KR101861356B1 - 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법 - Google Patents
슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101861356B1 KR101861356B1 KR1020170013972A KR20170013972A KR101861356B1 KR 101861356 B1 KR101861356 B1 KR 101861356B1 KR 1020170013972 A KR1020170013972 A KR 1020170013972A KR 20170013972 A KR20170013972 A KR 20170013972A KR 101861356 B1 KR101861356 B1 KR 101861356B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- conductive polymer
- graphene
- carbon
- weight
- parts
- Prior art date
Links
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 103
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 126
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 59
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 26
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 21
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 17
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 15
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 14
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 14
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N Pyrrole Chemical compound C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- -1 polyphenylene vinylene Polymers 0.000 claims description 10
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000004966 Carbon aerogel Substances 0.000 claims description 7
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 claims description 7
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 7
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 claims description 7
- PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N Aniline Chemical compound NC1=CC=CC=C1 PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N Thiophene Chemical compound C=1C=CSC=1 YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000003505 polymerization initiator Substances 0.000 claims description 5
- LYTMVABTDYMBQK-UHFFFAOYSA-N 2-benzothiophene Chemical compound C1=CC=CC2=CSC=C21 LYTMVABTDYMBQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229930182556 Polyacetal Natural products 0.000 claims description 3
- 229920000265 Polyparaphenylene Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 claims description 3
- DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N acetaldehyde Diethyl Acetal Natural products CCOC(C)OCC DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 125000002777 acetyl group Chemical class [H]C([H])([H])C(*)=O 0.000 claims description 3
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 claims description 3
- 229920000553 poly(phenylenevinylene) Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001197 polyacetylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 claims description 3
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 claims description 3
- 229930192474 thiophene Natural products 0.000 claims description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 27
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 9
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 7
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 6
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000007600 charging Methods 0.000 description 5
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 4
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Chemical compound [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010277 constant-current charging Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 3
- 229960002089 ferrous chloride Drugs 0.000 description 3
- NMCUIPGRVMDVDB-UHFFFAOYSA-L iron dichloride Chemical compound Cl[Fe]Cl NMCUIPGRVMDVDB-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 3
- AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CCNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 2
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 2
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 description 2
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000010344 sodium nitrate Nutrition 0.000 description 2
- 239000004317 sodium nitrate Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- YIWGJFPJRAEKMK-UHFFFAOYSA-N 1-(2H-benzotriazol-5-yl)-3-methyl-8-[2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carbonyl]-1,3,8-triazaspiro[4.5]decane-2,4-dione Chemical compound CN1C(=O)N(c2ccc3n[nH]nc3c2)C2(CCN(CC2)C(=O)c2cnc(NCc3cccc(OC(F)(F)F)c3)nc2)C1=O YIWGJFPJRAEKMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006245 Carbon black Super-P Substances 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002388 carbon-based active material Substances 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/02—Elements
- C08K3/04—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
- C08L101/12—Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L65/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/44—Raw materials therefor, e.g. resins or coal
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
본 발명은 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 그래핀; 및 상기 그래핀 상에 형성된 도전성 폴리머를 포함하며, 상기 그래핀은 도전성 폴리머 100 중량부당 1 ~ 10 중량부로 포함되는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 제공한다.
Description
본 발명은 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 슈퍼커패시터 음극 물질로 활용할 수 있는 복합체를 제공함으로써, 기존 커패시터 전극재료보다 긴 수명과 고율 특성을 지닌 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최첨단 전자, 정보통신의 산업의 발달과 함께 에너지 저장 장치 분야는 꾸준하게 많은 연구가 진행되고 있다. 에너지밀도 및 출력밀도가 높은 차세대 에너지 저장 장치의 개발이 요구되면서, 리튬이온, 납축전지, 니켈 수소전지 등의 2차 전지는 일반적으로 에너지 밀도 측면에서 슈퍼커패시터보다 뛰어나지만 전력밀도는 낮다.
반면, 전기화학 커패시터는 기존의 커패시터와 리튬 이온전지의 중간 정도 위치로서, 커패시터보다 에너지밀도가 높으며 리튬 이온전지에 비해 수명이 길고 출력밀도가 높은 특성을 지닌다. 또한, 슈퍼커패시터는 배터리에 비해 충방전 과정이 빠르며 수명 또한 길다는 장점을 가지고 있다.
