until the temperature is raised to 90 ° C. Finally, the solution was diluted with 1000 ml distilled water and treated with hydrogen peroxide water (H 2 O 2 , 30 wt.%) Until no more gas was produced. In this process, the color of the solution changed from dark brown to yellow. At this stage, the solution was filtered through a glass filter, the filtrate was washed with 5% HCl solution and then backwashed with distilled water. Then, the obtained GO is 0.1 w / v% was diluted to make a suspension, while the sonicated for 1h in a sealed 50ml vial was mixed with 70% concentrated HNO 3 39ml. The mixture was then placed in a 45-mL centrifuge tube, centrifuged 5 times and then dialyzed for 1 week to remove the acid by dialysis bag (molecular weight cut-off 2000 Da). The resulting product was diluted to make a 1 w / v % PG suspension.

PG 음극 전극의 제작Fabrication of PG cathode electrode

위의 PG 서스펜션은 60 ℃의 진공 하에서 밤새 건조시켜, PG 가루를 얻었다. PG 전극은 원-폿 용매열(one-pot solvothermal) 과정을 통해 합성되었다. 이러한 전형적인 공정으로서, 30ml의 물에 60mg의 PG를 넣어 진갈색 용액을 만들었고, 후반 단계에서 1h 동안 초음파처리 된다. 그 이후, 혼합물은 50-ml의 테플론으로 라인된 오토클레이브에 옮겨졌고 12h 동안 180℃로 가열된다. 합성된 PG는 진공 오븐 안에서 하룻밤 동안 50℃에서 원심분리 및 건조를 통해 수집된다. 작업 전극은 활물질과 아세틸렌 블랙, 그리고 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE) 서스펜션 (60 wt.%) 바인더를 질량비 8:1:1로 섞고 Ni 발포체 위에 혼합물을 발라서 얻었는데, 이는 전류 컬렉터로 작용하였다. 전극은 진공 오븐에서 50℃로 하룻밤 동안 건조되었다.The above PG suspension was dried overnight under a vacuum of 60 DEG C to obtain PG powder. The PG electrode was synthesized through a one-pot solvothermal process. As a typical process, a dark brown solution was prepared by adding 60 mg of PG to 30 ml of water, and sonicated for 1 h in the latter stage. Thereafter, the mixture was transferred to a 50-ml Teflon line autoclave and heated to 180 ° C for 12 h. The synthesized PG is collected by centrifugation and drying at 50 < 0 > C overnight in a vacuum oven. The working electrode was obtained by mixing the active material with acetylene black and a poly (tetrafluoroethylene) (PTFE) suspension (60 wt.%) Binder in a mass ratio of 8: 1: 1 and applying the mixture on a Ni foil, Respectively. The electrode was dried overnight in a vacuum oven at 50 < 0 > C.

NiO/PG 복합 전극의 제작Fabrication of NiO / PG composite electrode

도 1과 같이 Ni 전구체와 PG가 혼합된 용액에서 Ni-발포체 위로 NiO 나노입자가 성장하면서 PG가 덮인 형태의 PG/NiO 복합체 전극이 만들어진다. 실시예에서 기판은 Ni-발포체를 사용하였으나, 구리 등의 다른 금속일 수 있고, 형태도 시이트형 금속 또는 발포체 금속일 수 있다. As shown in FIG. 1, NiO nanoparticles are grown on the Ni-foam in a mixture of a Ni precursor and PG, thereby forming a PG-coated NiO / PG composite electrode. In embodiments, the substrate may be Ni-foam, but may be another metal such as copper, and the shape may also be sheet metal or foam metal.

사용하기 전에, Ni-발포체(구멍 밀도 110개/inch, 질랑 밀도 320 g/m2, 1 cm ㅧ 1 cm, Artenano Company Limited, Hong Kong )는 다음의 단계를 거쳐 전처리 되었다. 먼저, a) 아세톤에 30min 동안 담가서 그리스를 없애고, b) 묽은 HCl (3.0 mol/L)으로 15min 동안 에칭하고, c) 탈이온수로 씻어내고, d) 말렸다. Prior to use, Ni foams (hole density 110 / inch, veneer density 320 g / m 2 , 1 cm ㅧ 1 cm, Artenano Company Limited, Hong Kong) were pretreated through the following steps. First, a) dipped in acetone for 30 min to remove grease, b) etched with dilute HCl (3.0 mol / L) for 15 min, c) washed with deionized water, and d) dried.

