KR101933512B1 - electrode composition in pseudo type capacitor, electrode using the same and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수도커패시터용 전극 조성물, 이를 포함하는 수도커패시터용 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로 설명한 수도커패시터용 전극 제조를 위한 전극 수지 제조시, 특정 금속산화물을 도입하여 전기적 특성을 크게 향상시킨 수도커패시터용 전극을 제공함으로써, 이를 이용한 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도, 출력 밀도 및 장기수명안정성을 크게 향상시킨 수도커패시터를 제공할 수 있는 발명에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode composition for a water capacitor, an electrode for a water capacitor including the same, and a method for manufacturing the electrode capacitor. More particularly, the present invention relates to an electrode composition for a water capacitor, The present invention relates to an electrode capacitor capable of providing an electrode for a capacitive capacitor which is greatly improved, and capable of greatly improving a non-discharge capacity, a charge / discharge efficiency, an energy density, an output density and a long-term life stability.

Description

수도커패시터용 전극 조성물, 이를 포함하는 수도커패시터용 전극 및 이의 제조방법{electrode composition in pseudo type capacitor, electrode using the same and manufacturing method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode composition for a water-storage capacitor, an electrode for a water-storage capacitor including the electrode composition,

본 발명은 수도커패시터용 전극 조성물, 이를 포함하는 수도커패시터 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 우수한 수도커패시터용 전극 조성물, 이를 포함하는 수도커패시터 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode composition for a water capacitor, a water capacitor electrode including the same, and more particularly to an electrode composition for a water capacitor having an excellent non-discharge capacity, charge / discharge efficiency, energy density and power density, A capacitor electrode and a method of manufacturing the same.

최근 휴대용 전자 및 통신기기, 전기자동차 등의 구동용 전원은 고에너지 밀도뿐만 아니라 고출력의 에너지원을 요구하고 있다. 이러한 요구에 부응하여 최근 개발되고 있는 에너지 저장장치로서, 전기화학적 원리를 이용한 리튬계 이차전지와 슈퍼 커패시터(super-capacitor)가 대표적이다.In recent years, driving power sources for portable electronic and communication devices and electric vehicles are demanding not only high energy density but also high power energy sources. Lithium-based secondary batteries and super-capacitors using electrochemical principles are typical examples of recently developed energy storage devices in response to these demands.

상기 리튬계 이차전지의 경우에는 고출력 에너지를 제공할 수 있는 능력이 부족하며, 가혹한 환경에서 작동시에는 전지수명의 현저한 저하를 초래하게 되는 단점이 있다. In the case of the lithium-based secondary battery, the ability to provide high output energy is insufficient, and when the battery operates in a severe environment, the life of the battery deteriorates remarkably.

반면에, 상기 슈퍼 커패시터는 전극/전해질 계면에서의 가역적인 페러데이(faradaic) 산화/환원반응을 이용하는 것으로, 상기 리튬계 이차전지에 비해 에너지 밀도는 떨어지나, 월등히 높은 출력밀도를 보유하고 있어 고출력의 에너지를 공급할 수 있으며, 충전/방전시간 및 그 수명에 있어서도 월등히 우수한 값을 나타내는 것으로 알려져 있다.On the other hand, the supercapacitor utilizes a reversal faradaic oxidation / reduction reaction at the electrode / electrolyte interface, which has an energy density lower than that of the lithium-based secondary battery but has a significantly higher output density, And it is known that it exhibits a significantly superior value in charge / discharge time and life span.

상기 슈퍼 커패시터는 크게 3가지 종류로 나눌 수 있다. 전극/전해질 계면부근의 전기이중층(electric double layer)에서의 정전기적 인력에 의한 전하의 분리(charge separation)에 의하여 전기적 에너지가 축적되는 전기이중층 커패시터(EDLC: electric double layer capacitor)와, 전극/전해질 계면에서의 가역적인 전기화학적 산화/환원(redox) 반응에 의해 전기적 에너지가 축적되는 수도커패시터(pseudo capacitor)와 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)가 있다.The supercapacitor can be roughly divided into three types. An electric double layer capacitor (EDLC) in which electrical energy is accumulated by charge separation due to electrostatic attraction in an electric double layer near the electrode / electrolyte interface, and an electrode / electrolyte There are pseudo capacitors and hybrid capacitors in which electrical energy is accumulated by a reversible electrochemical oxidation / reduction reaction at the interface.

특히, 슈퍼 커패시터 중에서 상기 수도커패시터는 기본적인 에너지 저장 원리가 전지와 같은 금속산화물에서 발생하는 전기화학반응을 이용한다. 다시 말해 전지는 충방전에 따른 전압과 시간의 특성 곡선이 일정한 전압에서 평탄면(plateau)을 보이는 반면, 금속산화물 전기화학 수도커패시터는 직선의 곡선을 보인다. 커패시터가 아닌 수도 커패시터라고 칭하는 이유는, 커패시터의 특성은 전기이중층 커패시터처럼 전기이중층의 형성에 의한 것이 정상적이고 전기화학반응에 의해서는 커패시터적 특성이 나오기 힘든데도 일부 금속산화물에서는 전지의 특성이 아닌 캐패시터의 특성이 나오기 때문이다. In particular, among the super capacitors, the water storage capacitor utilizes an electrochemical reaction in which the basic energy storage principle occurs in a metal oxide such as a battery. In other words, the battery exhibits a plateau at a constant voltage and time curve with charge and discharge, while the metal oxide electrochemical capacitors exhibit a straight line curve. The reason why the capacitors are called capacitors other than capacitors is that the characteristics of the capacitors are normal due to the formation of the electric double layer like electric double layer capacitors and it is difficult to obtain the capacitor characteristic by the electrochemical reaction, Because of the characteristics of.

수도커패시터는 금속산화물 및 전도성 고분자를 이용하며, 전도성 고분자는 공액(conjugation) 고분자를 이용하여 제조하는데, 공액 고분자는 탄소보다 높은 용량을 가지며 기계적, 화학적, 광학적 특성이 뛰어나며 부식안정성, 화학적 또는 전기화학적 합성의 가능성을 가진다. 이러한 공액 고분자는 원자들, 특히 탄소 원자와 탄소 원자 사이, 탄소 원자와 질소 원자 사이에 단일결합과 이중결합을 가지는 것을 기본으로 한다. 이러한 공액 결합을 지니는 화합물들은 그 자체로는 전도성을 나타내지 않으나, 도판트(dopant)를 이용해 도핑을 시키면 전도성 고분자가 된다.Conductive polymers are made by using conjugated polymers. Conjugated polymers have higher capacity than carbon, have excellent mechanical, chemical and optical properties, and have corrosion stability, chemical or electrochemical Has the possibility of synthesis. These conjugated polymers are based on having atoms, especially between carbon atoms and carbon atoms, and between single and double bonds between carbon and nitrogen atoms. The compounds having such a conjugate bond do not exhibit conductivity in themselves, but doping with a dopant results in a conductive polymer.

전도성 고분자는 위의 특성 때문에 태양 전지, 경량화 배터리, 발광 다이오드, 에너지 저장장치, 센서 등 다양한 응용분야에 활용되고 있다. The conductive polymer is used in various applications such as solar cells, light-weight batteries, light emitting diodes, energy storage devices, and sensors due to the above characteristics.

종래 기술 중 한국공개특허 제2012-0138084호에는 알루미늄 고분자 커패시터 및 제조 방법을 기재하고 있는데, 이와 같은, 전도성 고분자를 포함하는 수도커패시터는 낮은 가격, 환경적 안정성, 쉬운 합성 등의 장점 때문에 많은 주목을 받고 있다. Korean Unexamined Patent Publication No. 2001-0138084 discloses an aluminum polymer capacitor and a manufacturing method thereof. Such a water-based capacitor including a conductive polymer has attracted a lot of attention due to advantages such as low cost, environmental stability, and easy synthesis. .

하지만, 이와 같은 전도성 고분자를 포함하는 수도커패시터는 충전 용량이 충분히 않을 뿐만 아니라, 사이클 수명(cyclic life)이 낮고, 에너지 밀도가 낮은 문제점이 있다.However, such a water-containing capacitor including a conductive polymer has a problem that not only the charging capacity is sufficient, but also the cyclic life is low and the energy density is low.

대한민국 공개번호 제2008-0112759호(공개일 2008. 12. 26)Korean Public Release No. 2008-0112759 (published on December 26, 2008) 대한민국 등록번호 제 20-0433930호(공고일 2006. 12. 13)Korean Registration No. 20-0433930 (Notification Date: Dec. 13, 2006)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 첫 번째 과제는 비정전용량이 우수한 수도커패시터용 전극 조성물을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and one of the objects of the present invention is to provide an electrode composition for a capacitive capacitor having an excellent non-discharge capacity.

본 발명의 해결하려는 두 번째 과제는 비정전용량 뿐만 아니라 충방전효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 우수한 수도커패시터용 전극을 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide an electrode for a tap capacitor which is excellent in charge / discharge efficiency, energy density and output density as well as non-discharge capacity.

본 발명의 해결하려는 세 번째 과제는 등가직렬저항(Equivalent Serial Tesistance, ESR)이 낮은 수도커패시터용 전극 제조방법을 제공하는 것이다.A third object of the present invention is to provide a method of manufacturing an electrode for a water-cooled capacitor having a low equivalent serial resistance (ESR).

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 수도커패시터용 전극 조성물에 관한 것으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물, 복합금속산화물 및 바인더를 포함한다.In order to solve the above-described problems, the present invention relates to an electrode composition for a tap capacitor, which comprises a polymer compound containing a repeating unit represented by the following formula (1), a composite metal oxide and a binder.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112016088371312-pat00001
Figure 112016088371312-pat00001

상기 화학식 1에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, x는 0 ≤ x ≤ 1를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.X and y are molar ratios of monomers constituting the repeating unit, x + y = 1, x is a rational number satisfying 0? X? 1, z is a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000 .