최근 슈퍼커패시터는 효율이 높은 적절한 전극물질 및 구조를 찾기 위한 연구가 진행되어 왔다. 이차전지와 같이 산화 환원 과정에서 있는 패러데이 메커니즘에 기인하는 전지와는 달리 커패시터는 가역적인 이온들의 물리적 흡착 및 탈착에 의해 생기는 전기 이중층에 의한 비 패러데이 메커니즘으로 이루어진다. 통상적인 전기 이중 충을 이용한 커패시터는 탄소계 활물질의 표면에서의 물리적 흡탈착에 의한 에너지 저장을 이용하기에 에너지밀도를 높이는 데는 한계가 있다.
따라서, 도전성 폴리머나 전이금속산화물을 이용한 유사 커패시터의 개발이 활발히 진행되고 있다.
탄소계 전극물질은 주로 전기 이중층에 에너지를 저장함으로 비교적 높은 출력 특성을 나타내지만 에너지 저장량이 낮은 단점이 있고, 비표면적과 산화환원 반응을 동시에 이용하는 금속산화물 계는 높은 축전용량을 나타내는 장점과 소재가 비싼 단점이 있다.
한편, 도전성 폴리머는 높은 축전량을 가지고 가공성 측면에서 장점을 가지고 있지만 수명특성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 높은 비표면적과 전기 전도성을 제공하는 그래핀과, 플렉서블하고 경량이며 고유의 신축성을 지닌 도전성 폴리머로 구성된 복합체를 제공함으로써, 기존의 그래핀 보다 향상된 수명과 높은 충방전 효율 특성을 지니고 있으며, 기존의 전기 이중층 커패시터의 성능보다 우수한 성능을 가지도록 하는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체는 그래핀; 및 상기 그래핀 상에 형성된 도전성 폴리머를 포함하며, 상기 그래핀은 도전성 폴리머 100 중량부당 1 ~ 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 도전성 폴리머는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리아세틸렌, 폴리아세탈, 폴리이소티아나프텐 및 폴리파라페닐렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체는 도전성 폴리머 100 중량부당 5 ~ 20 중량부의 탄소물질을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 서말 블랙, 흑연, 코크스, 열분해 탄소(pyrolitic carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 활성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법은 강산에 그래핀 및 도전성 폴리머 단량체를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(S30); 및 상기 혼합 용액에 중합 개시제를 첨가하여 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 형성하는 단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합 용액은 도전성 폴리머 단량체 100중량부당 1 ~ 10 중량부의 그래핀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전성 폴리머 단량체는 아닐린, 피롤, 티오펜, 페닐렌비닐렌, 페닐렌설파이드, 아세틸렌, 아세탈, 이소티아나프텐 및 파라페닐렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 혼합 용액은 도전성 폴리머 단량체 100 중량부당 5 ~ 20 중량부의 탄소물질을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 서말 블랙, 흑연, 코크스, 열분해 탄소(pyrolitic carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 활성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 그라파이트 산화물(GO)을 제조하는 단계(S10); 및 상기 그라파이트 산화물(GO)을 환원시켜 그래핀을 형성하는 단계(S20)를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 음극 물질을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 음극 물질을 포함하는 슈퍼커패시터 전극을 제공한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법은 그래핀과, 플렉서블하고 경량이며 고유의 신축성을 지닌 도전성 폴리머로 구성된 복합체를 제공함으로써, 기존의 그래핀 보다 향상된 수명과 충방전 효율이 높은 특성을 지니고 있으며, 기존의 전기 이중층 커패시터의 성능보다 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법의 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 카본나노튜브 첨가에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 푸리에 변환 적외분광법(FT-IR)으로 측정된 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 비용량 측정 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 8의 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 주사속도 변경에 따른 순환전압전류의 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 구성하는 그래핀, 도전성 폴리머, 및 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 주사전자현미경(SEM)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 3, 실시예 8 및 비교예 1의 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 순환전압전류의 곡선을 나타낸다.
도 8에서 실시예 3, 실시예 8 및 비교예 1의 정전류 충방전법을 이용하여 측정한 그래프를 나타낸다.
도 9는 실시예 8 및 비교예 1의 싸이클 수(Cycle number)에 따른 비용량 측정결과를 그래프이다.
도 2는 본 발명의 카본나노튜브 첨가에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 푸리에 변환 적외분광법(FT-IR)으로 측정된 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 비용량 측정 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 8의 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 주사속도 변경에 따른 순환전압전류의 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 구성하는 그래핀, 도전성 폴리머, 및 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 주사전자현미경(SEM)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 3, 실시예 8 및 비교예 1의 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 순환전압전류의 곡선을 나타낸다.