Ni-발포체(foam)를 전처리한 후, 수산화니켈 [Ni(OH)2]의 생장을 위한 전구체를 본 발명자들의 이전 보고서(Xia, Q.; Hui, K. S.; Hui, K.; Hwang, D.; Lee, S.; Zhou, W.; Cho, Y.; Kwon, S.; Wang, Q.; Son, Y. A facile synthesis method of hierarchically porous NiO nanosheets. Mater. Lett. 2012, 69, 69-71.)에 설명한 방법으로 준비하였다.After pre-treating the Ni-foam, a precursor for the growth of nickel hydroxide [Ni (OH) 2 ] was prepared according to a previous report of the present inventors (Xia, Q .; Hui, KS; Hui, K. 2012, 69, 69-69 . Kim, Kwon, S .; Wang, Q .; Son, Y. A facile synthesis method of hierarchically porous NiO nanosheets. Mater. Lett. 71.).

첫 번째로, Ni(NO3)2·6H2O 100mmol, HMT 25mmol, 그리고 30 μL의 히드라진 하이드레이트를 1 w/v % PG 서스펜션 50mL에 녹였고, 균질하게 섞었는데, 이는 상온에서 30min 동안 초음파처리를 하여 실시되었다. 깨끗해진 Ni-발포체 (2 cm ㅧ 4 cm)는 테플론으로 라인 된 오토클레이브 안에 보관된 50-mL 용액 위에 수직으로 놓여지고 5시간 동안 90℃로 유지되었다. 상기 반응시간과 온도는 3 내지 6시간 동안 70 내지 95℃일 수 있다. Ni(OH)2-Ni-발포체 기판은 탈이온수와 에탄올로 세정하여 표면 이온과 분자들을 없앴고, 50℃에서 12h 동안 진공건조 하였다. 이어서, 얻어진 Ni(OH)2/PG 복합체는 Ar 분위기에서 400℃에서 1h 동안 어닐링 하여 NiO/PG 복합체 전극을 만들었다. 상기 어닐링은 300 내지 500℃로 30분 내지 2시간 실시될 수 있다. First, 100 mmol of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, 25 mmol of HMT, and 30 μL of hydrazine hydrate were dissolved in 50 mL of 1 w / v % PG suspension and homogenized by ultrasonication at room temperature for 30 min . The clean Ni-foam (2 cm x 4 cm) was placed vertically on a 50-mL solution stored in a Teflon-lined autoclave and maintained at 90 ° C for 5 hours. The reaction time and temperature may be from 70 to 95 < 0 > C for 3 to 6 hours. The Ni (OH) 2 -Ni-foam substrate was rinsed with deionized water and ethanol to remove surface ions and molecules and vacuum dried at 50 ° C for 12 h. Next, the obtained Ni (OH) 2 / PG composite was annealed in an Ar atmosphere at 400 ° C for 1 hour to form an NiO / PG composite electrode. The annealing may be performed at 300 to 500 DEG C for 30 minutes to 2 hours.

NiO/천공된 그래핀 산화물(PG)로 구성된 전극은 천공된 그래핀 시이트와 NiO 나노구조체가 성장하면서 뒤엉킨 형태의 복합체를 이루며, 전해질 용액이 그래핀의 구멍을 통해 NiO 표면까지 쉽게 접근할 수 있으며, 서로 접촉되지 않은 NiO입자들 간에 그래핀 시이트에 의해 연결이 되며, NiO의 낮은 전기전도도는 뒤엉켜 붙어있는 그래핀 시이트가 전자 흐름의 경로 역할을 대체함으로써 PG/NiO 나노구조체의 정전용량을 크게 향상시킨다.An electrode composed of NiO / perforated graphene oxide (PG) forms a complex of entangled graphene sheets and NiO nanostructures, and the electrolyte solution is easily accessible to the NiO surface through holes in the graphene , The graphene sheet connects NiO particles that are not in contact with each other, and the low electrical conductivity of NiO greatly improves the capacitance of the PG / NiO nanostructure by replacing the grafted sheet, which is attached to the graphene sheet, .