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 전극 조성물에 있어서, 상기 복합금속산화물은 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 포함하며, 상기 TiO2 입자의 전부 또는 일부가 MnO2 분말의 기공에 내재되어 일체화되어 있을 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, in the electrode composition of the present invention, the composite metal oxide includes porous MnO 2 powder and TiO 2 particles, and all or a part of the TiO 2 particles are embedded in the pores of the MnO 2 powder And may be integrated.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 TiO2 입자는 평균입경1 ~ 10 nm이고, BET 비표면적이 350 m2/g 이상일 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the TiO 2 particles have an average particle size of 1 to 10 nm and a BET specific surface area of 350 m 2 / g or more.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 다공성 MnO2 분말은 평균입경10 ~ 30 nm이고, BET 비표면적이 200 m2/g 이상일 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the porous MnO 2 powder may have an average particle size of 10 to 30 nm and a BET specific surface area of 200 m 2 / g or more.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 복합금속산화물은 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 1 : 0.02 ~ 0.90 중량비로 포함할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the composite metal oxide may include porous MnO 2 powder and TiO 2 particles in a weight ratio of 1: 0.02 to 0.90.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 고분자화합물 100 중량부에 대하여, 복합금속산화물 2 ~ 7 중량부 및 바인더 800 ~ 1,000 중량부로 포함할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, 2 to 7 parts by weight of the composite metal oxide and 800 to 1,000 parts by weight of the binder may be added to 100 parts by weight of the polymer compound.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 바인더는 나피온(nafion), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the binder may include at least one of nafion, polyvinylidene fluoride (PVdF), and polytetrafluoroethylene (PTFE).

본 발명의 다른 목적은 앞서 설명한 다양한 형태의 수도커패시터용 전극 조성물을 이용하여 제조한 수도커패시터용 전극에 관한 것으로서, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물 및 복합금속산화물을 1 : 0.02 ~ 0.07 중량비로 포함하고, 상기 복합금속산화물은 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 포함하며, 상기 TiO2 입자의 전부 또는 일부가 MnO2 분말의 기공에 내재되어 있을 수 있다.Another object of the present invention is to provide an electrode for a water-cooled capacitor produced by using the above-described various electrode compositions for a water-capacitor, wherein a polymer compound containing a repeating unit represented by the above-mentioned formula (1) and a composite metal oxide are mixed at a ratio of 1: 0.02 To 0.07 weight ratio, and the composite metal oxide includes porous MnO 2 powder and TiO 2 particles, and all or a part of the TiO 2 particles may be contained in the pores of the MnO 2 powder.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 순환전압 전류법(cyclic voltammetry)으로 측정시, 300 ~ 500F/g의 비정전용량을 가질 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the electrode for a water-cooled capacitor of the present invention may have a non-discharge capacity of 300 to 500 F / g as measured by cyclic voltammetry.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 임피던스(impidence) 방법으로 측정시, 1.05 ~ 1.70 Ω/㎠의 등가직렬저항(Equivalent Serial Resistance, ESR)을 가질 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the electrode for a water-cooled capacitor of the present invention may have Equivalent Serial Resistance (ESR) of 1.05 to 1.70? / Cm 2 when measured by an impedance method.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 정전류 방전(constant-current discharge) 방법으로 측정시, 4.6 ~ 8.0 wh/kg의 에너지 밀도(energy density)를 가질 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the electrode for a water-cooled capacitor of the present invention may have an energy density of 4.6 to 8.0 wh / kg when measured by a constant-current discharge method.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 DC ESR 방법으로 측정시, 2.0 ~ 4.0 kW/kg의 출력 밀도(power density)를 가질 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the electrode for a water-cooled capacitor of the present invention may have an output power density of 2.0 to 4.0 kW / kg as measured by the DC ESR method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 수도커패시터용 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물, 복합금속산화물 및 바인더를 혼합 및 교반하여 전극 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 전극 조성물을 성형하는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 수도커패시터용 전극을 제조할 수 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing an electrode for a water-cooled capacitor, which comprises mixing and stirring a polymer compound containing a repeating unit represented by Chemical Formula 1, a composite metal oxide and a binder, ; And forming the electrode composition. The electrode for a tap capacitor may be manufactured by a process including:

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 복합금속산화물은 과망산칼륨, 아스코르빈산(ascorbic acid), 및 TiO2 입자의 혼합물을 이온수와 혼합 및 교반하는 1단계; 교반물을 50 ~ 200℃ 하에서 20 ~ 30시간 동안 소성시켜 소성물을 제조하는 2단계; 및 상기 소성물을 필터링 및 수세한 후, 건조시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composite metal oxide is prepared by mixing a mixture of potassium permanganate, ascorbic acid, and TiO 2 particles with ionized water and mixing the mixture in one step; A second step of baking the agitated product at 50 to 200 DEG C for 20 to 30 hours to produce a sintered product; And filtering and washing the fired product and then drying the fired product.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 복합금속산화물시, 상기 혼합물은 과망산칼륨 100 중량부에 대하여, 아스코르빈산 100 ~ 300 중량부 및 TiO2 입자 15 ~ 45 중량부로 포함할 수도 있다.In one preferred embodiment of the present invention, when the composite metal oxide is used, the mixture may contain 100 to 300 parts by weight of ascorbic acid and 15 to 45 parts by weight of TiO 2 particles per 100 parts by weight of potassium permanganate.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 복합금속산화물시, 1단계의 혼합물 및 이온수는 1 : 1 ~ 1.4 중량비로 포함할 수도 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the composite metal oxide, the mixture of the first step and the ionized water may be contained at a weight ratio of 1: 1 to 1.4.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 수도커패시터용 전극 제조방법에 있어서, 상기 고분자화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물, 이온수 및 과염소산(perchloric acid, HClO4) 용매를 포함하는 반응조에 과황산암모늄(Ammonium Persulfate)를 투입하는 1단계; 및 상기 반응조를 0 ~ 4에서 환류시켜 상기 고분자화합물을 제조하는 2단계;를 포함하여 공정을 수행하여 제조할 수도 있다.In one embodiment of the present invention, also in the capacitor electrode production method for the polymer compound is a compound represented by formula (2), water and perchloric acid (perchloric acid, HClO 4) reaction vessel to ammonium persulfate, comprising a solvent ( Ammonium Persulfate); And 2) a step of refluxing the reaction mixture at 0 to 4 to prepare the polymer compound.

[화학식 2](2)

Figure 112016088371312-pat00002
Figure 112016088371312-pat00002

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 수도커패시터용 전극 제조방법의 상기 (1) 단계의 과염소산 용매는 48 ~ 72 중량% 농도의 과염소산 수용액일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the perchloric acid solvent in the step (1) of the method for producing an electrode for a water-cooled capacitor of the present invention may be an aqueous solution of perchloric acid at a concentration of 48 to 72% by weight.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 수도커패시터용 전극 제조방법의 상기 고분자화합물은 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 100 중량부에 대하여, 이온수 1,800 ~ 10,000 중량부, 과염소산 용매 300 ~ 2,200 중량부, 과황산암모늄 70 ~ 600 중량부를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the polymer compound of the method for manufacturing an electrode for a water-cooled capacitor of the present invention is characterized in that the polymer compound comprises 1,800 to 10,000 parts by weight of ionized water, 300 to 2,200 parts by weight of perchloric acid solvent , And 70 to 600 parts by weight of ammonium persulfate.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 고분자 화합물은 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 100 중량부에 대하여, 이온수 2,000 ~ 3,100 중량부, 과염소산 용매 400 ~ 650 중량부, 과황산암모늄 95 ~ 160 중량부를 포함할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the polymer compound includes 2,000 to 3,100 parts by weight of ionized water, 400 to 650 parts by weight of perchloric acid solvent, and 95 to 160 parts by weight of ammonium persulfate per 100 parts by weight of the compound represented by Formula 2 can do.

본 발명의 수도커패시터용 전극 조성물로 제조한 수도커패시터 전극은 본 발명의 전극을 도입한 수도커패시터의 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. The diaphragm capacitor electrode fabricated from the electrode composition for a water capacitor of the present invention can significantly improve the non-capacity, charge / discharge efficiency, energy density and power density of the diaphragm capacitor into which the electrode of the present invention is introduced.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

상술한 바와 같이, 수도커패시터(pseudo capacitor)은 금속산화물 및 전도성 고분자를 이용한다. 전도성 고분자는 공액(conjugation) 고분자를 이용하여 제조하는데, 공액 고분자는 탄소보다 높은 용량을 가지며 기계적, 화학적, 광학적 특성이 뛰어나며 부식안정성, 화학적 또는 전기화학적 합성의 가능성을 가진다. 이러한 공액 고분자는 원자들, 특히 탄소 원자와 탄소 원자 사이, 탄소 원자와 질소 원자 사이에 단일결합과 이중결합을 가지는 것을 기본으로 한다. 이러한 공액 결합을 지니는 화합물들은 그 자체로는 전도성을 나타내지 않으나, 도판트(dopant)를 이용해 도핑을 시키면 전도성 고분자가 된다.As described above, a pseudo capacitor uses a metal oxide and a conductive polymer. Conductive polymers are prepared using conjugation polymers. Conjugated polymers have higher capacity than carbon, have excellent mechanical, chemical and optical properties, and have the potential for corrosion stability, chemical or electrochemical synthesis. These conjugated polymers are based on having atoms, especially between carbon atoms and carbon atoms, and between single and double bonds between carbon and nitrogen atoms. The compounds having such a conjugate bond do not exhibit conductivity in themselves, but doping with a dopant results in a conductive polymer.

이와 같은 전도성 고분자를 포함하는 수도커패시터는 낮은 가격, 환경적 안정성, 쉬운 합성 등의 장점 때문에 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 이와 같은 전도성 고분자를 포함하는 수도커패시터는 충전 용량이 충분히 않을 뿐만 아니라, 사이클 수명(cyclic life)이 낮고, 에너지 밀도가 낮은 문제점이 있다.Such water-conductive capacitors including conductive polymers are attracting much attention because of their low cost, environmental stability, and easy synthesis. However, such a water-containing capacitor including a conductive polymer has a problem that not only the charging capacity is sufficient, but also the cyclic life is low and the energy density is low.

이에 본 발명에서는 특정 화학식으로 표시되는 고분자화합물, 특정 복합금속산화물 및 바인더를 포함하는 수도커패시터용 전극 조성물을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였으며, 이를 통해, 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 우수한 수도커패시터용 전극을 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention provides an electrode composition for a capacitive capacitor comprising a polymer compound represented by a specific formula, a specific composite metal oxide, and a binder. The present invention has been made to solve the above problems and provides a nonvolatile capacity, charge / discharge efficiency, And an electrode for a tap capacitor having an excellent output density can be provided.