도 8에서 실시예 3, 실시예 8 및 비교예 1의 정전류 충방전법을 이용하여 측정한 그래프를 나타낸다.
도 9는 실시예 8 및 비교예 1의 싸이클 수(Cycle number)에 따른 비용량 측정결과를 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체는 그래핀; 및 상기 그래핀 상에 형성된 도전성 폴리머를 포함할 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 상기 복합체는 그래핀 표면 위에 코팅되는 도전성 폴리머계가 그래핀과 화학결합을 지니는 것이 특징이다. 전도성 고분자 모노머가 그래핀 표면 위에 화학결합할 경우, 그래핀의 작용기와 도전성 폴리머계 내의 양쪽성 이온 사이에 새로운 결합이 생성된다. 상기 복합체는 기존의 그래핀을 단독으로 사용했을 때 보다 긴 수명과 높은 충방전 효율을 지닌다.
상기 그래핀은 도전성 폴리머 100 중량부당 1 ~ 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 그래핀은 도전성 폴리머 100 중량부당 1 ~ 3 중량부로 포함된다.
상기 복합체가 상기 중량비 범위로 그래핀을 포함하는 경우, 복합체의 표면 강도와 안정성이 증가될 뿐만 아니라 이온전도도 또한 증가되어 용량 증가와 함께 율속 특성이 향상된다.
상기 도전성 폴리머는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리아세틸렌, 폴리아세탈, 폴리이소티아나프텐 및 폴리파라페닐렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체는 도전성 폴리머 100 중량부당 5 ~ 20 중량부의 탄소물질을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 탄소물질은 도전성 폴리머 100 중량부당 10 ~ 15 중량부, 보다 바람직하게는 12 ~ 15 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 서말 블랙, 흑연, 코크스, 열분해 탄소(pyrolitic carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 활성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는, 상기 탄소물질은 탄소나노튜브이다.
이하, 본 발명의 다른 측면에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법은 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법은 강산에 그래핀 및 도전성 폴리머 단량체를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(S30); 및 상기 혼합 용액에 중합 개시제를 첨가하여 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 형성하는 단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그래핀은 그라파이트 산화물(GO)을 제조하는 단계(S10); 및 상기 그라파이트 산화물(GO)을 환원시켜 그래핀을 형성하는 단계(S20)를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 제조방법을 각 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 그라파이트 산화물(GO)을 제조하는 단계(S10)를 수행한다.
일 예로서, 탄소 전구체와 질산 나트륨을 강산에 녹인 후 아이스 용기에서 교반한다. 교반이 끝나면 과망산간칼륨을 투입하고 다시 교반한 후 증류수를 주입하고 교반한다. 교반이 완료되면 따뜻한 증류수와 과산화수소를 추가로 주입한 후 염산으로 여과 및 세척한다. 고순도의 그라파이트 산화물(GO)을 수득하기 위해 원심분리를 반복하고 분산액을 동결건조하여 파우더 형태의 그라파이트 산화물(GO)을 수득한다.
상기 탄소 전구체는 탄소나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 서말 블랙, 흑연, 코크스, 열분해 탄소(pyrolitic carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 활성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 강산은 황산, 질산, 염산으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 그라파이트 산화물(GO)을 환원시켜 그래핀을 형성하는 단계(S20)를 수행한다.
일 예로서, 상기 단계(S10)에서 제조된 그라파이트 산화물(GO)과 증류수를 혼합한 용액을 초음파 처리한다. 상기 용액을 교반시키면서 환원제를 천천히 주입하여 환원을 수행한다. 상기 환원제는 그라파이트 산화물(GO)의 산소 작용기를 환원시켜 전도성을 증가시키므로, 전기화학적 특성 향상에 기여할 수 있으며, 바람직하게는 수산화 붕소 나트륨(NaBH4) 수용액이다. 상기 환원을 수행한 후 생성된 침전물을 여과하고 에탄올과 물로 세척한다. 세척 후 얻어진 물질을 동결건조하여 그래핀을 수득한다.
다음으로, 강산에 그래핀 및 도전성 폴리머 단량체를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(S30)를 수행한다. 이 때, 상기 혼합 용액은 도전성 폴리머 단량체 100중량부당 1 ~ 10 중량부의 그래핀을 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1 ~ 3 중량부이다.