Ni-발포체 위에 형성된 NiO/PG 복합체 전극의 질량은 전극 침적(deposition) 이후의 발포체 무게에서 침적 이전의 발포체 무게를 빼서 확인할 수 있다. 활물질들의 부하(load) 밀도는 대략 모든 전극들에 대해 1.0 mg cm-2이었다. 비교를 위해서 NiO 전극들과 NiO/그래핀 (에칭하지 않은 그래핀 산화물 [GO]) 복합체 역시 같은 조건을 사용해서 전처리하였다.The mass of the NiO / PG composite electrode formed on the Ni-foam can be determined by subtracting the weight of the foam after the electrode deposition from the weight of the foam prior to deposition. The load density of the active materials was approximately 1.0 mg cm -2 for all electrodes. For comparison NiO electrodes and NiO / graphene (unetched graphene oxide [GO]) complexes were also pretreated using the same conditions.

물질 특성 Material property

구조와 위상은 X-ray 회절 패턴으로(XRD, D8-Discovery Brucker, Cu Kα, 40 kV, 40 mA) 분석되었고 0.02o 스텝 사이즈로 2θ 범위 5 내지 80o로 스캐닝했다. 필드 방사 전자 현미경(FESEM, Hitachi, S-4800, 15 kV) 디지털 평면 뷰(digital plane-view) 이미지들을 표면 모폴로지들을 조사하기 위해 사용되었다. NiO 너머 있는 PG의 존재를 알기 위해, 고해상도 투과형 전자 현미경(HRTEM)과 선택된 영역의 전자 회절 디지털 이미지들을 HRTEM Tecnai F20 unit 을 200 kv에서 이용해 녹화하였다. X-ray사진 분광(XPS) 측정은 단색의 Al kα 소스(1486.6 eV)를 이용하는 표면 분석 시스템(VG Scientifics ESCALAB250)을 사용했는데, 이는 Ni-foam에서 NiO/PG 파우더를 쓸어낸 다음 NiO/PG 복합 전극의 화학 결합 상태를 분석하였다. XPS 스펙트럼들은 284.6 eV에서 탄소 C 1s 피크를 보이는 것으로 측정되었다.The structure and phase were analyzed with an X-ray diffraction pattern (XRD, D8-Discovery Brucker, Cu Kα, 40 kV, 40 mA) and scanned in a range of 5 to 80 ° with a 0.02 o step size. Field radial electron microscope (FESEM, Hitachi, S-4800, 15 kV) digital plane-view images were used to investigate surface morphologies. To determine the presence of PG beyond NiO, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and electron diffraction digital images of selected regions were recorded using HRTEM Tecnai F20 unit at 200 kv. X-ray photo spectroscopy (XPS) measurements were performed using a surface analysis system (VG Scientifics ESCALAB250) using a monochromatic Al kα source (1486.6 eV), which sweeps the NiO / PG powder from the Ni-foam, The chemical bonding state of the electrodes was analyzed. XPS spectra were measured to show a carbon Ci peak at 284.6 eV.

전기화학적 측정Electrochemical measurement

전기화학적 테스트들은 삼전극 전기 화학 시스템을 사용하여 상온(25℃)의 1M KOH 전해질 용액에서 실행되었다. 플라티늄 판과 수은/염화수은 이 각각 상대 전극과 기준 전극으로 쓰였다. 순환 전압 전류법(CV) 측정과 갈바노스태틱 충-방전(GCD) 시험들은 Ivium-n-Stat 전기 화학 워크스테이션(Ivium, Netherlands)에서 이루어졌다. 전극의 SC 값은 다음 공식 (1)을 통해 계산한다.Electrochemical tests were performed in a 1M KOH electrolyte solution at room temperature (25 ° C) using a three electrode electrochemical system. Platinum plates and mercury / mercury chloride were used as counter electrodes and reference electrodes, respectively. Cyclic voltammetry (CV) measurements and Galvano static charge-discharge (GCD) tests were performed on an Ivium-n-Stat electrochemical workstation (Ivium, Netherlands). The SC value of the electrode is calculated by the following formula (1).

SC =

Figure 112016053619274-pat00001
(1) SC =
Figure 112016053619274-pat00001
(One)

상기에서, SC는 F/g, I (mA)는 방전전류; m (mg)은 질량, Δ V (V), 및 Δ t (s)는 전압강하와 방전 전하/방전시간이고, 질량은 활물질의 지정 질량(designated mass) 이다.In the above, SC denotes F / g, I (mA) denotes discharge current; m (mg) is the mass, ΔV (V), and Δt (s) are the voltage drop and discharge charge / discharge times, and mass is the designated mass of active material.