본 발명의 수도커패시터용 전극 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물, 금속산화물 및 바인더(binder)를 포함한다.The electrode composition for a water-cooled capacitor of the present invention comprises a polymer compound containing a repeating unit represented by the general formula (1), a metal oxide and a binder.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112016088371312-pat00003
Figure 112016088371312-pat00003

상기 화학식 1에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, x는 0 ≤ x ≤ 1를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.X and y are molar ratios of monomers constituting the repeating unit, x + y = 1, x is a rational number satisfying 0? X? 1, z is a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000 .

상기 화학식 1은 x와 y의 합이 1을 만족하고, x는 0 ≤ x ≤ 1를 만족하는 유리수이다. 달리 말하면, 상기 고분자화합물은 x값의 변화에 따라 산화-환원상태로 변화할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자화합물은 산화상태에 따라 하기 화학식 1-1로 표시되는 산화형 화합물, 하기 화학식 1-2로 표시되는 중간산화형 화합물 및 하기 화학식 1-3으로 표시되는 환원형 화합물로 나타내어진다.In Formula 1, the sum of x and y satisfies 1, and x is a rational number satisfying 0? X? 1. In other words, the polymer compound may change to the oxidation-reduction state in accordance with the change of x value. Specifically, the polymer compound is represented by an oxidation type compound represented by the following formula (1-1), an intermediate oxidation type compound represented by the following formula (1-2), and a reduced type compound represented by the following formula (1-3) .

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112016088371312-pat00004
Figure 112016088371312-pat00004

상기 화학식 1-1에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, x는 0.5 < x ≤ 1를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.X + y = 1, x is a rational number satisfying 0.5 < x? 1, z is a rational weight average molecular weight of 10,000 To 50,000.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112016088371312-pat00005
Figure 112016088371312-pat00005

상기 화학식 1-2에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, x = 0.5를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.In Formula 1-2, x and y are molar ratios of monomers constituting the repeating unit, x + y = 1, x = 0.5, z is a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000 .

[화학식 1-3][Formula 1-3]

Figure 112016088371312-pat00006
Figure 112016088371312-pat00006

상기 화학식 1-3에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, 0 ≤ x < 0.5를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.X and y are molar ratios of monomers constituting the repeating unit, x + y = 1, 0? X <0.5, and z is a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000 .

달리 말하면, 상기 산화형(pernigraniline base, PNP) 화합물은 산화된 상태로서, 화학식 1에서 x > y인 경우이고, 상기 중간산화형(emeraldine base, EB) 화합물은 반산화/반환원된 상태이고, 상기 환원형(leucoemeraldine base, LEB) 화합물은 환원된 상태로서, 화학식 1에서 x < y인 경우를 나타낼 수 있다.In other words, the pernigraniline base (PNP) compound is in an oxidized state, x> y in the formula (1), and the emeraldine base (EB) The leucoemeraldine base (LEB) compound is in a reduced state, and can be represented by the formula (1) where x < y.

또한, 상기 화학식 1의 z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000, 바람직하게는 20,000 ~ 40,000을 만족하는 유리수인데, 이 때, z가 10,000 미만이면 전기용량 감소의 문제가 발생할 수 있고, 50,000을 초과하면 용해성 및 성형성의 문제가 발생할 수 있다.The z in formula (1) is a rational number satisfying a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000, preferably 20,000 to 40,000. If z is less than 10,000, a problem of reduction in electric capacity may occur. On the other hand, And a problem of moldability may occur.

상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물은 과염소산이온(ClO4 -) 및/또는 황산이온(SO4 2-)이 도핑될 수 있다. 이와 같이 과염소산이온(ClO4 -) 및/또는 황산이온(SO4 2-)을 통하여 표면개질 및/또는 산 도핑할 수 있는데, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물의 전도성 및/또는 분산성을 향상시킨다.The polymer compound containing the repeating unit represented by Formula 1 may be doped with perchlorate ions (ClO 4 - ) and / or sulfate ions (SO 4 2- ). The surface modification and / or the acid doping can be performed through the perchlorate ion (ClO 4 - ) and / or the sulfate ion (SO 4 2- ). The conductivity and / or conductivity of the polymer compound containing the repeating unit represented by the formula (1) Or dispersibility.

본 발명에 있어서, 상기 복합금속산화물은 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 포함하며, 상기 TiO2 입자의 전부 또는 일부가 MnO2 분말의 기공에 내재되어 일체화된 복합금속산화물이다.In the present invention, the composite metal oxide includes a porous MnO 2 powder and TiO 2 particles, and all or a part of the TiO 2 particles are integrated in the pores of the MnO 2 powder to form a composite metal oxide.

상기 복합금속산화물을 구성하는 TiO2 입자는 평균입경 1 ~ 10 nm일 수 있고, 바람직하게는 1 ~ 8 nm, 더욱 바람직하게는 1 ~ 5 nm일 수 있다. 이러한, TiO2 입자는 350 m2/g 이상의 BET 비표면적을, 바람직하게는 360 m2/g ~ 450 m2/g의 비표면적을 가질 수 있다. 이때, TiO2 입자의 평균입경이 10 nm를 초과하면 그 크기가 너무 커서 다공성 MnO2 분말에 형성된 기공 내에 TiO2 입자의 전부 또는 일부가 내재되기 어려울 수 있다. The TiO 2 particles constituting the composite metal oxide may have an average particle diameter of 1 to 10 nm, preferably 1 to 8 nm, more preferably 1 to 5 nm. Such TiO 2 particles may have a BET specific surface area of 350 m 2 / g or more, and preferably a specific surface area of 360 m 2 / g to 450 m 2 / g. If the average particle diameter of the TiO 2 particles exceeds 10 nm, the size of the TiO 2 particles may be too large to completely or partially contain the TiO 2 particles in the pores formed in the porous MnO 2 powder.

그리고, 상기 다공성 MnO2 분말은 평균입경 10 ~ 30 nm일 수 있고, 바람직하게는 15 ~ 30 nm, 더욱 바람직하게는 18 ~ 30 nm일 수 있다. 그리고, 다공성 MnO2 분말은 BET 비표면적이 200 m2/g 이상일 수 있으며, 바람직하게는 230 m2/g ~ 350 m2/g일 수 있다. The porous MnO 2 powder may have an average particle diameter of 10 to 30 nm, preferably 15 to 30 nm, and more preferably 18 to 30 nm. The porous MnO 2 powder may have a BET specific surface area of 200 m 2 / g or more, and preferably 230 m 2 / g to 350 m 2 / g.

또한, 상기 복합금속산화물 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 1 : 0.02 ~ 0.90 중량비로, 바람직하게는 1 : 0.2 ~ 0.7 중량비로, 더욱 바람직하게는 1 : 0.3 ~ 0.6 중량비로 포함할 수 있으며, 이때, TiO2 입자가 0.02 중량비 미만이거나, 0.90 중량비를 초과하면 수도커패시터용 전극을 이용한 수도커패시터의 비정전용량, 에너지 밀도, 출력밀도 등이 감소하는 문제가 있을 수 있다.The composite metal oxide porous MnO 2 powder and the TiO 2 particles may be contained in a weight ratio of 1: 0.02 to 0.90, preferably 1: 0.2 to 0.7, more preferably 1: 0.3 to 0.6, At this time, if the TiO 2 particle is less than 0.02 weight ratio or more than 0.90 weight ratio, there may be a problem that the non-ionic capacity, energy density, power density, etc. of the water channel capacitor using the electrode for water capacitor are decreased.

수도커패시터용 전극 조성물 내 상기 복합금속산화물의 함량은 상기 고분자화합물 100 중량부에 대하여, 복합금속산화물 2 ~ 7 중량부로 바람직하게는 2.5 ~ 5 중량부로 포함하는 것이 좋은데, 이때, 복합금속산화물이 2 중량부 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 수도커패시터의 비정전용량, 에너지 밀도, 출력밀도 등이 감소하는 문제가 있을 수 있으며, 7 중량부를 초과하여 사용하는 것은 비경제적이다.The content of the composite metal oxide in the electrode composition for a water capacitor is preferably 2 to 7 parts by weight, preferably 2.5 to 5 parts by weight, of the composite metal oxide relative to 100 parts by weight of the polymer compound. If the amount is less than 1 part by weight, the use amount thereof may be too small, and the non-electrical capacity, energy density, power density and the like of the water tap capacitor may be reduced, and it is uneconomical to use more than 7 parts by weight.

한편, 상기 바인더는 나피온(nafion), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 중에서 적어도 하나 이상을 포함하고, 바람직하게는 나피온(nafion), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 포함할 수 있다. 그리고, 바인더의 사용량은 상기 고분자화합물 100 중량부에 대하여, 800 ~ 1,000 중량부로, 바람직하게는 850 ~ 970 중량부로 사용하는 것이 좋으며, 800 중량부 미만이면 전극에 고분자 화합물이 고르게 도포되지 못해 전기적 특성이 나타나지 않는 문제가 있을 수 있고, 1,000 중량부를 초과하여 사용하면 바인더가 많아 전기적 특성을 저해하는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.On the other hand, the binder includes at least one of nafion, polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), preferably nafion, polyvinylidene fluoride PVdF). The amount of the binder used is preferably 800 to 1,000 parts by weight, preferably 850 to 970 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer compound. When the amount of the binder is less than 800 parts by weight, There may be a problem that it does not appear. If it is used in excess of 1,000 parts by weight, there may be a problem that electric properties are deteriorated because there are many binders.