일 예로서, 상기 단계(S20)에서 제조된 그래핀을 염산 용액에 투입하고 초음파 처리한다. 초음파 처리된 용액에 도전성 폴리머 단량체를 투입하고 다시 초음파 처리하며, 0 ~ 5 ℃로 유지되는 냉각순환장치에서 상기 용액을 위치시킨 후 교반한다.
상기 도전성 폴리머 단량체는 아닐린, 피롤, 티오펜, 페닐렌비닐렌, 페닐렌설파이드, 아세틸렌, 아세탈, 이소티아나프텐 및 파라페닐렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 혼합 용액은 도전성 폴리머 단량체 100 중량부당 5 ~ 20 중량부의 탄소물질을 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 10 ~ 15 중량부, 보다 바람직하게는 12 ~ 15 중량부이다. 상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 서말 블랙, 흑연, 코크스, 열분해 탄소(pyrolitic carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 활성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 탄소나노튜브이다.
또한, 상기 강산은 황산, 질산, 염산으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기 혼합 용액에 중합 개시제를 첨가하여 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 형성하는 단계(S40)를 수행한다.
일 예로서, 0.2 M 염산에 중합 개시제로서 염화제일철(FeCl3)을 용해시킨 후 상기 단계(S30)에 제조된 용액에 천천히 투입한다. 그리고 나서, 12 내지 36 시간 동안 0 ~ 5 ℃를 유지하며 교반함으로써, 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 형성한다.
본 발명의 또 다른 구현 예는 상기 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 음극 물질을 제공한다. 상기 음극 물질은 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 성분들을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예는 상기 음극 물질을 포함하는 슈퍼커패시터 전극을 제공한다. 상기 음극 물질을 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조 방법은 통상의 기술을 제한 없이 사용할 수 있으므로, 그 구체적인 내용의 기재는 본 명세서에서 생략한다.
이하, 본 발명의 제조예, 실시예, 비교예, 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.
하기 제조예, 실시예, 비교예, 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것 일뿐, 본 발명이 하기 제조예, 실시예, 비교예, 및 실험예에 한정되는 것이 아니다.
<
제조예
>
그라파이트
산화물(GO) 제조
(S10) : 그라파이트 산화물(GO)을 제조하기 위해 흑연 1 g, 질산나트륨(sodium nitrate) 1 g을 46 ml의 황산에 녹이고 얼음이 든 용기 속에서 15분 동안 강하게 교반한 후, 과망산간칼륨 5 g을 천천히 넣고 15분 동안 교반하였다. 그 후 두 시간 동안 35 ℃에서 교반한 후, 80 ml의 물을 넣고 15분 동안 교반, 140 ml의 온수와 과산화수소(30 %) 5.2 ml를 추가로 주입한 후 염산(10 %) 150 ml로 여과 및 세척하였다. 고순도의 그래파이트 산화물을 수득하기 위해 원심분리(3600 rpm, 5분)을 반복하고 분산액을 동결건조하여 파우더 형태의 그라파이트 산화물(GO)을 수득하였다.
<
실시예
1 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
(S20) : 제조예에서 제작된 0.1 g의 그라파이트 산화물(GO)과 100ml 증류수에 주입하고 60분 동안 초음파 처리하였다. 상기 용액을 교반시키면서 수산화 붕소 나트륨(NaBH4)를 천천히 주입시킨 후 90 ℃에서 3 시간 동안 교반시켜 환원 과정을 진행하였다. 제조된 용액의 생성된 침전물을 여과하고 에탄올과 물로 세척하였다. 세척 후 얻어진 물질을 동결건조하여 그래핀을 수득하였다.
(S30) : 전도성 폴리머 단량체(피롤)의 무게 중량 대비 1 중량%의 그래핀을 0.2 M 염산용액에 넣고 60분 동안 초음파 처리하였다. 상기 용액에 피롤 0.5 ml 넣고 30분간 초음파 처리하였다. 0 ℃로 유지되는 냉각순환장치에 상기 용액을 위치시킨 후 30분 동안 교반하였다.
(S40) : 0.2 M 염산에 염화제일철(FeCl3)을 용해시킨 후 상기 단계(S30)에 제조된 용액에 천천히 투입하였다. 그리고 나서, 12 내지 36 시간 동안 온도를 유지하며 교반함으로써, 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 제조하였다.