AS 제작AS Production

NiO/PG||PG AS는 NiO/PG와 PG를 각각 양성 전극과 음성 전극으로 가지도록 집합시켰다. 전해질의 이온 교환을 위한 폴리프로필렌 셀룰로스 페이퍼 분리판(~16 μm)이 사용되었다. 충전 균형 이론에 따라, 활물질들(NiO/PG:PG)의 질량비는 1:2.96로 추정되었다. 코인 셀 패키징(CR2032) 과정은 AS 소자를 조립하는 과정에서 도입했다. 각각의 전극 칸에 전해질(1M KOH)을 넣고 코인셀 유압식 밀봉 기계(Shenzhen Pengxiangyunda machinery, PX-HS-20)를 사용해 80 kg/cm2으로 눌러 코인셀 안에 밀봉하였다. AS 소자의 SC 식(2)에 따라 GCD 곡선으로부터 계산했다. NiO / PG || PGAs were assembled to have NiO / PG and PG as positive and negative electrodes, respectively. A polypropylene cellulose paper separator (~ 16 μm) was used for the ion exchange of the electrolyte. According to the charge balance theory, the mass ratio of active materials (NiO / PG: PG) was estimated to be 1: 2.96. The coin cell packaging (CR2032) process was introduced during the assembly of AS devices. Electrolytes (1M KOH) were placed in each electrode cell and sealed in a coin cell at 80 kg / cm 2 using a coin cell hydraulic sealing machine (Shenzhen Pengxiangyunda machinery, PX-HS-20). Was calculated from the GCD curve according to the SC equation (2) of the AS element.

SC =

Figure 112016053619274-pat00002
(2) SC =
Figure 112016053619274-pat00002
(2)

I (A)는 방전 전류이고, Δ t (s)는 방전 시간, M(g)은 활물질의 전체 질량, 즉 양극과 음극 전체질량이고, Δ V (V)는 방전 시간 내 출력 변화(IR drop을 제외한)이다. NiO/PG||PG AS 소자의 에너지 밀도(Wh Kg-1)와 출력 밀도(W Kg-1)는 다음 식에 따라 GCD 곡선으로부터 얻었다. V (V) is the output change in the discharge time (IR drop), I (A) is the discharge current, Δt (s) is the discharge time, M (g) is the total mass of the active material, . The energy density (Wh Kg -1 ) and the output density (W Kg -1 ) of the NiO / PG / PG AS device were obtained from the GCD curve according to the following equation.

E = 0.5 × SC × ΔV 2 /3.6 (3) E = 0.5 × SC × Δ V 2 / 3.6 (3)

P = E/Δt (4) P = E / Δt (4)

E (Wh kg -1)는 에너지 밀도, ΔV (V)는 IR drop을 제외한 소자 전압, P (W kg -1) 는 평균 출력 밀도, Δ t (s)는 방전 시간이다. E (Wh kg -1 ) is the energy density, Δ V (V) is the device voltage except IR drop, P (W kg -1 ) is the average power density and Δ t (s) is the discharge time.

표면 모폴로지의 변화Changes in surface morphology

3D Ni-foam 위에 NiO/PG를 제조하기 위해, 70% 진한 HNO3를 탈이온수 용액에 GO 현탁 용액을 교반하면서 추가했다. 그리고, 균질 혼합물을 상온에서 1h 동안 초음파 분산 처리하였다. 충분한 음압 조건에서 초음파는, 탄소질의 표면을 공격하고 뼈대를 망가뜨리는 캐비테이션 버블들 안에서 높은 변형률 및 마찰력을 만들어 낸다. GO의 모서리 부분에 존재하는 HNO3가 손상부에서 대등하게 불포화된 탄소 원자들과 반응하고 탄소 원자들의 부분적인 분리와 제거를 통해 PG로 결과된다. PG 현탁액, 히드라진 하이드레이트와 Ni2+ 전구체들은 균질하게 섞어 기재 물질을 만들었고, 예를 들면, 90℃ 분위기 온도에서 원폿 열수용법을 통해 Ni(OH)2/PG 전극을 합성하였다. NiO/PG 전극은 상기 전극의 400℃에서 1hr 동안 Ar-어닐링 과정을 처리해 얻어졌고, 이는 도 1에 모식도로 제시되어 있다. To prepare NiO / PG on 3D Ni-foam, 70% concentrated HNO 3 was added to the deionized water solution with stirring the GO suspension solution. The homogeneous mixture was subjected to ultrasonic dispersion treatment at room temperature for 1 hour. At sufficient sound pressure conditions, ultrasound creates high strain and frictional forces in cavitation bubbles that attack the carbonaceous surface and destroy the skeleton. The HNO 3 present in the corner of the GO reacts with equally unsaturated carbon atoms in the damaged region and results in PG through partial separation and elimination of carbon atoms. The PG suspension, hydrazine hydrate and Ni 2+ precursors were homogeneously mixed to form a base material. For example, a Ni (OH) 2 / PG electrode was synthesized by one-pot heat treatment at 90 ° C ambient temperature. The NiO / PG electrode was obtained by subjecting the electrode to an Ar-annealing process at 400 ° C. for 1 hour, which is illustrated in FIG.

