KR102052000B1 - 금속탄화물 나노입자가 3차원 탄소플라워 구조체에 증착된 전극소재 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 전극 - Google Patents

금속탄화물 나노입자가 3차원 탄소플라워 구조체에 증착된 전극소재 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 3차원 구조 고체 물질로 이루어진 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 및 상기 전도성 지지체 상에 위치하는 Mo2C 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재를 제공하는 것에 관한 것이다.

Description

금속탄화물 나노입자가 3차원 탄소플라워 구조체에 증착된 전극소재 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 전극{An electrode material in which metal carbide nanoparticles are deposited on a three-dimensional carbon flower structure and The super capacitor electrode}
본 발명은 금속탄화물 나노입자가 3차원 탄소플라워 구조체에 증착된 전극소재 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소가 도핑된 3D탄소 플라워(Carbon flower)상에 Mo2C 나노입자를 형성한 커패시터로 더 짧은 확산 경로 제공과 전하수송을 용이하게 하는 효과, 우수한 안정성, 긴 사이클 작동, 높은 에너지밀도 및 높은 출력밀도 효과를 가진 커패시터 전극에 관한 것이다.
변화하는 전 지구 적 환경에 대응하여 에너지는 세계의 과학 및 산업 공동체의 주된 관심사가 되었다.
그런 측면에서 슈퍼 커패시터(SCs: Super capacitor)는 높은 전력밀도, 빠른 충전율, 방전율, 높은 신뢰성 및 긴 사이클 수명으로 인해 엄청난 연구 관심을 얻고 있다.
이러한 모든 이점에도 불구하고, 에너지 밀도의 한계 때문에 대규모 적용이 제한된다. 이온 흡착을 기반으로 하는 전기 이중층 커패시터 (EDLC: Electric double-layer capacitor) 및 표면 유도전류의 산화 환원 반응에서 비롯한 의사 커패시터(pseudocapacitor) 와 같이 두 가지 유형의 슈퍼 커패시터가 있다. 최근 몇 년 동안, 이론적인 에너지 밀도가 EDLC의 이론적인 에너지 밀도보다 크기 때문에 의사 커패시터 연구에 대한 많은 연구가 실시되어왔다. 하지만, 여전히 많은 수의 금속 산화물이 낮은 전기 전도도로 인해 불충분한 전자 전달 특성을 나타내므로, 슈퍼 커패시터용 활성 전극 재료를 개발하는데 대한 광범위한 연구가 필요하다.
최근에는 전이 금속 황화물, 인화물, 질화물 및 탄화물이 에너지 저장 물질로 연구되어 왔다. 그 중에서도 다양한 물리적 화학적 특성을 지닌 전이 금속 탄화물 (TMCs: Transition metal carbide)은 촉매 물질로서 새로운 연구 관심을 받고 있다. 왜냐하면 높은 안정성, 우수한 내 부식성, 내 충격성 및 낮은 화학반응성으로 매우 강하고 매우 단단하기 때문이다. 최근에, 몰리브덴 탄화물(Mo2C)은 Pt와 같은 유사 촉매 작용 때문에 새로운 종류의 전극 촉매로서 상당한 관심을 끌고 있다. 게다가 페르미 레벨 주위에서 독특한 Mo-C 화학 결합 및 d-상태 밀도로부터 추가적인 이점을 가지고 있다. 또한 높은 전도성, 우수한 기계적 강성 및 우수한 열적 화학적 안정성을 나타낸다. 최근 몇 년 동안 Mo2C 복합체 합성과 그 응용에 대한 많은 연구가 수행되었다. 합성 방법 중 일부는 탄소 시트, 키토산 과 탄소 나노 튜브 (CNTs: Carbon nanotube) 와 같은 다양한 전도성 지지체를 함께 사용하는 것으로 보고 되었으며, 이를 통해Mo 기반 화합물이 응집되는 것을 방지하고 활성 사이트의 분산을 증가시킨다. 또한, 3D 다공성 구조를 갖는 탄소 매트릭스는 전자의 더 짧은 확산 경로를 제공함으로써 전하 수송을 촉진시키는 독특한 구조적 특징을 나타낸다.