<
실시예
2 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 2 중량%로 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
실시예
3 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 3 중량%로 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
실시예
4 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 5 중량%로 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
실시예
5 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 10 중량%로 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
실시예
6 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 3 중량%로 투입 및 탄소나노튜브의 함량을 5 중량%로 투입 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
실시예
7 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 3 중량%로 투입 및 탄소나노튜브의 함량을 10 중량%로 투입 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
실시예
8 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 3 중량%로 투입 및 탄소나노튜브의 함량을 15 중량%로 투입 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
실시예
9 > 슈퍼커패시터 전극용
그래핀
-도전성 폴리머계 복합체의 제조
단계(S30)에서 그래핀의 함량을 3 중량%로 투입 및 탄소나노튜브의 함량을 20 중량%로 투입 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<
비교예
1 >
그래핀을
제외한 슈퍼커패시터 전극용 도전성
폴리머의
제조
실시예 1의 단계(S20)를 제외하여 도전성 폴리머만 포함된 수퍼커패시터 전극 물질을 제조하였다.
(S30) : 전도성 폴리머 단량체(피롤) 0.5 ml를 0.2 M 염산용액에 넣고 30분간 초음파 처리하였다. 0 ℃로 유지되는 냉각순환장치에 상기 용액을 위치시킨 후 30분 동안 교반하였다.
(S40) : 0.2 M 염산에 염화제일철(FeCl3)을 용해시킨 후 상기 단계(S30)에 제조된 용액에 천천히 투입하였다. 그리고 나서, 12 내지 36 시간 동안 온도를 유지하며 교반함으로써, 그래핀이 제외된 슈퍼커패시터 전극용 도전성 폴리머를 제조하였다.
<
비교예
2 > 본 발명에 따라 제조된
그래핀
비교예 2는 실시예 1에서 단계(S20)까지 실시하여 제조된 그래핀이다.
하기 표 1에 실시예 1 ~ 9, 비교예 1 ~ 2를 정리하였다.
| 구분 | 도전성 폴리머(ml) | 그래파이트 산화물(g) | NaBH4 | 탄소나노튜브(g) |
| 실시예 1 | 0.5 | 0.004835 | ○ | × |
| 실시예 2 | 0.5 | 0.009670 | ○ | × |
| 실시예 3 | 0.5 | 0.014505 | ○ | × |
| 실시예 4 | 0.5 | 0.024175 | ○ | × |
| 실시예 5 | 0.5 | 0.048350 | ○ | × |
| 실시예 6 | 0.5 | 0.014505 | ○ | 0.024175 |
| 실시예 7 | 0.5 | 0.014505 | ○ | 0.048350 |
| 실시예 8 | 0.5 | 0.014505 | ○ | 0.072525 |
| 실시예 9 | 0.5 | 0.014505 | ○ | 0.0967 |
| 비교예 1 | 0.5 | × | × | × |
| 비교예 2 | × | 0.1 | ○ | × |
< 실험예 1 > 복합체의 구조분석
실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 물질을 가지고 푸리에 변환 적외분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)을 이용하여 원자의 결합 정도를 확인하였다. 도 3은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 푸리에 변환 적외분광법(FT-IR)으로 측정된 그래프이다.
실시예 1과 비교예 2를 비교해보면, 환원과 열처리를 통해 그라파이트 산화물(GO)의 작용기(O-H stretch at 3392 cm-1, C-O stretch at 1227 cm-1, C=O at 1731 cm-1) 중, O-H 및 카르복실기를 포함한 다수의 작용기가 제거된 형태가 나타났다.
실시예 1과 비교예 1를 비교해보면, 실시예 1은 C-C (1458 cm-1), C-N (1549 cm-1)의 스펙트럼을 나타냄으로서, 그래핀과 도전성 폴리머계 간 구조적 결합 상태를 확인하였다.
< 실험예 2 > 복합체의 전기화학적 특성 분석
실험예 2는 복합체의 전기화학적 특성을 분석한 것으로, 복합전극의 순환전압전류(Cyclic voltammograms)는 Potentiostat, IVIUMSTAT를 이용하여 측정하였고 3전극계를 이용하였다. 축전용량을 분석하기 위해 작업전극과 상대전극(Pt wire), 그리고 기준전극 SCE를 이용하여 -0.2 ~ 0.8 V의 영역에서 5, 10, 20, 50, 100 mV/s의 주사속도로 측정하였다. 이 때 전해질은 1 M의 NaNO3를 사용하였다.