도 2(a)및 (b)는 NiO의 FESEM 및 HRTEM 이미지, (c) 및 (d)는 NiO/PG 이미지이고 삽도는 SAED 패턴이다. 2 (a) and 2 (b) are FESEM and HRTEM images of NiO, (c) and (d) are NiO / PG images and the illustration is a SAED pattern.

도 3(a)는 NiO/PG와 PG(삽도)의 XRD 패턴이고, (b)는 Ni 2p의 XPS spectra, (c)는 NiO/PG의 O 1s, (d)는 C 1s XPS spectra 이다. 3 (a) (B) XPS spectra of Ni 2p, (c) O 1s of NiO / PG, and (d) C 1s XPS spectra of NiO / PG and PG

도 4(a)는 N2 등온 흡탈착 곡선(adsorption-desorption isotherms), (b)는 NiO/PG의 기공 크기 분포 곡선이다. FIG. 4 (a) is an N 2 isotherm adsorption-desorption curve, and FIG. 4 (b) is a pore size distribution curve of NiO / PG.

본 발명자들은 NiO/NG에 비해, NiO/PG가 이상적인 전기 화학적 전극 물질이 될 수 있다고 예상하였는데(도 5(a), (b) 참조), 이는 일단 a) 보다 짧은 전해질 이온 확산 경로를 제공하고, b) NiO 나노시트의 표면 전체가 전해질과 접촉할 수 있음을 확신하며, c) PG 홀 에지부위에 탄소 결함으로 이온들의 효율적인 흡착이 이루어지므로 추가적인 산화환원/저장 장소를 제공하며, d) 전반적인 전기화학적 성능을 증가시키기 위해 전기이중층 커패시턴스와 슈도커패시턴스 특성이 합쳐진 효과를 볼 수 있다. 또한, NiO/PG는 NiO/NG 보다 매우 높은 화학적 안정성을 가지고 있었는데, 이는 높은 전류 밀도를 보존해 그 내구성을 높일 수 있다. 전해질 용액과 이온들이 NG를 뚫고 금속산화물 표면에 이르지 못하므로, a) 전해질용액과 이온 접근을 방해하고, b) 전체 질량의 증가로 인해 전기화학적 성능을 낮추는 현상이 일어났다(도 5(c)). 반면, NiO/PG는 전해질 이온들의 효율적인 이동을 위해 여러 가지 경로를 제공하였고, 상대적으로 적은 질량으로 인해 향상된 전기화학적 성능을 보였다(도 5(d)). We have anticipated that NiO / PG can be an ideal electrochemical electrode material (see FIGS. 5 (a) and (b)) compared to NiO / NG, which once provided a shorter electrolyte ion diffusion path , b) assuring that the entire surface of the NiO nanosheets can be in contact with the electrolyte, c) providing an additional redox / storage location as the ions are efficiently adsorbed by the carbon defect at the PG hole edge, and d) In order to increase the electrochemical performance, the effect of the electric double layer capacitance and the pseudo capacitance characteristic can be seen. In addition, NiO / PG had a much higher chemical stability than NiO / NG, which can preserve high current density and enhance its durability. (B) the electrochemical performance was lowered due to the increase of the total mass (Fig. 5 (c)), because the electrolyte solutions and ions penetrated the NG and did not reach the surface of the metal oxide, . On the other hand, NiO / PG provided various pathways for efficient migration of electrolyte ions and showed improved electrochemical performance due to relatively small mass (FIG. 5 (d)).

도 6(a)은 CV와 GCD(삽도), (b)는 SC vs. 전류밀도 변화, (c)등가 회로도와 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots), (d) NiO, NiO/PG 및 NiO/NG의 안정성 측정 결과이다.6 (a) shows CV and GCD (illustration), and (b) shows SC vs. VCD . (C) equivalent circuit diagram and Nyquist plots, (d) NiO, NiO / PG and NiO / NG stability measurements.

도 7(a)는 CV (다른 스캔 속도하에서 측정), (b) GCD (다른 전류 밀도에서 측정), (c) 정전용량 보유율 시험 (d) 음극 PG의 나이퀴스트(Nyquist) 측정 및 시뮬레이션 결과이다.Figure 7 (a) shows the results of the Nyquist measurement and simulation results of the cathode PG (measured at different scan speeds), (b) GCD (measured at different current densities) to be.

NiO/PG 복합 전극은 전류 밀도 3 A g-1일 때 최대 정전 용량 1,458 F g-1을 보였으며(NiO/NG 와 NiO 의 SC 값들은 각각 1,171.2 F g-1 와 993.6 F g-1), 이는 같은 전류 밀도일 때, 앞서 보고된 NiO/그래핀 복합 전극들보다 월등히 높은 값이다. 또한, NiO/PG 전극은 완벽한 고속 성능을 보여주었으며, 전류 밀도가 3 에서 20 A g-1로 증가할 때, SC는 31.4%밖에 감소하지 않았으며, 이는 고속 SC 전극 재료들의 중요성을 부각시켰다. The NiO / PG composite electrode showed a maximum capacitance of 1,458 F g -1 at a current density of 3 A g -1 (SC values of NiO / NG and NiO were 1,171.2 F g -1 and 993.6 F g -1, respectively ) This is much higher than the previously reported NiO / graphene composite electrodes at the same current density. In addition, the NiO / PG electrode showed perfect high-speed performance, and when the current density increased from 3 to 20 A g -1 , the SC decreased by only 31.4%, highlighting the importance of high-speed SC electrode materials.

EIS 분석은 주로 슈퍼 커패시터 소자들의 전극 재료들의 이온 이동 성질을 시험하는데 쓰인다. EIS analysis is mainly used to test the ion transport properties of electrode materials in supercapacitor devices.

반원형은 패러대이(faradaic) 반응으로 인한 전하이동 저항(Rct)과 관련이 있다. NiO, NiO/NG, 그리고 NiO/PG 전극들이 그린 본래 반원들의 지름들은 7.0, 3.6, 그리고 2.8 Ω이었으며, 이는 NiO와 PG 간의 좀 더 좋은 계면 접촉이 패러대이 반응 과정 동안 효율적인 전하 확산에 기여했다는 것을 의미한다. 또한, 저주파 영역에서 NiO/PG 전극은 NiO나 NiO/PG 전극들 보다 가장 수직적인 나이퀴스트 선 결과를 보여주었는데, 이는 이러한 전극 물질을 통해 가장 이상적인 캐패시터적인 행동, 즉 이온의 빠른 흡착을 보이며, PG가 충분한 이온 확산 경로들을 제공해 천공된의 구멍을 통해 힘이 거의 없는 이온의 이동을 가능하게 했기 때문이다.The semicircular shape is related to the charge transfer resistance (R ct ) due to the faradaic reaction. The diameters of the original semicircles of NiO, NiO / NG, and NiO / PG electrodes were 7.0, 3.6, and 2.8 Ω, indicating that better interfacial contact between NiO and PG contributed to efficient charge diffusion during the Faraday reaction it means. In the low frequency range, NiO / PG electrodes showed the most vertical Nyquist line results than NiO or NiO / PG electrodes, indicating that the electrode material exhibited the most ideal capacitive behavior, ie, rapid adsorption of ions, Because PG provided sufficient ion diffusion paths to allow the migration of ions with little force through the perforated holes.

비대칭 슈퍼캐패시터의 전기화학적 특성Electrochemical properties of asymmetric supercapacitors

양극 재료로 쓰이는 수득 된 NiO/PG와 음극 재료로 쓰이는 PG의 양호한 전기 화학적 특성 덕분에 1 M KOH를 사용하여 NiO/PG||PG 구성의 AS 소자를 제작하였다. 풀 셀 NiO/PG||PG AS 소자의 0 내지 1.6 V 사이의 CV 곡선들을 도 8a에서 볼 수 있다. 산화환원 피크의 존재는 NiO/PG||PG AS의 패러대이 슈도캐퍼시티브적 반응을 뜻한다. 도 8b는 NiO/PG||PG AS 소자의 다른 전류 밀도하에서의 GCD 양상을 보여준다. 전류 밀도 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 및 10.0 A g-1일 때에 NiO/PG||PG AS소자의 SC device 값들은 각각 117.8, 72.3, 45.0, 33.5, 25.6, 그리고 10.0 F g-1 (도 8c)이었다. NiO/PG||PG AS의 순환 성능을 결정하는데 GCD가 사용되었다. Due to the good electrochemical properties of the obtained NiO / PG used as anode material and PG used as cathode material, 1M KOH was used to fabricate the AS element of NiO / PG / PG composition. CV curves between 0 and 1.6 V of a full-cell NiO / PG / PG AS device can be seen in FIG. The presence of the redox peak indicates the paradoxpseudopacitive response of NiO / PG PG AS. FIG. 8B shows the GCD pattern of the NiO / PG / PG AS device under different current densities. When the current density of 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, and 10.0 g A -1 day NiO / PG PG || the AS device element SC values are respectively 117.8, 72.3, 45.0, 33.5, 25.6, and 10.0 g F -1 It was (FIG. 8 c). GCD was used to determine the circulation performance of NiO / PG / PG AS.

도 8d에서 볼 수 있듯이, NiO/PG||PG AS는 현저한 순환 안정성을 가졌으며, 10000 사이클 이상이 되었을 때에도 ~82%를 보유하였고, 이는 앞서 보고되었던 NiO를 기반으로 한 AS들을 능가한다(도 8d). GCD 곡선을 이용해 계산한 NiO/PG||PG AS소자의 에너지 밀도와 출력 밀도 값들은 라곤 도표(Ragone plot)의 형태로 도 8e에 있다. 이때, 출력밀도가 800 W kg-1일 때 에너지 밀도는 41.9 W h kg-1를 기록했다. 또한, 실험한 것 중 가장 높은 출력 밀도인 8,000 W kg-1에서 에너지 밀도는 of 3.6 W h kg-1이었음이 4 A g-1의 높은 전류밀도에서 확인되었다. 이러한 값들은 앞서 보고되었던 NiO나 NiO/탄소, 또는 Ni(OH)2/탄소 복합체를 기반으로 한 AS들의 에너지 밀도들보다 높다. 가능한 현실적 응용을 보이기 위해 실험실 규모로 조립한 NiO/PG||PG AS소자 두 대를 전류 밀도 3 A g-1로 충전시킨 후, 직렬연결하여 붉은 발광 다이오드에 연결하여 10s간 시험하였다(도 8f). 방전 레벨을 시험하기 위해 우리는 다이오드의 작동을 수백 초 동안 지속하였고, 600s 까지는(도 9) 잘 지속 되고 나서 꺼졌으며, 이에 따라 장차 상용화가 기대된다. As can be seen in FIG. 8D, NiO / PG | PG AS had significant cyclic stability and retained ~ 82% even at over 10000 cycles, surpassing previously reported NiO-based ASs 8 d ). In the form of an NiO / PG || energy density and the output density value PG of the AS device are calculated using the curve GCD And all Table (Ragone plot) in Figure 8 may e. At this time, when the output density was 800 W kg -1 , the energy density was 41.9 W h kg -1 . In addition, the highest energy density of 8,000 W kg -1 of the experiment was observed at a high current density of 4 A g -1 with an energy density of 3.6 W h kg -1 . These values are higher than the energy densities of the ASs based on the previously reported NiO, NiO / carbon, or Ni (OH) 2 / carbon complexes. To demonstrate the practical application as possible, two NiO / PG / PG AS devices assembled on a laboratory scale were charged at a current density of 3 A g -1 , connected in series, and connected to a red light emitting diode for 10 s f ). To test the discharge level, we continued the operation of the diode for several hundreds of seconds, continued well until 600 s (Fig. 9), and then turned off, which is expected to be commercialized in the future.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiment, but is capable of many modifications and variations within the scope of the appended claims. It is self-evident.


도면부호 없음.

No reference symbol.

Claims (6)

기판 위에 니켈산화물(NiO)과 천공된 그래핀(PG)이 복합된 NiO/PG 복합체를 부착한 애노드(양극); 및
니켈 발포체 위에 천공된 그래핀을 부착한 캐소드(음극);을 포함하여,
천공된 그래핀의 구멍을 통하여 전해질 이온이 니켈산화물 표면에 쉽게 접근하고, 서로 접촉되지 않은 NiO 입자들이 천공된 그래핀에 의해 연결되고, 천공에 의해 형성된 그래핀 에지에 전해질 이온들을 흡착 저장하는 효과와 니켈산화물의 낮은 전기전도도를 천공된 그래핀이 대신 보완함으로써 전기화학적 특성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 비대칭형 수퍼 캐패시터.
An anode (anode) to which a NiO / PG composite in which nickel oxide (NiO) and perforated graphene (PG) are combined on a substrate; And
And a cathode (cathode) to which graphene perforated on the nickel foam is attached,
The effect that the electrolyte ions easily approach the surface of the nickel oxide through the holes of the perforated graphene, the NiO particles which are not in contact with each other are connected by the perforated graphene, and the adsorption and storage of the electrolyte ions on the graphene edge formed by the perforation And an electrochemical characteristic is improved by complementing the low electrical conductivity of the nickel oxide instead of the perforated graphene.
그래핀 산화물(GO)을 희석하여 서스펜션으로 만들고,
진한 질산과 그래핀 산화물 서스펜션을 혼합하되, 초음파 처리를 병행하여 혼합하고,
혼합물을 원심분리하고,
원심분리로 얻어진 수득물을 투석으로 산을 제거하여 천공된 그래핀(PG)을 얻고,
천공된 그래핀을 아세틸렌 블랙, 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE) 서스펜션 바인더와 섞어 혼합물을 만들고,
Ni 발포체 위에 상기 혼합물을 도포 및 건조하여 제조되는 것을 특징으로 하는 수퍼캐퍼시터용 캐소드 제조방법.
The graphene oxide (GO) is diluted to make a suspension,
The concentrated nitric acid and the graphene oxide suspension were mixed, and the ultrasonic treatment was performed in parallel,
The mixture was centrifuged,
The obtained product obtained by centrifugation was subjected to dialysis to remove the acid to obtain perforated graphene (PG)
The perforated graphene was mixed with acetylene black, and a poly (tetrafluoroethylene) (PTFE) suspension binder to form a mixture,
Wherein the mixture is coated on a Ni foil and dried to form a cathode.
그래핀 산화물(GO)을 희석하여 서스펜션으로 만들고,
진한 질산과 그래핀 산화물 서스펜션을 혼합하되, 초음파 처리를 병행하여 혼합하고,
혼합물을 원심분리하고,
원심분리로 얻어진 수득물을 투석으로 산을 제거하여 천공된 그래핀(PG)을 얻고,
상기 천공된 그래핀을, 니켈 전구체를 포함한 용액에 Ni 발포체와 함께 넣고, 열수용법으로 처리되고,
열수용법으로 얻어진 Ni(OH)2/PG 복합체를 Ar 분위기에서 어닐링하여 NiO/PG 복합체 전극을 얻는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법.
The graphene oxide (GO) is diluted to make a suspension,
The concentrated nitric acid and the graphene oxide suspension were mixed, and the ultrasonic treatment was performed in parallel,
The mixture was centrifuged,
The obtained product obtained by centrifugation was subjected to dialysis to remove the acid to obtain perforated graphene (PG)
The perforated graphene is placed in a solution containing the nickel precursor together with the Ni foil, treated by hot application,
Wherein the NiO / PG composite electrode is obtained by annealing the Ni (OH) 2 / PG composite obtained by the hydrothermal method in an Ar atmosphere.
제3항에 있어서, 니켈 전구체를 포함한 용액은, Ni(NO3)2·6H2O 및 히드라진 하이드레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법.The method for producing an anode for a super capacitor according to claim 3, wherein the solution containing the nickel precursor includes Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O and hydrazine hydrate. 제3항에 있어서, 열수용법 처리는, 오토클레이브 안에서 실시되고, 니켈 발포체를 용액 위에 수직으로 놓고 4 내지 6시간 동안 80 내지 95℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법.4. The method of claim 3, wherein the hydrothermal treatment is carried out in an autoclave, wherein the nickel foam is placed vertically on the solution and maintained at 80 to 95 DEG C for 4 to 6 hours. 제3항에 있어서, 어닐링은 350 내지 450℃로 30분 내지 1시간 30분 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 수퍼 캐퍼시터용 애노드의 제조방법.
4. The method according to claim 3, wherein the annealing is performed at 350 to 450 DEG C for 30 minutes to 1 hour and 30 minutes.
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