또한, 본 발명의 수도커패시터용 전극 조성물은 pH 1.8 ~ 3.0, 바람직하게는 pH 1.9 ~ 2.5, 더욱 바람직하게는 pH 1.9 ~ 2.3인 것이 산화-환원 기작의 속도를 증가시켜 에너지 밀도(Energy density)를 높이는 면에서 유리하며, 상기 pH 하에서 수도커패시터용 전극 조성물 성분인 상기 고분자화합물은 상기 화학식 1로 표시되는 고분자화합물은 산화형 화합물(화학식 1-1) : 중간산화형 화합물(화학식 1-2) : 환원형 화합물(화학식 1-3) = 0.3 ~ 0.6 : 1 : 0.05 ~ 0.2의 몰비를 가질 수 있다. 이와 같은 몰비를 가질 때, 상기 화학식 1로 표시되는 고분자화합물은 금속산화물 및 바인더 간의 우수한 상용성을 가질 수 있다. 달리 말하면, 중간산화형 화합물이 많을수록 산화-환원 기작이 유리할 수 있다.In addition, the electrode composition for water-cooled capacitors of the present invention has a pH of 1.8 to 3.0, preferably a pH of 1.9 to 2.5, and more preferably a pH of 1.9 to 2.3, to increase the rate of oxidation- The polymer compound represented by the formula (1) is an oxidation-type compound represented by the following formula (1-1): an intermediate oxidation compound (formula (1-2)): The molar ratio of the reducing compound (Formula 1-3) = 0.3-0.6: 1: 0.05-0.2. When having such a molar ratio, the polymer compound represented by Formula 1 may have excellent compatibility between the metal oxide and the binder. In other words, the oxidation-reduction mechanism may be more advantageous as the number of intermediate oxidation compounds increases.

그리고, 상기와 같이 수도커패시터용 전극 조성물의 pH 조절을 통해 산화-환원의 특성을 강화하기 위해 산성전해액을 사용할 수 있으며, 이때, 산성전해액으로는 당업계에서 사용하는 일반적인 산성 용액을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 1M 염산 수용액, 1M 과염소산 수용액 및 1M 황산 수용액 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.As described above, an acidic electrolyte solution may be used to enhance the oxidation-reduction characteristics through pH control of the electrode composition for the water channel capacitor. In this case, an acidic solution generally used in the art can be used as the acidic electrolyte solution. Preferably, at least one of 1 M aqueous hydrochloric acid solution, 1 M perchloric acid aqueous solution and 1 M aqueous sulfuric acid solution can be used.

상기 조성물을 이용하여 제조한 본 발명의 수도커패시터용 전극은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물 및 복합금속산화물을 1 : 0.02 ~ 0.07 중량비, 바람직하게는 1 : 0.025 ~ 0.05 중량비로 포함한다. 여기서, 상기 복합금속산화물은 앞서 설명한 바와 같이, TiO2 입자의 전부 또는 일부가 다공성 MnO2 분말의 기공에 내재되어 일체화된 것이다.The electrode for a water-cooled capacitor of the present invention prepared using the above-mentioned composition contains the polymer compound containing the repeating unit represented by the formula (1) and the composite metal oxide at a weight ratio of 1: 0.02 to 0.07, preferably 1: 0.025 to 0.05 . As described above, all or a part of the TiO 2 particles are integrated into the pores of the porous MnO 2 powder to form the composite metal oxide.

만일, 본 발명의 수도커패시터용 전극이 고분자화합물 1 중량비에 대하여, 복합금속산화물을 0.02 중량비 미만 및/또는 0.07 중량비를 초과하여 포함하게 되면, 수도커패시터용 전극의 비정전용량, 등가직렬저항(equivalent serial resistance, ESR), 충방전효율, 에너지 밀도(energy density) 및 출력 밀도(power density)가 오히려 떨어지는 경향이 있기 때문에 상기 범위 내로 포함하는 것이 좋다.If the electrode for a watercapped capacitor of the present invention contains a composite metal oxide in an amount of less than 0.02 by weight and / or more than 0.07 by weight based on the weight ratio of the polymer compound, the noncontact capacity of the electrode for the watercup capacitor, equivalent serial resistance resistance and ESR, charging / discharging efficiency, energy density and power density tend to be rather low.

이러한, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 순환전압 전류법(cyclic voltammetry)으로 측정시, 300 ~ 500F/g의 비정전용량, 바람직하게는 310 ~ 450F/g의 비정전용량을 가질 수 있다.The electrode for a water capacitor of the present invention may have a non-discharge capacity of 300 to 500 F / g, preferably 310 to 450 F / g, as measured by cyclic voltammetry.

또한, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 임피던스(impidence) 방법으로 측정시, 1.05 ~ 1.70Ω/㎠의 등가직렬저항(Equivalent Serial Resistance, ESR), 바람직하게는 1.10 ~ 1.55Ω/㎠의 등가직렬저항을 가질 수 있고, 정전류 방전(constant-current discharge) 방법으로 측정시, 85 ~ 98%의 충방전효율, 바람직하게는 90 ~ 96%의 충방전효율을 가질 수 있다.The electrode of the present invention may have an equivalent series resistance (ESR) of 1.05 to 1.70? / Cm 2, preferably an equivalent series resistance of 1.10 to 1.55? / Cm 2 when measured by an impedance method. And can have a charge-discharge efficiency of 85 to 98%, preferably a charge-discharge efficiency of 90 to 96% when measured by a constant-current discharge method.

또한, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 정전류 방전(constant-current discharge) 방법으로 측정시, 4.6 ~ 8.0 wh/kg의 에너지 밀도(energy density), 바람직하게는 5.2 ~ 7.5 wh/kg의 에너지 밀도를 가질 수 있다.Also, the electrode for a water-cooled capacitor of the present invention has an energy density of 4.6 to 8.0 wh / kg, preferably 5.2 to 7.5 wh / kg when measured by a constant-current discharge method Lt; / RTI &gt;

또한, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 DC ESR 방법으로 측정시, 2.0 ~ 4.0 kW/kg의 출력 밀도(power density), 바람직하게는 2.2 ~ 3.6 kW/kg의 출력 밀도를 가질 수 있다.In addition, the electrode for a water-cooled capacitor of the present invention may have an output power density of 2.0 to 4.0 kW / kg, preferably 2.2 to 3.6 kW / kg when measured by the DC ESR method.

이러한, 본 발명의 수도커패시터용 전극은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물, 복합금속산화물 및 바인더를 혼합 및 교반하여 전극 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 전극 조성물을 성형하는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.The electrode for a water-cooled capacitor of the present invention is produced by mixing and stirring a polymer compound containing a repeating unit represented by the formula (1), a composite metal oxide, and a binder to prepare an electrode composition; And molding the electrode composition.

상기 고분자화합물은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The polymer compound may be prepared by the following method.

먼저, 1 단계로 하기 화학식 2로 표시되는 화합물, 이온수 및 과염소산(perchloric acid, HClO4) 용매를 포함하는 반응조에 과황산암모늄(Ammonium Persulfate)를 투입할 수 있다. First, Ammonium Persulfate may be added to a reaction tank containing a compound represented by the following general formula (2), ionized water and perchloric acid (HClO 4 ) as a first step.

[화학식 2](2)

Figure 112016088371312-pat00007
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달리 말하면, 정제된 상기 화학식 2로 표시되는 화합물, 이온수를 반응조에 투입하고 20 ~ 40분간 교반한 뒤에, 반응조에 과염소산 용매를 투입할 수 있다. 이 후, 과황산암모늄 30 ~ 90분 동안 발열반응이 일어나지 않도록 소량씩 투입할 수 있다.In other words, the purified compound of formula (2) and ionized water may be added to the reaction vessel, stirring the mixture for 20 to 40 minutes, and then introducing the perchloric acid solvent into the reaction vessel. Thereafter, ammonium persulfate can be added in small amounts so that an exothermic reaction does not occur for 30 to 90 minutes.

상기 과염소산 용매는 과염소산을 포함하는 것을 의미하며 100% 농도의 과염소산으로 이루어져 있거나 다른 용매에 혼합된 형태일 수 있다. 이 경우 다른 용매로서 바람직하게 물, 에틸아세테이트, 클로로포름 및 헥산 등을 사용할 수 있으며, 과염소산 용매에 물을 혼합 용매로 사용하는 경우 48 ~ 72 중량%, 바람직하게는 54 ~ 66 중량%의 농도를 갖는 과염소산 수용액을 사용하는 것이 수득율을 극대화하는데 매우 유리하다. 달리 말하면, 48 중량%를 초과하거나 72 중량% 미만의 과염소산 용매를 사용한다면 상기 고분자 화합물의 수득율이 감소될 수 있다.The perchloric acid solvent means perchloric acid and may be composed of perchloric acid having a concentration of 100% or mixed with other solvent. In this case, water, ethyl acetate, chloroform, hexane and the like can be preferably used as other solvent. When water is used as a solvent for the perchloric acid solvent, the concentration is 48 to 72% by weight, preferably 54 to 66% It is very advantageous to use an aqueous solution of perchloric acid to maximize the yield. In other words, if the perchloric acid solvent is used in an amount exceeding 48% by weight or less than 72% by weight, the yield of the polymer compound may be reduced.

다음으로, 2단계로서, 상기 반응조를 0 ~ 4, 바람직하게는 0 ~ 2에서 환류시켜 상기 고분자화합물을 제조할 수 있다. 달리 말하면, 상기 반응조를 0 ~ 4, 바람직하게는 0 ~ 2의 저온 하에서, 12 ~ 36 시간, 바람직하게는 18 ~ 30 시간 동안 환류시키는데, 만일 온도가 0 미만일 경우 상기 고분자화합물이 제조되는 반응속도 저하로 수율 및 분산성이 매우 낮아지는 문제가 발생할 수 있고, 4를 초과할 경우 상기 고분자화합물의 체인(chain)형태의 성장에 한계가 발생하고, 체인(chain)형태가 짧은 경우에는 충분한 전도성을 가지지 못하게 된다.Next, as the second step, the polymer may be prepared by refluxing the reaction vessel at 0 to 4, preferably 0 to 2. In other words, the reaction tank is refluxed at a low temperature of 0 to 4, preferably 0 to 2, for 12 to 36 hours, preferably 18 to 30 hours. If the temperature is less than 0, There is a problem that the yield and dispersibility may be very low due to the lowering of the molecular weight. When the molecular weight exceeds 4, there is a limit to the growth of the chain type of the polymer, and when the chain type is short, I will not have it.

다음으로, 상기 고분자화합물은 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 100 중량부에 대하여, 이온수 1,800 ~ 10,000 중량부, 과염소산 용매 300 ~ 2,200 중량부, 과황산암모늄 70 ~ 600 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 100 중량부에 대하여, 이온수 2,000 ~ 3,100 중량부, 과염소산 용매 400 ~ 650 중량부, 과황산암모늄 95 ~ 160 중량부를 포함할 수 있다. 만일, 상기 고분자화합물이 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 100 중량부에 대하여 이온수 1,800 중량부 미만으로 포함하면 급격한 반응으로 인한 발열발생으로 반응 컨트롤이 어려우며, 불균일화의 문제가 발생할 수 있고, 10,000 중량부를 초과하여 포함하면 반응이 일어나지 않는 문제가 발생할 수 있다. Next, the polymer compound may include 1,800 to 10,000 parts by weight of ionized water, 300 to 2,200 parts by weight of perchloric acid solvent, and 70 to 600 parts by weight of ammonium persulfate, based on 100 parts by weight of the compound represented by Formula 2, May include 2,000 to 3,100 parts by weight of ionized water, 400 to 650 parts by weight of perchloric acid solvent, and 95 to 160 parts by weight of ammonium persulfate per 100 parts by weight of the compound represented by the general formula (2). If the polymer compound is contained in an amount of less than 1,800 parts by weight of ionic water based on 100 parts by weight of the compound represented by the formula 2, it is difficult to control the reaction due to generation of heat due to a rapid reaction, There is a possibility that the reaction does not occur.

또한, 상기 고분자화합물이 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 100 중량부에 대하여 과염소산 용매 300 중량부 미만으로 포함하면 급격한 반응으로 인한 발열발생으로 반응 컨트롤이 어렵고 도핑이 되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 2200 중량부를 초과하여 포함하면 급격한 반응으로 인한 발열발생으로 반응 컨트롤의 문제가 발생할 수 있다. 게다가, 상기 고분자화합물이 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 100 중량부에 대하여 과황산암모늄 70 중량부 미만으로 포함하면 반응이 일어나지 않는 문제가 발생할 수 있고, 600 중량부를 초과하여 포함하면 급격한 반응으로 인한 발열발생으로 반응 컨트롤 문제가 발생할 수 있다. If the polymer compound is contained in an amount of less than 300 parts by weight perchloric acid solvent per 100 parts by weight of the compound represented by the general formula (2), reaction control is difficult due to generation of heat due to a rapid reaction, If the amount is exceeded, reaction control may occur due to generation of heat due to a rapid reaction. In addition, when the polymer compound is contained in an amount of less than 70 parts by weight of ammonium persulfate per 100 parts by weight of the compound represented by the general formula (2), the reaction may not occur. If the polymer compound is contained in an amount exceeding 600 parts by weight, The occurrence of reaction control problems can occur.

결론적으로, 본 발명의 상기 고분자화합물은 상기와 같은 중량부로 물질들을 포함하여 제조되기 때문에, 본 발명의 고분자화합물을 포함하여 제조된 수도커패시터용 전극은 등가직렬저항이 낮고, 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 우수할 수 있다.As a result, since the polymer compound of the present invention is manufactured to contain the materials in the same weight parts as described above, the electrode for a water-cooled capacitor produced by the polymer compound of the present invention has low equivalent series resistance, , The energy density and the output density can be excellent.

다음으로, 2 단계를 통해 제조된 상기 고분자화합물을 감압필터를 이용하여 필터링(filtering)한 후, 하기 3 단계를 수행할 수 있다.Next, the polymer compound prepared in Step 2 may be filtered using a vacuum filter, and then the following three steps may be performed.

3 단계는 상기 고분자화합물을 과염소산 및 황산을 포함하는 혼합용액에 교반시킬 수 있다. 달리 말하면, 상기 고분자화합물을 황산 및 과염소산을 1 : 1 ~ 5 중량비, 바람직하게는 1 : 2 ~ 3 중량비로 포함하는 혼합용액에 5℃ ~ 15℃, 바람직하게 8℃ ~ 12℃에서 12 ~ 36시간, 바람직하게는 18 ~ 30시간 동안 교반시킬 수 있다. 이를 통해, 상기 고분자화합물에 과염소산이온(ClO4 -) 및 황산이온(SO4 2-)이 도핑될 수 있으며, 저분자의 화합물을 선별적으로 제거함으로서 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물이 높은 전기적 특성 및 분산형을 확보할 수 있다.Step 3 may stir the polymer compound into a mixed solution containing perchloric acid and sulfuric acid. In other words, the polymer compound is added to a mixed solution containing sulfuric acid and perchloric acid at a weight ratio of 1: 1 to 5, preferably 1: 2 to 3, at 5 to 15 캜, preferably 8 to 12 캜, Lt; / RTI &gt; for 1 hour, preferably 18 to 30 hours. Thus, perchlorate ion (ClO 4 - ) and sulfate ion (SO 4 2- ) can be doped into the polymer compound, and the low molecular weight compound can be selectively removed to obtain the repeating unit represented by the formula (1) The high-molecular weight compound having high electrical properties and dispersion type can be obtained.

만일, 상기 혼합용액이 황산 1 중량비에 대하여, 과염소산이 1 중량비 미만 및/또는 5 중량비를 초과하여 포함된다면, 구조적 불안정화로 전기용량 저하를 비롤한 전기적 특성 저하의 문제가 발생할 수 있다.If the mixed solution contains perchloric acid in an amount of less than 1 part by weight and / or more than 5 parts by weight based on 1 part by weight of sulfuric acid, structural instability may cause deterioration of electrical properties such as lowered electric capacity.

마지막으로, 상기 고분자화합물은 최종적으로 40℃ ~ 60℃의 열풍오븐에 건조할 수 있다.Finally, the polymer compound may be finally dried in a hot air oven at 40 ° C to 60 ° C.

또한, 상기 복합금속화합물은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The composite metal compound may be prepared by the following method.

상기 복합금속산화물은 과망산칼륨, 아스코르빈산(ascorbic acid), 및 TiO2 입자의 혼합물을 이온수와 혼합 및 교반하는 1단계; 교반물을 소성시켜 소성물을 제조하는 2단계; 상기 소성물을 필터링 및 수세한 후, 건조시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.Wherein the composite metal oxide is prepared by mixing a mixture of potassium permanganate, ascorbic acid, and TiO 2 particles with ionized water and stirring the mixture; A second step of firing an agitated material to produce a fired product; Filtering and washing the fired product, and then drying the fired product.

복합금속화합물 제조공정에 있어서, 상기 1단계의 혼합물은 과망산칼륨 100 중량부에 대하여, 아스코르빈산 100 ~ 300 중량부 및 TiO2 입자 15 ~ 45 중량부로 혼합할 수 있으며, 바람직하게는 과망산칼륨 100 중량부에 대하여, 아스코르빈산 130 ~ 250 중량부 및 TiO2 입자 20 ~ 40 중량부로 포함할 수 있다.In the process for producing a composite metal compound, the mixture in the first step may be mixed with 100 to 300 parts by weight of ascorbic acid and 15 to 45 parts by weight of TiO 2 particles per 100 parts by weight of potassium permanganate, 130 to 250 parts by weight of ascorbic acid and 20 to 40 parts by weight of TiO 2 particles per 100 parts by weight of potassium.

이때, 아스코르빈산이 100 중량부 미만이면 전극의 전기적 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 300 중량부를 초과하면 아스코르빈산이 과량 잔류하여 다공성 MnO2가 생성되지 못하거나 수율이 매우 낮은 문제가 있을 수 있다. 그리고, 상기 TiO2 입자 함량이 15 중량부 미만이거나, 45 중량부를 초과하면 앞서 설명한 바와 같이, 전극 내 다공성 MnO2 및 TiO2 입자의 적정 중량비를 벗어나게 되어 수도커패시터용 전극을 이용한 수도커패시터의 비정전용량, 에너지 밀도, 출력밀도 등이 감소하는 문제가 있을 수 있다.If the amount of ascorbic acid is less than 100 parts by weight, the electrical characteristics of the electrode may be deteriorated. If the amount of ascorbic acid exceeds 300 parts by weight, ascorbic acid may remain excessively and porous MnO 2 may not be produced or the yield may be very low Can be. If the content of the TiO 2 particles is less than 15 parts by weight or exceeds 45 parts by weight, as described above, the porous MnO 2 And TiO 2 particles, which may result in a decrease in the non-electrical capacity, energy density, power density, and the like of the water storage capacitor using the electrode for the water storage capacitor.

그리고, 상기 이온수의 사용량은 상기 혼합물 및 이온수를 1 : 1 ~ 1.4 중량비로, 바람직하게는 1 : 1 ~ 1.25 중량비로 사용하는 것이 좋으며, 1 중량비 미만으로 사용시, MnO2에 기공이 충분하게 발생하지 못할 수 있으며, 1.4 중량비를 초과하면 기공이 너무 많이 발생하거나 기공크기가 너무 커져서 MnO2에 기공 내 입자가 작은 TiO2 입자가 내재되기 어려울 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.The amount of the ionized water used is preferably 1: 1 to 1.4, preferably 1: 1 to 1.25, by weight of the mixture and the ionized water. When the amount of the ionized water is less than 1 part by weight, sufficient pores are formed in MnO 2 If it exceeds 1.4 weight ratio, it may be preferable to use within the above range, because pores are generated too much or the pore size becomes too large, so that it is difficult for the TiO 2 particles having a small pore size in MnO 2 to be contained.

상기 2단계의 소성은 50 ~ 200℃ 하에서 20 ~ 30시간 동안, 바람직하게는 90 ~ 180℃ 하에서 20 ~ 30시간 동안, 더욱 바람직하게는 120 ~ 180℃ 하에서 20 ~ 30시간 동안 수행하며, CO2가 발생하면서 합성된 MnO2 에 기공이 발생된다. 이때, 소성 온도가 50℃ 미만이면 MnO2가 생성되지 못하는 문제가 있을 수 있고, 200℃를 초과하면 과망산칼륨이 급격한 반응으로 대량의 CO2가 발생하게 되고, 이로 인해 오히려 MnO2 의 기공을 막혀서 비정전용량이 크게 감소하는 문제가 있을 수 있다. 그리고 소성 시간이 20 시간 미만이면 다공성 MnO2 생산량이 저하될 수 있고, 30 시간을 초과하면 수율 향상에 도움을 주지 못하므로 비경제적이다. 소성물은 TiO2 입자를 포함하는 다공성 MnO2 분말로서, TiO2 입자의 전부 또는 일부가 MnO2 분말의 기공에 내재되어 일체화 되어 있다.Calcination of the step 2 performs while under 50 ~ 200 ℃ 20 to 30 hours while, preferably 20 to 30 hours in a 20 ~ for 30 hours, and more preferably 120 ~ 180 ℃ under 90 ~ 180 ℃, CO 2 And synthesized MnO 2 A pore is generated in the surface. In this case, the firing temperature can be a problem that can not be MnO 2 is generated is less than 50 ℃, with a potassium permanganate rapid reaction when it is more than 200 ℃ becomes a large amount of CO 2 generated, which causes a rather MnO 2 There is a problem that the non-discharge capacity is greatly reduced. If the calcination time is less than 20 hours, the porous MnO 2 The yield may be lowered, and if it exceeds 30 hours, the yield may not be improved, which is uneconomical. The fired product is a porous MnO 2 powder containing TiO 2 particles, wherein all or a part of the TiO 2 particles are integrated in the pores of the MnO 2 powder.

다음으로, 상기 소성물을 필터링 및 수세한 후, 건조시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 최종 복합금속산화물을 얻을 수 있다. 이때, 필터링 및 수세는 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 통해 사용할 수 있으며, 필터링과 수세를 통해 MnO2 분말의 기공에 내재되어 일체화되지 않은 TiO2 입자 등의 불순물을 제거하는 공정이다. 그리고, 건조 역시 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 사용할 수 있으며, 바람직한 일구현예를 들면, 수세한 소성물을 진공 오븐에 투입한 후, 50℃ ~ 80℃ 하에서 건조를 수행할 수 있다.Next, the step of filtering and washing the fired product and then drying the fired product may be carried out to obtain a final composite metal oxide. At this time, the filtering and washing can be performed through a general method used in the art, and the impurities such as TiO 2 particles which are inherent in the pores of the MnO 2 powder and unified through filtering and washing are removed. Drying can also be performed using a conventional method used in the art. In one preferred embodiment, the washed sinter may be put into a vacuum oven and dried at 50 ° C to 80 ° C.

이렇게 제조공정을 수행하여 앞서 설명한 크기, 특징 등을 가지는 복합금속산화물을 제조할 수 있다. By performing the manufacturing process as described above, a composite metal oxide having the above-described size, characteristics and the like can be produced.

한편, 본 발명의 수도커패시터용 전극 제조방법 중 전극 조성물을 제조하는 단계에서, 전극 조성물을 성형하기 전에 반응조에 산성전해액을 투입하여 수도커패시터용 전극 조성물의 pH를 pH 1.8 ~ 3.0, 바람직하게는 pH 1.9 ~ 2.5, 더욱 바람직하게는 pH 1.9 ~ 2.3로 조절할 수 있다. 상기 pH 하에서 수도커패시터용 전극 조성물 성분인 상기 고분자화합물은 상기 화학식 1로 표시되는 고분자화합물은 산화형 화합물(화학식 1-1) : 중간산화형 화합물(화학식 1-2) : 환원형 화합물(화학식 1-3) = 0.3 ~ 0.6 : 1 : 0.05 ~ 0.2의 몰비를 가질 수 있다. 이와 같은 몰비를 가질 때, 상기 화학식 1로 표시되는 고분자화합물은 금속산화물 및 바인더 간의 우수한 상용성을 가질 수 있다.On the other hand, in the step of producing an electrode composition in the method for producing an electrode for a water-storage capacitor of the present invention, an acidic electrolytic solution is introduced into a reaction tank before forming the electrode composition to adjust the pH of the electrode composition for water- 1.9 to 2.5, more preferably to a pH of 1.9 to 2.3. The polymer compound represented by Formula 1 is an oxidizing compound (Formula 1-1): an intermediate oxidizing compound (Formula 1-2): a reducing compound (Formula 1) -3) = 0.3 to 0.6: 1: 0.05 to 0.2. When having such a molar ratio, the polymer compound represented by Formula 1 may have excellent compatibility between the metal oxide and the binder.

그리고, 전극 조성물을 성형하는 방법은 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 통해서 그 용도 등에 맞도록 크기, 모양 등을 조절하여 수행할 수 있다.The method of forming the electrode composition can be carried out by adjusting the size, shape, etc. according to the purpose of use through a general method used in the art.

이러한 방법으로 제조된 수도커패시터용 전극은 앞서 설명한 바와 같이 우수한 기계적, 전기적 특성을 가질 수 있다.The electrode for a tap capacitor manufactured by this method can have excellent mechanical and electrical properties as described above.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples should not be construed as limiting the scope of the present invention, and should be construed to facilitate understanding of the present invention.

[[ 실시예Example ] ]

준비예Preparation Example 1 : 고분자화합물의 제조 1: Preparation of Polymer Compound

이온수 500g, 정제된 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 19.4g을 반응조에 투입하고 30분간 교반한 뒤, 60 중량% 농도의 과염소산 수용액 100.45g을 투입했다. 그 뒤, 반응조에 과황산암모늄 24g을 1시간 동안 천천히 투입한 후, 24시간 동안 0 ~ 2에서 환류시켜 반응을 진행했다. 합성이 완료된 후 감압필터를 이용하여 필터링(filtering)하고, 과염소산 : 황산 = 3 : 1 중량비로 포함된 혼합용액에 5 ~ 15를 유지하면서 24시간 교반을 수행했다. 마지막으로, 50 열풍오븐에서 건조하여 고분자화합물을 제조하였다.500 g of ionized water and 19.4 g of a purified compound represented by the following formula (2) were placed in a reaction vessel, stirred for 30 minutes, and then 100.45 g of a 60% by weight aqueous solution of perchloric acid was added. Thereafter, 24 g of ammonium persulfate was slowly added to the reaction vessel for 1 hour, and the reaction was carried out by refluxing at 0 to 2 for 24 hours. After the synthesis was completed, the mixture was filtered using a vacuum filter, and stirred for 24 hours while maintaining 5 to 15 in a mixed solution containing perchloric acid: sulfuric acid = 3: 1 by weight. Finally, the polymer compound was prepared by drying in a 50 hot air oven.

[화학식 2](2)

Figure 112016088371312-pat00008
Figure 112016088371312-pat00008

준비예Preparation Example 2 -1: 복합금속산화물의 제조 2 -1: Preparation of composite metal oxide

과망산칼륨 100 중량부에 대하여, 아스코르빈산 160 중량부, BET 비표면적 375 ~ 380 m2/g 및 평균입경 2 ~ 5 nm인 TiO2 입자 63.3 중량부를 혼합 및 교반하여 혼합물을 제조한 다음, 상기 혼합물과 이온수를 1 : 1.15 중량비로 혼합한 다음 교반하여 교반물을 제조하였다.160 parts by weight of ascorbic acid, 635 parts by weight of TiO 2 particles having a BET specific surface area of 375 to 380 m 2 / g and an average particle diameter of 2 to 5 nm were mixed and stirred to prepare 100 parts by weight of potassium permanganate, The above mixture and ionized water were mixed at a weight ratio of 1: 1.15 and then stirred to prepare a stirring product.

다음으로 상기 교반물을 70℃ 하에서 24시간 동안 소성을 수행하여 소성물을 얻었다.Next, the agitated product was fired at 70 DEG C for 24 hours to obtain a fired product.

다음으로 필터링을 수행한 다음, 필터링한 소성물 100 중량부에 대하여, 400 중량부의 물에 투입하여 수세를 수행하였다.Next, after filtering was performed, 100 parts by weight of the filtered sinter was put into 400 parts by weight of water and washed with water.

다음으로, 수세한 소성물을 진공 오븐에 투입한 다음 67~68℃에서 24시간 동안 건조를 수행하여 하기 표 1과 같은 복합금속산화물을 제조하였다.Next, the washed fired product was put in a vacuum oven and dried at 67 to 68 ° C for 24 hours to prepare a composite metal oxide as shown in Table 1 below.

준비예Preparation Example 2 -2 ~  2 -2 ~ 준비예Preparation Example 2 -5: 복합금속산화물의 제조 2 -5: Preparation of composite metal oxide

상기 준비예 1-1과 동일한 방법으로 복합금속산화물을 제조하되, 혼합물 성분인 과망산칼륨, 아스코르빈산 및 TiO2 입자 함량을 조절하여 하기 표 1과 같은 조성비를 가지는 복합금속산화물을 제조하였다.Composite metal oxides having the composition ratios shown in Table 1 below were prepared by controlling the content of potassium permanganate, ascorbic acid, and TiO 2 particles as a mixture component in the same manner as in Preparation Example 1-1.

비교준비예Example of comparison preparation 1 : 금속산화물의 제조 1: Manufacture of metal oxides

상기 준비예 1-1과 동일한 방법으로 금속산화물을 제조하되, TiO2 입자를 사용하지 않고서 혼합물을 제조한 다음, 소성 등을 수행하여 BET 비표면적 206 m2/g 및 평균입경 24 ~ 25 nm인 메조포러스 MnO2 분말을 제조하였다.A metal oxide was prepared in the same manner as in Preparation Example 1-1, except that the TiO 2 particles were not used and the mixture was calcined to obtain a BET specific surface area of 206 m 2 / g and an average particle size of 24 to 25 nm Mesoporous MnO 2 powder was prepared.

구분division 복합금속산화물
(MnO2+TiO2)
Composite metal oxide
(MnO 2 + TiO 2 )
복합금속산화물 내 TiO2 입자TiO 2 in composite metal oxide particle 복합금속산화물
내 MnO2 및 TiO2
중량비
Composite metal oxide
MnO 2 And TiO 2
Weight ratio
BET
비표면적
(m2/g)
BET
Specific surface area
(m 2 / g)
평균입경
(nm)
Average particle diameter
(nm)
BET
비표면적
(m2/g)
BET
Specific surface area
(m 2 / g)
평균입경
(nm)
Average particle diameter
(nm)
준비예 2-1Preparation Example 2-1 210210 24~2524-25 375 ~ 380375 to 380 2 ~ 5 2 to 5 1:0.071: 0.07 준비예 2-2Preparation Example 2-2 219219 25~2625 ~ 26 375 ~ 380375 to 380 2 ~ 52 to 5 1:0.21: 0.2 준비예 2-3Preparation Example 2-3 228228 25~2625 ~ 26 375 ~ 380375 to 380 2 ~ 52 to 5 1:0.431: 0.43 준비예 2-4Preparation Example 2-4 215215 26~2726-27 375 ~ 380375 to 380 2 ~ 52 to 5 1:0.671: 0.67 준비예 2-5Preparation Example 2-5 220220 25~2625 ~ 26 375 ~ 380375 to 380 2 ~ 52 to 5 1:0.881: 0.88 비교준비예 1Comparative Preparation Example 1 206206 26~2726-27 -- -- --

실시예Example 1 One

준비예 1에서 제조된 고분자화합물 9.8g, 준비예 2-1에서 제조한 복합금속산화물 0.3g 및 나피온(nafion) 90g을 혼합 및 교반하여 혼합액을 제조하였다. 그 후, 상기 혼합액에 산성 전해액(종류:1M 염산 수용액) 투입하여 pH 2.2 ~ 2.3 정도로 맞추어서 전극 조성물을 제조하였다. 이때, 상기 고분자 화합물은 산화형 화합물(화학식 1-1) : 중간산화형 화합물(화학식 1-2) : 환원형 화합물(1-3) = 0.45 : 1 : 0.12의 몰비로 포함하고 있었다.9.8 g of the polymer compound prepared in Preparation Example 1, 0.3 g of the composite metal oxide prepared in Preparation Example 2-1 and 90 g of nafion were mixed and stirred to prepare a mixed solution. Thereafter, an acidic electrolytic solution (type: 1M hydrochloric acid aqueous solution) was added to the mixed solution to adjust the pH to about 2.2 to 2.3 to prepare an electrode composition. At this time, the polymer compound contained the oxidizing compound (Formula 1-1): the intermediate oxidizing compound (Formula 1-2): the reducing compound (1-3) = 0.45: 1: 0.12.

다음으로, 상기 전극 조성물을 카본 글래스(Carbon-Glass)에 스핀 코터(Spin-coater)를 이용하여 6㎛ 두께로 코팅하여 수도커패시터용 전극을 제조하였다.Next, the electrode composition was coated on Carbon-Glass to a thickness of 6 μm using a spin coater to prepare an electrode for a water condenser.

실시예Example 2 ~ 5 및  2 to 5 and 비교예Comparative Example 1  One

실시예 2 ~ 5 및 비교예 1은 하기 표 2의 배합비로 제조하였으며, 배합비를 제외한 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하였다.Examples 2 to 5 and Comparative Example 1 were produced in the blend ratios shown in Table 2 below, and the remaining conditions except for blending ratios were prepared in the same manner as in Example 1.

비교예Comparative Example 2 ~  2 ~ 비교예Comparative Example 4 4

비교예 2는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 복합금속산화물이 아닌 다공성 MnO2 분말(BET 비표면적 210 m2/g, 평균입경 26 ~ 27 nm) 및 TiO2 입자(비표면적 375 ~ 380 m2/g 및 평균입경 2 ~ 5 nm)를 하기 표 3과 같은 조성이 되도록 하여 전극 조성물을 제조한 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로 6㎛ 두께로 코팅하여 수도커패시터용 전극을 제조하였다.Comparative Example 2 was carried out in the same manner as in Example 1 except that porous MnO 2 powder (BET specific surface area 210 m 2 / g, average particle diameter 26 to 27 nm) and TiO 2 particles (specific surface area 375 to 380 m 2 / g and an average particle diameter of 2 to 5 nm) were prepared as shown in Table 3 below, and then coated to a thickness of 6 μm in the same manner as in Example 1 to prepare an electrode for a water-storage capacitor.

또한, 비교예 3 ~ 4 역시 상기 비교예 2와 마찬가지로 하기 표 3과 같은 조성을 가지도록 전극 조성물을 각각 제조한 다음, 이를 각각을 이용하여 6㎛ 두께로 코팅하여 수도커패시터용 전극을 제조하였다.Also, in Comparative Examples 3 to 4, electrode compositions were prepared so as to have the compositions shown in Table 3, as in Comparative Example 2, and then coated to a thickness of 6 μm using each of the electrodes to prepare an electrode for a tap capacitor.

구분division 고분자화합물
(준비예 1)
Polymer compound
(Preparation Example 1)
복합금속
산화물
Composite metal
oxide
나피온Nafion 전극 조성물의
pH
The electrode composition
pH
실시예 1Example 1 9.7g9.7 g 준비예 2-1
0.3g
Preparation Example 2-1
0.3 g
90g90g 2.2~2.32.2 to 2.3
실시예 2Example 2 9.7g9.7 g 준비예 2-2
0.3g
Preparation Example 2-2
0.3 g
90g90g 2.0~2.12.0 to 2.1
실시예 3Example 3 9.7g9.7 g 준비예 2-3
0.3g
Preparation Example 2-3
0.3 g
90g90g 2.1~2.22.1 to 2.2
실시예 4Example 4 9.7g9.7 g 준비예 2-4
0.3g
Preparation Example 2-4
0.3 g
90g90g 2.0~2.12.0 to 2.1
실시예 5Example 5 9.7g9.7 g 준비예 2-5
0.3g
Preparation Example 2-5
0.3 g
90g90g 2.0~2.12.0 to 2.1
비교예 1Comparative Example 1 9.7g9.7 g 비교준비예 1
0.3g
Comparative Preparation Example 1
0.3 g
90g90g 2.0~2.12.0 to 2.1

구분division 고분자화합물
(준비예 1)
Polymer compound
(Preparation Example 1)
금속
산화물
metal
oxide
나피온Nafion 전극 조성물의
pH
The electrode composition
pH
다공성
Mn2분말
Porous
Mn 2 powder
TiO2 입자TiO 2 particles
비교예 2Comparative Example 2 9.7g9.7 g 0.2g0.2 g 0.1g0.1 g 90g90g 2.1~2.22.1 to 2.2 비교예 3Comparative Example 3 9.8g9.8 g 0.1g0.1 g 0.1g0.1 g 90g90g 2.0~2.12.0 to 2.1 비교예 4Comparative Example 4 9.6g9.6 g 0.3g0.3 g 0.1g0.1 g 90g90g 2.0~2.12.0 to 2.1

실험예Experimental Example 1 One

상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 4에 의해 제조된 수도커패시터용 전극과 수계 전해질을 사용하여 3전극 방식의 수도커패시터를 제조한 후, 사이클린 볼타메트리(Won-A tech, WPG100)을 이용하여 하기와 같은 방법으로 물성을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.A three-electrode type water-based capacitor was manufactured using the electrodes for water-tap capacitor and the water-based electrolyte prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, and then Cyclin Boltmetry (Won-A tech, WPG100) The physical properties were measured by the following methods and are shown in Table 4 below.

(1) (One) 비정전용량Non-volatile capacity 측정방법 How to measure

순환전압 전류법(cyclic voltammetry)에 의거하여, 전압 -0.2 ~1.2V, 전류 20mA, 100mV/sec의 조건 하에서 측정하였다.Was measured under the conditions of a voltage of -0.2 to 1.2 V, a current of 20 mA, and a voltage of 100 mV / sec based on a cyclic voltammetry.

(2) (2) 등가직렬저항Equivalent series resistance 측정방법 How to measure

임피던스(impidence) 방법에 의거하여, 10mHz ~ 1MHz, 1V, 20mA의 조건 하에서 측정하였다.Was measured under the conditions of 10 mHz to 1 MHz, 1 V, and 20 mA based on the impedance method.

(3) 수명(cycle) 주기 측정방법(3) Life cycle (cycle) Measurement method

정전류 방전(constant-current discharge) 방법에 의거하여, 충전조건(CC : 10mA, 1V / CV / 1V, 30min) 및 방전조건(1V ~ 0.4V, 1mA 방전) 하에서 측정하였다.(CC: 10 mA, 1 V / CV / 1 V, 30 min) and a discharge condition (1 V to 0.4 V, 1 mA discharge) based on a constant-current discharge method.

(4) 에너지 밀도 측정방법(4) Method of measuring energy density

정전류 방전(constant-current discharge) 방법에 의거하여, 충전조건(CC : 10mA, 1V / CV / 1V, 30min) 및 방전조건(1V ~ 0.4V, 1mA 방전) 하에서 측정하고, 하기 수학식 1을 이용하여 도출하였다.Under the conditions of charging (CC: 10 mA, 1 V / CV / 1 V, 30 min) and discharge conditions (1 V to 0.4 V, 1 mA discharge) based on a constant-current discharge method, Respectively.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016088371312-pat00009
Figure 112016088371312-pat00009

(5) 출력 밀도 측정방법(5) Method of measuring power density

DC ESR 측정 방법에 의거하여, 100mA, 1V에서 반정전 ΔV를 측정하여 하기 수학식 2를 이용하여 도출하였다.Based on the DC ESR measurement method, the half static charge? V was measured at 100 mA and 1 V and was derived using the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112016088371312-pat00010
Figure 112016088371312-pat00010

(6) (6) 충방전효율Charge / discharge efficiency 측정방법 How to measure

정전류 방전(constant-current discharge) 방법에 의거하여, 충전조건(CC : 10mA, 1V / CV / 1V, 30min) 및 방전조건(1V ~ 0.4V, 1mA 방전) 하에서 측정하였다.(CC: 10 mA, 1 V / CV / 1 V, 30 min) and a discharge condition (1 V to 0.4 V, 1 mA discharge) based on a constant-current discharge method.

구분division 비정전용량
(F/g)
Non-volatile capacity
(F / g)
등가직렬저항
(ESR, Ω/㎠)
Equivalent series resistance
(ESR, Ω / ㎠)
에너지 밀도
(wh/kg)
Energy density
(wh / kg)
출력 밀도
(kW/kg)
Power density
(kW / kg)
수명
(Cycle)
life span
(Cycle)
충방전효율
(%)
Charge / discharge efficiency
(%)
실시예 1Example 1 344344 1.491.49 5.55.5 2.32.3 10,18010,180 9090 실시예 2Example 2 377377 1.221.22 6.56.5 3.03.0 31,25031,250 9393 실시예 3Example 3 420420 1.151.15 7.27.2 3.33.3 35,69535,695 9696 실시예 4Example 4 388388 1.111.11 7.67.6 3.13.1 33,25033,250 9292 실시예 5Example 5 315315 1.391.39 4.84.8 2.02.0 9,1129,112 8686 비교예 1Comparative Example 1 350350 1.571.57 5.25.2 2.22.2 9,2809,280 8888 비교예 2Comparative Example 2 358358 1.471.47 5.85.8 2.42.4 10,58010,580 8989 비교예 3Comparative Example 3 312312 1.951.95 5.45.4 2.22.2 9,8739,873 8888 비교예 4Comparative Example 4 280280 2.532.53 5.25.2 2.12.1 7,3267,326 8686

상기 표 4에서 확인할 수 있듯이, 복합금속산화물을 이용한 전극 조성물로 제조한 실시예 1 ~ 5의 전극이 비교예 1 ~ 4와 비교할 때, 전반적으로 우수한 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도, 출력 밀도를 가지면서 장기수명안정성을 가짐을 확인할 수 있었다.As can be seen from Table 4, the electrodes of Examples 1 to 5 prepared from the electrode composition using the composite metal oxide had excellent non-discharge capacity, charge / discharge efficiency, energy density, output density And long-term stability.

특히, 복합금속산화물 내 MnO2 및 TiO2의 중량비가 1 : 0.07인 실시예 1과 중량비가 1 : 0.88인 실시예 5 보다 MnO2 및 TiO2의 중량비가 1:0.2 ~ 0. 7을 만족하는 실시예 2 ~ 4가 낮은 등가직렬저항을 가지는 바, 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도, 출력 밀도 및 장기수명안정성이 크게 향상되는 결과를 보였다.In particular, MnO 2 in the composite metal oxide And the weight ratio of TiO 2 1: 0.07 in Example 1 with a weight ratio of 1: 0.88, the embodiment MnO 2 than Example 5 And TiO 2 in the weight ratios of 1: 0.2 to 0.7 satisfy the low equivalent series resistance, the non-discharge capacity, the charge / discharge efficiency, the energy density, the output density and the long-term life stability are greatly improved Results.

상기 실시예 및 실험예를 통하여, 본 발명의 수도커패시터용 전극 조성물을 이용하여 우수한 전기적 물성을 가지는 수도커패시터 전극을 제공함으로써, 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도, 출력 밀도 및 장기수명안정성이 크게 향상된 수도커패시터를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.By providing the water-based capacitor electrode having excellent electrical properties using the electrode composition for a water-cooled capacitor of the present invention, the non-discharge capacity, charge / discharge efficiency, energy density, output density and long- It is possible to fabricate an improved tap capacitor.

Claims (13)

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물 100 중량부에 대하여, 복합금속산화물 2 ~ 7 중량부 및 바인더 800 ~ 1,000 중량부를 포함하고,
상기 복합금속산화물은 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 포함하며, 상기 TiO2 입자의 전부 또는 일부가 MnO2 분말의 기공에 내재되어 일체화된 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 조성물;
[화학식 1]
Figure 112018064870288-pat00011

상기 화학식 1에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, x는 0 ≤ x ≤ 1를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.
2 to 7 parts by weight of a composite metal oxide and 800 to 1,000 parts by weight of a binder, based on 100 parts by weight of a polymeric compound containing a repeating unit represented by the following formula (1)
Wherein the composite metal oxide comprises a porous MnO 2 powder and TiO 2 particles, wherein all or a part of the TiO 2 particles are integrated in the pores of the MnO 2 powder and integrated therein.
[Chemical Formula 1]
Figure 112018064870288-pat00011

X and y are molar ratios of monomers constituting the repeating unit, x + y = 1, x is a rational number satisfying 0? X? 1, z is a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000 .
제1항에 있어서, 상기 TiO2 입자는 평균입경 1 ~ 10 nm이고, BET 비표면적이 350 m2/g 이상인 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 조성물.
The electrode composition for a capacitive capacitor according to claim 1, wherein the TiO 2 particles have an average particle size of 1 to 10 nm and a BET specific surface area of 350 m 2 / g or more.
제1항에 있어서, 상기 다공성 MnO2 분말은 평균입경 10 ~ 30 nm이고, BET 비표면적이 200 m2/g 이상인 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 조성물.
The electrode composition for a capacitive capacitor according to claim 1, wherein the porous MnO 2 powder has an average particle size of 10 to 30 nm and a BET specific surface area of 200 m 2 / g or more.
제1항에 있어서, 상기 복합금속산화물은 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 1 : 0.02 ~ 0.90 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 조성물.
The electrode composition for a capacitive capacitor according to claim 1, wherein the composite metal oxide comprises porous MnO 2 powder and TiO 2 particles in a weight ratio of 1: 0.02 to 0.90.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바인더는 나피온(nafion), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the binder comprises at least one of nafion, polyvinylidene fluoride (PVdF), and polytetrafluoroethylene (PTFE).
수도커패시터용 전극으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물 및 복합금속산화물을 1 : 0.02 ~ 0.07 중량비로 포함하고,
상기 복합금속산화물은 다공성 MnO2 분말 및 TiO2 입자를 포함하며, 상기 TiO2 입자의 전부 또는 일부가 MnO2 분말의 기공에 내재되어 일체화 되어 있으며,
상기 수도커패시터용 전극은 순환전압 전류법(cyclic voltammetry)으로 측정시, 300 ~ 500F/g의 비정전용량을 갖는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극;
[화학식 1]
Figure 112018064870288-pat00012

상기 화학식 1에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, x는 0 ≤ x ≤ 1를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.
The electrode for a water capacitor comprises a polymer compound containing a repeating unit represented by the following formula (1) and a composite metal oxide in a weight ratio of 1: 0.02 to 0.07,
Wherein the composite metal oxide comprises porous MnO 2 powder and TiO 2 particles, wherein all or a part of the TiO 2 particles are integrated in the pores of the MnO 2 powder,
Wherein the electrode for the at least one water capacitor has an atmospheric capacity of 300 to 500 F / g as measured by a cyclic voltammetry method.
[Chemical Formula 1]
Figure 112018064870288-pat00012

X and y are molar ratios of monomers constituting the repeating unit, x + y = 1, x is a rational number satisfying 0? X? 1, z is a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000 .
제7항에 있어서, 상기 수도커패시터용 전극은
임피던스(impidence) 방법으로 측정시, 1.05 ~ 1.70 Ω/㎠의 등가직렬저항(Equivalent Serial Resistance, ESR)을 가지며,
정전류 방전(constant-current discharge) 방법으로 측정시, 4.6 ~ 8.0 wh/kg의 에너지 밀도(energy density)를 가지는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극.
8. The power semiconductor device according to claim 7, wherein the electrode for the water-
Has an Equivalent Serial Resistance (ESR) of 1.05 to 1.70? / Cm 2 when measured by an impedance method,
Wherein the electrode has an energy density of 4.6 to 8.0 wh / kg when measured by a constant-current discharge method.
제7항에 있어서, 상기 수도커패시터용 전극은 DC ESR 방법으로 측정시, 2.0 ~ 4.0 kW/kg의 출력 밀도(power density)를 가지는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극.
8. The electrode for a capacitive capacitor according to claim 7, wherein the electrode for the water capacitor has an output power density of 2.0 to 4.0 kW / kg as measured by the DC ESR method.
하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유한 고분자화합물, 복합금속산화물 및 바인더를 혼합 및 교반하여 전극 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 전극 조성물을 성형하는 단계;를 포함하며,
상기 복합금속산화물은 과망산칼륨, 아스코르빈산(ascorbic acid), 및 TiO2 입자의 혼합물을 이온수와 혼합 및 교반하는 1단계;
교반물을 50 ~ 200℃ 하에서 20 ~ 30시간 동안 소성시켜 소성물을 제조하는 2단계;
상기 소성물을 필터링 및 수세한 후, 건조시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조한 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 제조방법;
[화학식 1]
Figure 112016088371312-pat00013

상기 화학식 1에 있어서, x 및 y는 반복단위를 구성하는 단량체의 몰비로서, x + y = 1을 만족하고, x는 0 ≤ x ≤ 1를 만족하는 유리수이며, z는 중량평균분자량 10,000 ~ 50,000을 만족하는 유리수이다.
Preparing an electrode composition by mixing and stirring a polymer compound containing a repeating unit represented by the following formula (1), a composite metal oxide and a binder; And
And molding the electrode composition,
Wherein the composite metal oxide is prepared by mixing a mixture of potassium permanganate, ascorbic acid, and TiO 2 particles with ionized water and stirring the mixture;
A second step of baking the agitated product at 50 to 200 DEG C for 20 to 30 hours to produce a sintered product;
Filtering and rinsing the fired product, and then drying the fired product; and drying the fired product.
[Chemical Formula 1]
Figure 112016088371312-pat00013

X and y are molar ratios of monomers constituting the repeating unit, x + y = 1, x is a rational number satisfying 0? X? 1, z is a weight average molecular weight of 10,000 to 50,000 .
제10항에 있어서, 상기 혼합물은 과망산칼륨 100 중량부에 대하여, 아스코르빈산 100 ~ 300 중량부 및 TiO2 입자 15 ~ 45 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 제조방법.
The method of claim 10 wherein the mixture, relative to 100 parts by weight of acid potassium permanganate, ascorbic acid 100 to 300 parts by weight of TiO 2 particles 15 to 45 parts by weight may capacitor electrode production method for comprising parts.
제10항에 있어서, 1단계의 혼합물 및 이온수는 1 : 1 ~ 1.4 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 제조방법.
11. The method according to claim 10, wherein the mixture of the first step and the ionized water are contained at a weight ratio of 1: 1 to 1.4.
제10항에 있어서, 상기 고분자화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물, 이온수 및 과염소산(perchloric acid, HClO4) 용매를 포함하는 반응조에 과황산암모늄(Ammonium Persulfate)를 투입하는 1단계; 및 상기 반응조를 0 ~ 4에서 환류시켜 상기 고분자화합물을 제조하는 2단계;를 포함하여 공정을 수행하여 제조하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 수도커패시터용 전극 제조방법;
[화학식 2]
Figure 112016088371312-pat00014

[11] The method of claim 10, wherein the polymer compound is a compound of the following formula (I): 1) introducing ammonium persulfate into a reaction tank containing a compound represented by the following formula (2), ionized water and perchloric acid (HClO 4 ) And 2) a step of refluxing the reaction mixture at 0 to 4 to prepare the polymer compound. The method for manufacturing an electrode for a water capacitor according to claim 1,
(2)
Figure 112016088371312-pat00014

KR1020160116514A 2016-09-09 2016-09-09 electrode composition in pseudo type capacitor, electrode using the same and manufacturing method thereof KR101933512B1 (en)

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