작업전극을 제조하는 방법은 다음과 같다.
작업전극을 제조하기 위해 상기에 제조된 시료와 도전재(Super-P), 폴리비닐리덴다이플로라이드(PVDF, Aldrich社)를 각각 무게 비 (85:10:5)로 준비하여 N-methyl pyrrolidinone(NMP)에 녹여준다. NMP로 슬러리의 점도를 조절한 후, Nickel foam(1cmX1cm, 1.6t)에 spatula를 이용하여 균일하게 코팅한다. 코팅된 Nickel foam을 60 ℃ 오븐에서 12 시간 동안 건조시킨 후 Roll presser을 이용하여 0.6 t 두께로 압연하여 완성한다.
본 발명의 실시예 1-9 및 비교예 1-2에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 비용량 측정 그래프를 도 4에 나타낸다. 도 4에서, 본 발명의 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체는 비교예에 비해 축전 용량이 매우 향상되므로, 도전성 폴리머가 그래핀 표면 위에 코팅됨으로써 표면 강도와 안정성뿐만 아니라 이온전도도를 증가시켜 용량 증가와 함께 율속 특성 향상에 효과적으로 기여함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 그래핀-도전성 폴리머계 복합체는 높은 충방전 효율과 율속 특성을 지니는 전극 물질을 제조할 수 있다.
나아가, 도 5는 본 발명의 실시예 8에 따른 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 주사속도 변경에 따른 순환전압전류의 곡선을 나타낸 것으로, 도 4 및 5에서 실시예 8은 축전 용량이 우수할 뿐 아니라 주사속도 변화에 따른 용량 변화가 작아 구조적으로 안정적임을 확인할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예 3, 실시예 8 및 비교예 1의 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 순환전압전류의 곡선을 도 7에 도시하였다. 이때, 복합전극의 순환전압전류(Cyclic voltammograms)는 일정 전위기(potentiostat, IVIUMSTAT)을 이용하여 측정 하였고 3 전극 측정 시스템을 이용하였다. 축전용량을 분석하기 위해 작업전극과 상대전극(Pt wire), 그리고 기준전극 SCE(Saturated Calomel Electrode)를 이용하여 -0.8~0.2V의 영역에서 100 mV/s의 주사속도로 측정 하였다. 이 때 전해질은 1 M의 NaNO3를 사용하였다. 도 7을 참고하면, 동일한 주사속도 100 mVs-1 에서, 본 발명 실시예 3 및 8의 복합체가 비교예 1에 비해 용량이 높으며, 실시예 8이 가장 우수하다.
또한, 실시예 3, 실시예 8 및 비교예 1의 정전류 충방전법을 이용하여 측정한 그래프를 도 8에 나타냈다. 정전류 충방전법은 일정전류(galvanostatic)를 인가하여 시간에 따른 전압의 변화를 측정하여 특성을 확인하는 방법이다. 이때 변화하는 전압의 범위를 제어하여 연속적인 충·방전 실험을 통해 그래프를 나타낸다. 도 8을 참고하면, 0.5 A g-1로 동일하게 충방전을 하였을 때, 본 발명 실시예 3 및 8의 복합체가 비교예 1에 비해 용량이 높으며, 실시예 8이 가장 우수하다.
또한 실시예 8 및 비교예 1의 싸이클 수에 따른 비용량 측정결과를 도 9에 나타냈다. 도 9를 참고하면, 실시예 8은 1000 cycles에서도 초기용량의 약 92.7%의 비용량을 유지하며 높은 수명을 지님을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제조 방법으로 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 제조하면 높은 충방전 효율 및 율속 특성을 지니는 전극물질을 제조할 수 있다.
다음으로, 실시예 1-9 및 비교예 1-2의 전류 밀도 1 A에서 초기용량(전류 밀도 0.5 A) 대비 비용량 유지율을 하기 표 2에 나타낸다.
| 구분 | 비용량 유지 (1A / 0.5 A) |
| 실시예 1 | 94.9 % |
| 실시예 2 | 94.2 % |
| 실시예 3 | 96.1 % |
| 실시예 4 | 93.5 % |
| 실시예 5 | 90.7 % |
| 실시예 6 | 90.1 % |
| 실시예 7 | 91.0 % |
| 실시예 8 | 96.3 % |
| 실시예 9 | 89.5 % |
| 비교예 1 | 85.2 % |
| 비교예 2 | 91.6 % |
상기 표 2에서, 실시예 3 및 실시예 8의 복합체가 전류 밀도 1 A에서 초기용량 대비 비용량의 유지 정도가 우수한 것을 확인할 수 있다.