대한민국 등록특허 제 10-1570981
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 슈퍼 커패시터의 소재로 종래에 에 너지 밀도의 한계 때문에 대규모 적용이 제한되는 문제를 해결하기 위해 도출된 슈퍼 커패시터 소재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
보다 구체적으로는 슈퍼 커패시터는 높은 전력밀도, 빠른 충전율, 방전율, 높은 신뢰성 및 긴 사이클 수명의 이점으로 연구되어 왔다. 하지만 에너지 밀도의 한계 때문에 대규모에 적용이 제한되고 금속 산화물의 낮은 전기 전도성과 빠른 속도로 전자 전달을 하지 못하는 문제점이 나타나 이러한 문제점을 해결하기 위한 슈퍼 커패시터 소재를 제작하기 위해서 광범위한 연구가 필요하다.
이런 문제점을 해결하기 위해 슈퍼 커패시터 소재 및 제작방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 슈퍼 커패시터용 전극 소재를 제공한다. 이러한 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 및 상기 전도성 지지체 상에 위치하는 Mo2C 나노입자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 3차원 탄소 플라워는 질소가 도핑된 탄소 플라워인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 지지체는 다공성 구조체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo2C 나노입자의 크기는, 1nm 내지 100 nm 의 크기분포 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 1A/g의 전류밀도에서 1250F/g이상의 전기용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법을 제공한다. 이러한 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법은 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 준비하는 단계 및 상기Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 열처리 하여 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 상에Mo2C 나노입자를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 Mo2C 나노입자는 2 종류 이상의 크기 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 100몰% 기준으로 상기 Mo2C 나노입자 함량이 8몰% 내지 12몰%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 1℃/min내지 5℃/min 의 온도상승률로 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 1시간 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 질소가스 분위기 에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo2C 나노입자는 상기 3차원 탄소플라워 구조의 전도성 지지체 상에 침탄된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo-PDA전구체를 준비하는 단계는, 폴리도파민(PDA)과 산화 몰리브데넘을 교반하여 혼합물을 형성하는 단계, 상기 혼합물을 환류하여 Mo-PDA를 생산하는 단계, 상기 환류한 Mo-PDA를 원심분리하여 침전하는 단계 및 상기 침전된 Mo-PDA를 물 및 에탄올로 반복세척 하여 Mo-PDA전구체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 환류하는 단계는 20℃ 내지 50℃ 온도에서 10시간 내지 15시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 1A/g의 전류밀도에서 1250F/g이상의 전기용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 상술한 슈퍼 커패시터용 전극소재 제조방법으로 제조된 슈퍼 커패시터용 전극 소재를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 및 상기 전도성 지지체 상에 위치하는 Mo2C 나노입자를 포함한 화합물은 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 적용이 가능하다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 3차원 구조로 종래보다 짧은 확산 경로를 제공하여 전하수송을 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C /NCF전극소재를 사용하여 종래보다 높은 안정성을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C/NCF전극소재를 사용하여 종래보다 긴 사이클 수명을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C/NCF전극소재를 사용하여 종래보다 높은 에너지밀도 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C/NCF전극소재를 사용하여 종래보다 높은 출력밀도 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 Mo2C/NCF의 합성 절차를 나타낸 반응식이다.
도 2는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법의 순서도이다.
도 3(a) 내지 (d)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재, 도3(e) 내지 (f)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:5인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 및 도3(g) 내지 (h)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:15인 슈퍼 커패시터용 전극 소재의 SEM사진들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Mo2C/NCF의 특성 그래프들이다.
도 5는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 것에서의 전기 화학적 성능을 나타낸 그래프 및 사진이다.
도 6은 슈퍼 커패시터 소재 제작 순서를 나타낸 사진들이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Mo2C/NCF(Mo2C/nitrogen doped carbon flower)의 합성 절차를 나타낸 반응식이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터용 전극소재는 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 및 상기 전도성 지지체 상에 위치하는 Mo2C 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 지지체는 3차원 탄소 플라워 구조일 수 있다. 이때의 3차원 탄소 플라워는 질소가 도핑된 탄소 플라워인 것을 특징으로 한다. 이러한 질소가 도핑된 탄소 플라워의 경우 3차원 탄소 플라워 지지체의 산화를 방지할 수 있어 안정된 구조를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 전도성 지지체는 다공성 구조체인 것을 특징으로 한다. 따라서, 전도성 지지체는 다공성 구조를 가짐으로써 확산 경로가 짧아 전하 수송을 촉진시키는 구조적 특징을 제공할 수 있다.
상기 Mo2C 나노입자의 크기는, 1nm 내지 100 nm의 크기분포 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다. 1nm 내지 100 nm의 크기분포 영역을 갖는 Mo2C 나노입자는 탄소 플라워 구조의 일단에 위치함으로써 슈퍼커패시터용 전극 소재의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 1A/g의 전류밀도에서 1250F/g이상의 전기용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
종래의 슈퍼 커패시터용 전극 소재의 전기용량은 250F/g 정도에 머물렀지만 본 발명의 전기용량은 1A/g의 전류밀도에서 1250F/g 이상의 효과를 제공할 수 있다.
또한, 종래의 슈퍼 커패시터용 전극 소재의 에너지 및 출력 밀도는 1Wh/kg 및 1kW/kg정도에 머물러, 용도는 시계나 메모리 백업 전원 등에 한정되었지만 본 발명의 에너지 및 출력 밀도는 54Wh/kg 및 21kW/kg일 수 있다.
이하, 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법은3차원 구조를 가진Mo-PDA전구체를 준비하는 단계 (S100) 및 상기 Mo-PDA전구체를 열처리하여 NCF위에Mo2C 나노입자가 형성되 Mo2C/NCF을 생성하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
먼저, 3차원 구조를 가진Mo-PDA전구체를 준비한다(S100).
상기 3차원 구조를 가진Mo-PDA전구체를 준비하는 단계(S100)는, 폴리도파민(PDA)과 산화 몰리브데넘을 교반하여 혼합물을 형성하는 단계, 상기 혼합물을 환류하여 Mo-PDA를 생산하는 단계, 상기 환류한 Mo-PDA를 원심분리하여 침전하는 단계 및 상기 침전된 Mo-PDA를 물 및 에탄올로 반복세척 하여 Mo-PDA전구체를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법으로 제조될 수 있다.
상기 혼합물을 환류하여 Mo-PDA를 생산하는 단계는 20℃ 내지 50℃ 온도에서 10시간 내지 15시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
그 다음에, 상기 Mo-PDA전구체를 열처리하여 NCF위에Mo2C 나노입자가 형성되 Mo2C/NCF을 생성한다(S200).
상기 Mo-PDA전구체를 열처리하여 NCF위에Mo2C 나노입자가 형성되 Mo2C/NCF을 생성하는 단계(S200)는 상기Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 열처리 하여 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 상에Mo2C 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 100몰% 기준으로 상기 Mo2C 나노입자 함량이 8몰% 내지 12몰%인 것을 특징으로 한다.
만일, Mo2C 나노입자 함량의 몰비가 12몰%를 초과 하면 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA 전구체의 크기가 증감함에 따라 Mo2C 나노입자는 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA 전구체 표면에 붙지 않고 3차원 탄소 플라워 내에 붙게 되고, 8몰% 미만이면 Mo2C 나노입자 농도가 증가하여 Mo2C 나노입자가 서로 응집되는 현상이 발생된다. 따라서, 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA 전구체 표면에 붙지 않는 현상이 일어날 수 있다.
또한, 상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 1℃/min내지 5℃/min 의 온도상승률로 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 1시간 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 질소가스 분위기 에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 질소 분위기에서 열처리 단계를 수행하면 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소 플라워 지지체의 산화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 Mo2C 나노입자는 상기 3차원 탄소플라워 구조의 전도성 지지체 상에 침탄된 것을 특징으로 한다. 따라서, 3차원 탄소 플라워 상에 침탄된 Mo2C 나노 입자는 전극소재에 우수한 안정성, 긴 사이클 작동, 높은 에너지밀도 및 높은 출력밀도 이점을 제공할 수 있다.
제조예 1
1. Mo2C/NCF합성
0.01M (NH4)6Mo7O24 H2O를 먼저 30ml의 물 : 에탄올(2:1) 용매에 연속적으로 교반하면서 용해시켜 용액를 제조하였다.
상기 용액 pH를 30% 암모니아를 첨가하여 약 8로 조정하였다.
pH를 조정한 용액에 0.1M 도파민 용액 10mL를 일정하게 교반하며 적가하여 혼합물을 제조하였다.
상기 혼합물을 30 ℃에서 환류 조건하에 12 시간 동안 반응시켰다.
생성된 몰리브덴 폴리 도파민 (Mo-PDA) 침전물을 원심분리하여 수집하였다.
수집한 Mo-PDA를 물 및 에탄올로 반복 세척하였다.
Mo-PDA는 2 ℃/min의 느린 온도 상승 속도로 2시간 동안 700 ℃에서 N2 분위기 하에서 어닐링 하였다.
어닐링 하여 얻어진 생성물은 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10, 1:5, 1:15인 슈퍼 커패시터용 전극 소재로 구성되었다.
도 3 (a) 내지 (d)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재, 도 3(e) 내지 (f)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:5인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 및 도 3(g) 내지 (h)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:15인 슈퍼 커패시터용 전극 소재의 SEM사진이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Mo2C/NCF의 SEM(scanning electron microscope)사진을 보여준다.
도 3에 나온 Mo2C/NCF 형태는 미세 꽃이 잘 조직 된 형태에 중심에서 느슨하게 쌓이는 구조와 같이 꽃잎모양으로 붙어있다.
도 3 (a) 내지 (d)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재를 보여준다.
몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 미세 꽃 전체에 Mo2C 나노입자가 퍼져 3차원 탄소 플라워 상에 침탄된 것을 볼 수 있고, 도 3(d)를 보면 탄소 플라워 상에 Mo2C 나노입자가 침탄된 것을 볼 수 있다.
도 3(e) 내지 (f)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:5인 슈퍼 커패시터용 전극 소재를 보여준다.
도 3(f)는 Mo2C 나노입자가 탄소 플라워 상에 위치 하지 않는 모습을 보인다. 이는 Mo2C나노입자의 농도가 증가하여 Mo2C입자가 서로 응집되는 현상으로 서로 응집된 Mo2C나노입자는 탄소 플라워 상에 침탄될 수 없기 때문이다.
도 3(g) 내지 (h)는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:15인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 을 보여준다.
도 3(h)는 Mo2C 나노입자가 탄소 플라워 상에 위치 하지 않는 모습을 보인다. 이는 탄소 플라워 전도성 지지체의 크기가 증가함에 따라 Mo2C 나노입자는 3차원 탄소 플라워 전도성 지지체 말미에 붙지 않고 3차원 탄소 플라워 내에 붙기 때문이다.
또한, 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:15인 도 3(g)의 경우 와 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:5인 도 3 (e) 를 비교하면
도 3(g)의 탄소 플라워의 크기가 도 3(e)보다 커진 것을 확인 할 수 있다. 따라서, 폴리도파민의 몰비 즉 탄소의 중량비가 증가하여 보이는 특징일 수 있고 전도성 지지체가 탄소 전구체로 만들어 진다는 것을 증명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Mo2C/NCF의 특성 그래프들이다.
도 4(a)는 10mV/s에서 실험한 Mo2C/NCF의 CV곡선그래프이다.
도 4(a)를 참조하면, 도 4(a)는 각각 10mV / s의 스캔 속도에서 전극의 CV 곡선을 보여주고 합성 물질 중에서 Mo2C/NCF-1 : 10은 최대 전류값을 보여준다.
도 4(b)는 시간에 따른 Mo2C/NCF전위 곡선그래프이다.
도 4(b)를 참조하면, 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재가 최대 전위차를 보여준다.
도 4(c)는 Mo2C/NCF의 EIS spectra 그래프이다.
도 4(c)를 참조하면, 전극의 전기 화학적 성능을 평가한 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 그래프를 보여주고 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 전극은 상대적으로 낮은 전해질 저항을 갖는다. 이러한 결과는 전하 이동과 이온 확산이 훨씬 쉽다는 것을 의미한다.
도 4(d)는 다양한 전류밀도에서 비 전기 용량 유지 그래프이다.
도 4(d)를 참조하면, 모든 합성 물질 중에서 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 전극에서 관찰 된 가장 높은 커패시턴스는 1A/g 전류 밀도에서 1250F/g 인 반면 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:5인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 및 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:15인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 는 596F/g 및 405 F/g에서 동일한 전류 밀도에서 각각 나타났다.
따라서, 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 전극에서 가장 높은 전기용량을 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 4(e)는 Mo2C/NCF의 사이클 안정성 그래프이다.
도 4(e)는 사이클 안정성 그래프를 보여주고 5000A/g의 정전류 밀도에서 상대적으로 비교했을 때 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 슈퍼 커패시터용 전극 소재 전극이 가장 높은 전기 용량을 보여 높은 안정성을 갖는다.
도 5는 몰리브데넘 전구체와 폴리도파민(PDA)의 몰비가 1:10인 것에서의 전기 화학적 성능을 나타낸 그래프 및 사진이다.
도 5(a)는 대칭소자의 EIS스펙트럼 그래프이다.
도 5(a)를 참조하면, SSC 장치의 EIS 스펙트럼을 측정하여 전기 화학적 성능을 평가하였을 때 ESR과 Rct의 값은 각각 5.7ohm과 1.97ohm을 볼 수 있다. 이 결과값은 소자의 내부 저항이 매우 낮다는 것을 의미한다.
도 5(b)는 사이클성능을 측정한 그래프이다.
도 5(b)를 참조하면, 5A/g의 전류 밀도에서 최대 5000 사이클까지의 SSC 장치의 사이클 안정성을 보여준다. 본 발명의SSC 소자는 사이클링 안정성을 측정하는 동안 비 커패시턴스를 100 % 유지한다. 이 결과값은 제조에 사용되는 고체 전해질뿐만 아니라 Mo2C 물질의 안정성이 매우 높다는 것을 의미한다.
도 5(c)는 전 고체 상태의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5(c)를 참조하면, 1080W/kg의 출력 밀도에서 54 Wh/kg의 최대 에너지 밀도가 달성되고, 12 Wh/kg의 에너지 밀도에서 21 kW/kg의 최대 출력 밀도가 관찰된다. 현재 제작 된 SSC의 에너지 밀도는 종래 재료의 에너지 밀도보다 높으며, 이는 본 발명의 장치가 실용적인 에너지 저장 응용 분야에 유용하다는 것을 나타낸다.
도 5(d)는 Mo2C/NCF의 전기화학적 메커니즘 그래프 및 사진이다.
도 5(d)를 참조하면, 전해질 이온은 Mo2C 나노 입자와 상호 작용하고 산화 환원 반응을 거치고 동시에 이중층 커패시턴스를 생성하기 위해 두 개의 인접한 Mo2C 나노 입자 사이의 공간으로의 이동 한다.
반면에, 전기 전하는 고 전도성 탄소 지지체를 통해 신속하게 운반 될 수 있다.
따라서, Mo2C/NCF의 독특한 형태는 수퍼 커패시터용으로 사용 가능성이 크다.
도 6은 슈퍼 커패시터 소재 제작 순서를 나타낸 사진들이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 슈퍼 커패시터 소재를 제작한다. PVA/KOH의 0.8mm 박막 양면에 활성물질로 코팅된 Ni 붙여 PVA/KOH 전극을 제조하는 단계 상기 전극을 씰링 기계로 절연체를 피복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 및 상기 전도성 지지체 상에 위치하는 Mo2C 나노입자를 포함한 화합물은 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 적용이 가능하다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 3차원 구조로 종래보다 짧은 확산 경로를 제공하여 전하수송을 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C/NCF전극소재를 사용하여 종래보다 높은 안정성을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C/NCF전극소재를 사용하여 종래보다 긴 사이클 수명을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C/NCF전극소재를 사용하여 종래보다 높은 에너지밀도 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 효과로서, 본 발명의Mo2C/NCF전극소재를 사용하여 종래보다 높은 출력밀도 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체; 및
    상기 전도성 지지체 상에 위치하는 Mo2C 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 Mo2C 나노입자는 상기 3차원 탄소 플라워 구조의 일단에 위치하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 3차원 탄소 플라워는 질소가 도핑된 탄소 플라워인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 지지체는 다공성 구조체인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 Mo2C 나노입자의 크기는, 1nm 내지 100nm의 크기분포 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 1 A/g의 전류밀도에서 1250 F/g이상의 전기용량을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재.
  6. 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 준비하는 단계; 및
    상기 Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 열처리 하여 3차원 탄소 플라워 구조의 전도성 지지체 상에 Mo2C 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 3차원 탄소 플라워 구조의 Mo-PDA(Molybdenum poly-dopamine) 전구체를 100몰% 기준으로 상기 Mo2C 나노입자 함량이 8몰% 내지 12몰%인 것을 특징으로 하고,
    상기 Mo2C 나노입자는 상기 3차원 탄소 플라워 구조의 일단에 형성되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 1℃/min내지 5℃/min 의 온도상승률로 수행되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 1시간 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 Mo-PDA전구체를 열처리 하는 단계는 질소가스 분위기 에서 수행되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 Mo2C 나노입자는 상기 3차원 탄소플라워 구조의 전도성 지지체 상에 침탄된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 Mo-PDA전구체를 준비하는 단계는,
    폴리도파민(PDA)과 산화 몰리브데넘을 교반하여 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 환류하여 Mo-PDA를 생산하는 단계;
    상기 환류한 Mo-PDA를 원심분리하여 침전하는 단계; 및
    상기 침전된 Mo-PDA를 물 및 에탄올로 반복세척 하여 Mo-PDA전구체를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 혼합물을 환류하여 Mo-PDA를 생산하는 단계는 20℃ 내지 50℃ 온도에서 10시간 내지 15시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  14. 제 6항에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터용 전극 소재는 1A/g의 전류밀도에서 1250F/g이상의 전기용량을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극 소재 제조방법.
  15. 제6항의 제조방법으로 제조된 슈퍼 커패시터용 전극 소재.
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