<
실험예
3 > 복합체의 형태학적 특성 분석
도 6을 참고하면, 도 6a는 실시예 1에서 제조된 그래핀의 주사전자현미경(SEM) 이미지이고, 도 6b는 비교예 1의 도전성 폴리머의 SEM 이미지이며, 도 6c, d는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 SEM 이미지이다.
도 6c, 6d에서, 다층으로 구성된 그래핀을 확인할 수 있으며, 그래핀 표면 위에 도전성 폴리머가 코팅되었음을 확인하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (12)
- 그래핀; 및
상기 그래핀 상에 형성된 도전성 폴리머를 포함하며,
상기 그래핀은 도전성 폴리머 100 중량부당 1 ~ 3 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 폴리머는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리아세틸렌, 폴리아세탈, 폴리이소티아나프텐 및 폴리파라페닐렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체. - 제 1 항에 있어서,
도전성 폴리머 100 중량부당 12 ~ 15 중량부의 탄소물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체. - 제 3 항에 있어서,
상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 서말 블랙, 흑연, 코크스, 열분해 탄소(pyrolitic carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 활성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체. - 강산에 그래핀 및 도전성 폴리머 단량체를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(S30); 및
상기 혼합 용액에 중합 개시제를 첨가하여 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 형성하는 단계(S40)를 포함하며,
상기 혼합 용액은 도전성 폴리머 단량체 100중량부당 1 ~ 3 중량부의 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법. - 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 도전성 폴리머 단량체는 아닐린, 피롤, 티오펜, 페닐렌비닐렌, 페닐렌설파이드, 아세틸렌, 아세탈, 이소티아나프텐 및 파라페닐렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 혼합 용액은 도전성 폴리머 단량체 100 중량부당 12 ~ 15 중량부의 탄소물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 서말 블랙, 흑연, 코크스, 열분해 탄소(pyrolitic carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 활성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 그래핀은 그라파이트 산화물(GO)을 제조하는 단계(S10); 및
상기 그라파이트 산화물(GO)을 환원시켜 그래핀을 형성하는 단계(S20)를 포함하는 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체의 제조방법. - 청구항 1의 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 음극 물질.
- 청구항 11의 음극 물질을 포함하는 슈퍼커패시터 전극.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170013972A KR101861356B1 (ko) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170013972A KR101861356B1 (ko) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101861356B1 true KR101861356B1 (ko) | 2018-05-28 |
Family
ID=62451439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170013972A KR101861356B1 (ko) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101861356B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110358137A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-10-22 | 沈阳大学 | 一种多孔网络结构石墨烯/聚苯胺复合干凝胶制备方法 |
| KR102318653B1 (ko) | 2021-03-05 | 2021-10-28 | (주)비엠티 | 전극판 제조방법 및 전극판 |
| CN117238680A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 江西五十铃汽车有限公司 | 一种氧化石墨烯/聚吡咯复合电极材料及其制备方法与应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4294067B2 (ja) * | 2006-11-28 | 2009-07-08 | 横浜ゴム株式会社 | ポリアニリン／炭素複合体を用いた電気二重層キャパシタ |
| KR101119916B1 (ko) | 2009-08-24 | 2012-03-13 | 삼성전자주식회사 | 그래핀 전극과 유기물/무기물 복합소재를 사용한 전자 소자 및 그 제조 방법 |
-
2017
- 2017-01-31 KR KR1020170013972A patent/KR101861356B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4294067B2 (ja) * | 2006-11-28 | 2009-07-08 | 横浜ゴム株式会社 | ポリアニリン／炭素複合体を用いた電気二重層キャパシタ |
| KR101119916B1 (ko) | 2009-08-24 | 2012-03-13 | 삼성전자주식회사 | 그래핀 전극과 유기물/무기물 복합소재를 사용한 전자 소자 및 그 제조 방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Zhang et al., Graphene/Polyaniline Nanofiber Composites as Supercapacitor Electrodes, Chem. Mater. 2010, vol. 22, pp. 1392-1401 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110358137A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-10-22 | 沈阳大学 | 一种多孔网络结构石墨烯/聚苯胺复合干凝胶制备方法 |
| CN110358137B (zh) * | 2019-07-16 | 2022-03-04 | 沈阳大学 | 一种多孔网络结构石墨烯/聚苯胺复合干凝胶制备方法 |
| KR102318653B1 (ko) | 2021-03-05 | 2021-10-28 | (주)비엠티 | 전극판 제조방법 및 전극판 |
| CN117238680A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 江西五十铃汽车有限公司 | 一种氧化石墨烯/聚吡咯复合电极材料及其制备方法与应用 |
| CN117238680B (zh) * | 2023-11-10 | 2024-04-09 | 江西五十铃汽车有限公司 | 一种氧化石墨烯/聚吡咯复合电极材料及其制备方法与应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Polypyrrole film based flexible supercapacitor: mechanistic insight into influence of acid dopants on electrochemical performance | |
| Xinping et al. | A new nanocomposite: Carbon cloth based polyaniline for an electrochemical supercapacitor | |
| Bavio et al. | Flexible symmetric and asymmetric supercapacitors based in nanocomposites of carbon cloth/polyaniline-carbon nanotubes | |
| Lee et al. | Fabrication of polypyrrole (PPy)/carbon nanotube (CNT) composite electrode on ceramic fabric for supercapacitor applications | |
| Snook et al. | Conducting-polymer-based supercapacitor devices and electrodes | |
| Tiwari et al. | Self-assembled polypyrrole hierarchical porous networks as the cathode and porous three dimensional carbonaceous networks as the anode materials for asymmetric supercapacitor | |
| Chen et al. | A general approach toward enhancement of pseudocapacitive performance of conducting polymers by redox-active electrolytes | |
| JP5999367B2 (ja) | 高電子伝導性高分子及びこれを用いた高用量／高出力電気エネルギー貯蔵素子 | |
| Ehsani et al. | Lignin-derived carbon as a high efficient active material for enhancing pseudocapacitance performance of p-type conductive polymer | |
| Luo et al. | Carbon fibers surface-grown with helical carbon nanotubes and polyaniline for high-performance electrode materials and flexible supercapacitors | |
| Abdah et al. | Ternary functionalised carbon nanofibers/polypyrrole/manganese oxide as high specific energy electrode for supercapacitor | |
| Li et al. | Polyaniline nanopillars on surface cracked carbon fibers as an ultrahigh-performance cathode for a flexible rechargeable aqueous Zn-ion battery | |
| Zhou et al. | PEDOT: PSS-assisted polyindole hollow nanospheres modified carbon cloth as high performance electrochemical capacitor electrodes | |
| KR101861356B1 (ko) | 슈퍼커패시터 전극용 그래핀-도전성 폴리머계 복합체 및 그의 제조방법 | |
| Wu et al. | A ternary composite with manganese dioxide nanorods and graphene nanoribbons embedded in a polyaniline matrix for high-performance supercapacitors | |
| Sk et al. | Non-covalent interactions and supercapacitance of pseudo-capacitive composite electrode materials (MWCNTCOOH/MnO2/PANI) | |
| Cao et al. | Redox-active doped polypyrrole microspheres induced by phosphomolybdic acid as supercapacitor electrode materials | |
| Xu et al. | Investigation of polyaniline films doped with Co 2+ as the electrode material for electrochemical supercapacitors | |
| Sellam et al. | Quasi-solid-state pseudocapacitors using proton-conducting gel polymer electrolyte and poly (3-methyl thiophene)–ruthenium oxide composite electrodes | |
| Jiang et al. | Understanding the dual function of oxygen-containing groups in fabricating PANi electrodes and Zn-PANi battery | |
| Lu et al. | 3.6 V high-voltage symmetrical supercapacitor based on reduced graphene oxide/polythiophene aerogels with uniform dispersion | |
| Wang et al. | The high performance of polyaniline-gel network modified electrode in 3-(2, 2, 6, 6-tetramethyl-piperidiynl-1-oxyl)-1-methylylimidazoliumbromide biredox electrolyte used for supercapacitor | |
| KR20150009112A (ko) | 슈퍼커패시터 전극 용 그래핀-이온성 액체 복합물의 제조 방법 | |
| Hosseini et al. | The effect of electro-polymerization method on supercapacitive properties of poly (O-Anisidine)/CNT nanocomposites | |
| Liew et al. | Conducting polymer nanocomposite-based supercapacitors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |