KR102066998B1 - Sodium hybrid capacitor and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나트륨 하이브리드 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터는, 양극활물질을 포함하는 양극; 음극활물질을 포함하는 음극; 및 상기 양극활물질 및 음극활물질 사이에서 이온의 삽입 및 탈리를 매개하는 전해질을 포함하고, 상기 양극활물질이 그래핀을 포함하고, 상기 음극활물질이 그래핀을 포함한다.The present invention relates to a sodium hybrid capacitor and a method of manufacturing the same, the sodium hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention, the positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte which mediates the insertion and desorption of ions between the cathode active material and the anode active material, wherein the cathode active material includes graphene, and the anode active material comprises graphene.
Description
본 발명은 나트륨 하이브리드 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예는 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함하는 양극활물질과 그래핀 나노시트층을 포함한 음극활물질을 함께 사용하여 전기전도도 및 에너지를 향상시킨 새로운 나트륨 하이브리드 커패시터 및 이의 제조방법을 포함한다. The present invention relates to a sodium hybrid capacitor and a method of manufacturing the same. Embodiments of the present invention include a novel sodium hybrid capacitor and a method of manufacturing the same, which improves electrical conductivity and energy by using a cathode active material including a sodium compound and graphene and a cathode active material including a graphene nanosheet layer.
에너지 수요가 증가하면서 필요한 에너지를 전달하는 수단으로서 에너지 저장 장치에 대한 관심이 증가하였다. 에너지 저장 장치는 휴대용 전자 장치에서부터 대형 전기 자동차 및 스마트 그리드 기술에까지 그 응용범위가 넓다. As energy demand has increased, interest in energy storage devices has increased as a means of delivering the required energy. Energy storage devices range from portable electronic devices to large electric vehicles and smart grid technologies.
현재 높은 에너지 밀도와 고용량을 갖는 이차 전지가 널리 이용되고 있지만, 종래의 이차 전지에 비하여 더 큰 에너지 밀도를 갖는 전기 에너지 장치로 전기이중층 커패시터(EDLCs), 하이브리드 커패시터의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. Although secondary batteries having high energy density and high capacity are widely used at present, development of electric double layer capacitors (EDLCs) and hybrid capacitors has been actively performed as an electric energy device having a higher energy density than conventional secondary batteries.
전기이중층 커패시터는 고체 전극과 전해질 사이의 계면에 생성되는 전기이중층에 전하가 축적되는 것을 이용하여 전기에너지를 축적한다. 이는 전극과 전해질의 전기이중층에서만 충방전 반응이 일어나는 특징이 있으며, 이러한 반응이 전기이중층에 한정되어 있기 때문에 저장되는 에너지밀도가 1 ~ 10Wh/kg으로 낮게 된다. The electric double layer capacitor accumulates electric energy by using charge accumulated in the electric double layer generated at the interface between the solid electrode and the electrolyte. This is characterized by the charging and discharging reaction occurs only in the electric double layer of the electrode and the electrolyte, and because the reaction is limited to the electric double layer, the energy density stored is low as 1 ~ 10Wh / kg.
이와 같이 낮은 전기이중층 커패시터의 에너지 밀도를 개선하고자 하이브리드 커패시터(HCs)가 개발되었다. 하이브리드 커패시터는 두 개의 전극에서 i) 양이온의 삽입(intercalation, 인터칼레이션) /탈리(deintercalation, 디인터칼레이션), ii) 음이온의 흡착(adsorption)/탈착(desorption)의 두 개의 메커니즘이 동시에 일어난다. 리튬 이온이 도핑된 탄소계 소재를 이용한 하이브리드 커패시터의 반응 메커니즘을 살펴보면, 충전 시에는, 음극에서 양극의 탄소계 소재로 음이온이 흡착되어 양극의 탄소계 소재는 음전하를 띠게 되면서 리튬 이온이 음극의 탄소계 소재에 삽입되고, 방전시에는, 음극의 탄소계 소재에 삽입되어 있던 리튬 이온이 탈리되면서 양극엔 음이온이 흡착된다. 이러한 메커니즘을 통하여 리튬 하이브리드 커패시터는 음극의 전위를 대폭적으로 낮출 수 있고, 셀 전압도 종래의 전기이중층 커패시터의 2.5 V 대비 크게 향상된 3.8 V 이상의 고전압 구현이 가능하며 높은 에너지 밀도를 발현할 수 있다. Hybrid capacitors (HCs) have been developed to improve the energy density of such low electric double layer capacitors. Hybrid capacitors have two mechanisms simultaneously: i) intercalation / deintercalation of cations and ii) adsorption / desorption of anions. . Looking at the reaction mechanism of the hybrid capacitor using the lithium-doped carbon-based material, during charging, the negative ions are adsorbed from the cathode to the carbon-based material of the anode, and the carbon-based material of the anode has a negative charge and lithium ions are the carbon of the cathode. When the battery is inserted into the system material and discharged, the lithium ions inserted into the carbon material of the negative electrode are detached and the negative ions are adsorbed to the positive electrode. Through this mechanism, the lithium hybrid capacitor can significantly lower the potential of the cathode, and the cell voltage can realize a high voltage of 3.8 V or more, which is significantly improved compared to the 2.5 V of the conventional electric double layer capacitor, and can express high energy density.
그러나 종래의 하이브리드 커패시터에 사용되는 리튬은 가격이 비싸고, 천연 광원이 제한적이다. 따라서 리튬의 대체제로서 에너지 저장장치 시스템에서 리튬과 유사한 화학 작용을 하면서 거의 동등한 에너지 밀도를 가지는 나트륨이 대체제로서 떠오르고 있다. 그러나, 인터칼레이션 전극에서 나트륨은 리튬처럼 쉽게 삽입되지 않는다. 또한, 양극활물질로 다양한 나트륨 금속 산화물이 연구되어 왔으나, 산화물 매트릭스에서 나트륨의 이동성은 리튬 산화물에서의 리튬보다 낮고, 나트륨이 삽입되는 동안에 전이금속이 빠르게 소실되고 격자변형이 크게 일어나기 때문에 하이브리드 커패시터에 이용하기에는 문제가 있다. However, lithium used in conventional hybrid capacitors is expensive and the natural light source is limited. As a substitute for lithium, sodium, which has almost the same energy density as the lithium in the energy storage system, has emerged as a substitute. However, sodium in intercalation electrodes is not as easy to insert as lithium. In addition, various sodium metal oxides have been studied as positive electrode active materials, but the mobility of sodium in the oxide matrix is lower than that of lithium in lithium oxide, and it is used in hybrid capacitors because the transition metal is rapidly lost and lattice deformation occurs during sodium insertion. There is a problem.
흡탈착이 일어나는 전극의 경우에, 넓은 표면적을 가진 다공성의 탄소가 널리 이용되어 왔다. 특히 활성탄소가 많이 사용되는데, 다공성 탄소의 낮은 전기전도성 때문에 아직까지는 출력밀도에서 만족할 만한 수준에 도달한 것은 아니다. In the case of electrodes in which adsorption and desorption takes place, porous carbon having a large surface area has been widely used. In particular, activated carbon is widely used, but due to the low electrical conductivity of porous carbon, it has not yet reached a satisfactory level in power density.
본 발명은 전기전도성, 에너지밀도 및 내구성이 향상된 새로운 나트륨 하이브리드 커패시터와 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a novel sodium hybrid capacitor and a method of manufacturing the same having improved electrical conductivity, energy density and durability.
본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터는, 양극활물질을 포함하는 양극; 음극활물질을 포함하는 음극; 및 상기 양극활물질 및 음극활물질 사이에서 이온의 삽입 및 탈리를 매개하는 전해질을 포함하고, 상기 양극활물질은 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함하고, 상기 음극활물질은 그래핀을 포함한다.Sodium hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention, the positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte which mediates the insertion and desorption of ions between the cathode active material and the anode active material, wherein the cathode active material includes a sodium compound and graphene, and the anode active material includes graphene.
상기 나트륨 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 물질을 포함할 수 있다. The sodium compound may include a material represented by Formula 1 below.
[화학식1] NaxMy(PO4)z[Formula 1] NaxMy (PO 4 ) z
(전이금속 M은 V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta 및 W에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소이고, 0<x≤4, 0<y≤3, 1≤z≤3)(Transition metal M is one or two or more metal elements selected from V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta and W, 0 <x≤4, 0 <y≤3, 1≤z≤3)
상기 나트륨화합물은 NaTi2(PO4)3을 포함할 수 있다. The sodium compound may include NaTi 2 (PO 4 ) 3 .
상기 음극활물질에 포함된 그래핀은 그래핀 나노시트층일 수 있다.Graphene included in the negative electrode active material may be a graphene nanosheet layer.
상기 음극은 상기 음극활물질이 일면에 배치된 음극 집전체를 포함하고, 상기 음극활물질은 상기 음극 집전체의 일면에 대하여 수직방향으로 배향될 수 있다.The negative electrode may include a negative electrode current collector having the negative electrode active material disposed on one surface thereof, and the negative electrode active material may be oriented in a vertical direction with respect to one surface of the negative electrode current collector.
본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터의 제조 방법은, 집전체의 일면에 양극활물질을 도포된 양극을 준비하는 단계; 집전체의 일면에 음극활물질을 도포된 음극을 준비하는 단계; 및 상기 양극 및 음극 사이에서 이온의 삽입 및 탈리를 매개하는 전해질이 배치되도록 상기 양극 및 음극을 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 양극활물질은 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함하고, 상기 음극활물질은 그래핀을 포함한다. Method for manufacturing a sodium hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention, preparing a positive electrode coated with a positive electrode active material on one surface of the current collector; Preparing a negative electrode having a negative electrode active material coated on one surface of a current collector; And disposing the positive electrode and the negative electrode such that an electrolyte which mediates the insertion and desorption of ions between the positive electrode and the negative electrode is disposed, wherein the positive electrode active material includes a sodium compound and graphene, and the negative electrode active material is It includes a pin.
본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터는 나트륨 이온이 전극에 쉽게 삽입될 수 있도록 하여 높은 에너지밀도를 가능하게 할 수 있다. 또한, 상기 양극활물질의 그래핀이 나트륨 이온의 이동성을 좋게 하여 전기 전도성을 증가시킬 수 있다. 또한, 충방전 사이클 이후에도 안정성을 유지하며, 높은 전기전도성과 높은 에너지 밀도를 유지하도록 한다.The sodium hybrid capacitor according to the embodiment of the present invention may enable high energy density by allowing sodium ions to be easily inserted into the electrode. In addition, the graphene of the positive electrode active material may improve the mobility of sodium ions to increase the electrical conductivity. In addition, it maintains stability even after the charge and discharge cycle, and maintains high electrical conductivity and high energy density.
도 1은 나트륨 하이브리드 커패시터의 작동 메커니즘의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에서 제조된 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질의 XRD패턴을 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에서 제조된 상기 실시 예에서 제조된 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질의 Raman 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에서 제조된 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극화물질의 TEM 이미지를 측정한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에서 제조된 음극활물질로서 그래핀 나노시트층의 XRD 패턴을 측정한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에서 제조된 음극활물질로서 그래핀 나노시트층의 Raman 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 7는 본 발명의 실시 예에서 제조된 음극활물질로서 그래핀 나노시트층의 TEM 이미지를 측정한 결과이다
도 8은 본 발명의 실시 예에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명의 실시 예에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 수명 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 에너지와 파워밀도를 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 에너지와 파워밀도를 측정하여 나타낸 Ragone plot 그래프이다.
도 12은 본 발명의 실시 예에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 충방전 사이클 전 후를 비교한 Nyquist plot 그래프이다.
도 13는 본 발명의 실시 예에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 충방전 사이클 이후에 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질의 XRD 패턴을 측정한 결과이다. 1 is a schematic diagram of an operating mechanism of a sodium hybrid capacitor.
2 is a result of measuring the XRD pattern of the positive electrode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene prepared in an embodiment of the present invention.
3 is a result of measuring the Raman spectrum of the positive electrode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene prepared in the embodiment prepared in the embodiment of the present invention.
4 is a result of measuring the TEM image of the anodized material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene prepared in an embodiment of the present invention.
5 is a result of measuring the XRD pattern of the graphene nanosheet layer as a negative electrode active material prepared in an embodiment of the present invention.
6 is a result of measuring the Raman spectrum of the graphene nanosheet layer as a negative electrode active material prepared in an embodiment of the present invention.
7 is a result of measuring the TEM image of the graphene nanosheet layer as a negative electrode active material prepared in an embodiment of the present invention
8 is a graph showing the charge and discharge curve of the sodium hybrid capacitor prepared in the embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the life characteristics of the sodium hybrid capacitor manufactured in the embodiment of the present invention.
10 is a result of measuring the energy and power density of the sodium hybrid capacitor manufactured in the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a Ragone plot graph illustrating the energy and power densities of sodium hybrid capacitors prepared according to an exemplary embodiment of the present invention.
12 is a Nyquist plot graph comparing before and after the charge and discharge cycle of the sodium hybrid capacitor prepared in the embodiment of the present invention.
13 is a result of measuring the XRD pattern of the positive electrode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene after the charge and discharge cycle of the sodium hybrid capacitor prepared in the embodiment of the present invention.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시 예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Since these examples are only for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.
나트륨 salt 하이브리드hybrid 커패시터 Capacitor
도 1은 나트륨 하이브리드 커패시터의 작용 메커니즘의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터는, 양극활물질을 포함하는 양극; 음극활물질을 포함하는 음극; 및 상기 양극활물질 및 음극활물질 사이에서 이온의 삽입 및 탈리를 매개하는 전해질을 포함하고, 상기 양극활물질은 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함하고, 상기 음극활물질은 그래핀을 포함한다.1 is a schematic of the mechanism of action of a sodium hybrid capacitor. 1, a sodium hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention, a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte which mediates the insertion and desorption of ions between the cathode active material and the anode active material, wherein the cathode active material includes a sodium compound and graphene, and the anode active material includes graphene.
양극은 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 양극활물질을 포함할 수 있다. 상기 양극에 포함된 양극활물질은 나트륨 이온과 가역적인 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation)이 가능해야 하며, 나트륨 하이브리드 커패시터의 양극활물질로 사용 시 전기화학적 성능 및 안정성이 우수해야 한다. 본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터의 양극활물질은 그래핀을 포함함으로써 전기전도성을 개선할 수 있다. 보다 구체적으로 그래핀이 도포된 나트륨 화화물을 나트륨 이온의 삽입/탈리가 일어나는 인터칼레이션 전극에 적용함으로써 이온의 흡착 반응이 빠르게 일어나고 높은 밀도의 에너지를 전달할 수 있다.The positive electrode may include a current collector and a positive electrode active material disposed on the current collector. The positive electrode active material included in the positive electrode should be capable of reversible intercalation and deintercalation with sodium ions, and should have excellent electrochemical performance and stability when used as a positive electrode active material for sodium hybrid capacitors. . The cathode active material of the sodium hybrid capacitor according to the embodiment of the present invention may improve the electrical conductivity by including graphene. More specifically, by applying the graphene-coated sodium sulfide to an intercalation electrode where sodium ions are inserted / desorbed, adsorption reaction of ions occurs quickly and high energy can be delivered.
상기 양극활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함할 수 있다.The cathode active material may include a sodium compound and graphene represented by the following Chemical Formula 1.
[화학식1] NaxMy(PO4)z[Formula 1] NaxMy (PO 4 ) z
이 때, M은 전이금속일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 M은 V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta, 및 W에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소이고, 0<x≤4, 0<y≤3, 1≤z≤3일 수 있다.At this time, M may be a transition metal. More specifically, M is one or two or more metal elements selected from V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta, and W. , 0 <x ≦ 4, 0 <y ≦ 3, and 1 ≦ z ≦ 3.
본 발명의 실시 예에서, 상기 화학식 1로 표시되는 나트륨 화합물은 NaTi2(PO4)3일 수 있다. 능면체(rhombohedral) 결정구조를 가지고 있음을 보여준다. NaTi2(PO4)3의 TiO6는 팔면체 구조이고, PO4는 사면체의 구조이므로 그 내부에 나트륨 이온이 흩어질 수 있는 내부 공간을 제공한다. 이러한 구조는 나트륨 이온이 결정 내부에서 빠르게 움직일 수 있도록 하며, 높은 전도성을 가지도록 한다.In an embodiment of the present invention, the sodium compound represented by Formula 1 may be NaTi 2 (PO 4 ) 3 . It shows that it has a rhombohedral crystal structure. TiO 6 of NaTi 2 (PO 4 ) 3 is an octahedral structure, and PO 4 is a tetrahedral structure, thus providing an internal space in which sodium ions can be dispersed. This structure allows sodium ions to move quickly inside the crystal and to have high conductivity.
상기 그래핀은 나트륨 화합물과 함께 분산되어 배치될 수 있으며, 상기 화학식1로 표시되는 나트륨 화합물의 사이에 배치될 수 있다. The graphene may be dispersed and disposed together with the sodium compound, and may be disposed between the sodium compounds represented by Chemical Formula 1.
상기 그래핀은 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법 및 화학적 박리법에 의해 제조된 것일 수 있으며, 도트(dot) 및 (sheet) 형태일 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 양극활물질은 나트륨 화합물을 그래핀을 포함하는 용액에 침지하는 용액 공정을 통해 제조되거나, 나트륨 화합물 및 그래핀을 혼합 및 교반하여 제조된 것일 수 있다. The graphene may be prepared by mechanical peeling, chemical vapor deposition, epitaxial synthesis and chemical peeling, and may be in the form of dots and sheets. In an embodiment of the present invention, the positive electrode active material may be prepared by a solution process of immersing a sodium compound in a solution containing graphene, or may be prepared by mixing and stirring the sodium compound and graphene.
양극활물질이 그래핀을 포함하게 되면 그래핀이 각각의 NaTi2(PO4)3 파티클 사이를 연결하게 되고, 이는 NASICON 결정구조를 가지도록 한다. 이로 인해, 매우 높은 이온 전도성을 가지게 되고 하이브리드 커패시터의 성능을 향상시킬 수 있다. When the cathode active material contains graphene, the graphene is connected between each NaTi 2 (PO 4 ) 3 particle, which has a NASICON crystal structure. This results in very high ion conductivity and improves the performance of the hybrid capacitor.
상기 양극은 나트륨 화합물과 그래핀을 포함하는 양극활물질, 첨가제인 케첸블랙(Ketjen black) 및 바인더(Teflonized acetylene black) 를 80:10:10의 무게 비율로 혼합한 후, 스테인리스 스틸 메시(stainless steel mesh) (area 200 mm) 에 도포하고, 160 ℃에서 4시간 동안 진공에서 건조시킴으로써 제조하였다.The positive electrode is a positive electrode active material containing sodium compound and graphene, and additives Ketjen black and binder (Teflonized acetylene black) in a weight ratio of 80:10:10, and then a stainless steel mesh (
상기 바인더는 활물질 상호간에 우수한 결합을 유도하고, 활물질이 전류 집전체에 잘 부착될 수 있도록 하는 역할을 한다. 상기 바인더는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 본 발명이 여기에 한정하는 것은 아니다. The binder induces excellent bonding between the active materials and serves to allow the active materials to adhere well to the current collector. The binder is polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide polymer, polyvinylpyrrolidone, Polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon and the like can be used, but the present invention is limited thereto. It is not.
상기 스테인레스 스틸은 집전체로서 이용되며 알루미늄도 사용할 수 있으나. 본 발명이 여기에 한정하는 것은 아니다. The stainless steel is used as a current collector and aluminum may also be used. The present invention is not limited thereto.
상기 음극활물질은 그래핀을 포함한다. The negative electrode active material includes graphene.
상기 그래핀은 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법 및 화학적 박리법에 의해 제조된 것일 수 있으며, 상기 그래핀은 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법 및 화학적 박리법에 의해 제조된 것일 수 있다. 상기 그래핀은 도트(dot) 및 (sheet) 형태일 수 있으며, 보다 바람직하게는 그래핀 나노시트일 수 있고, 상기 나노시트가 모여서 형성된 나노시트층 형상으로 형성된 것일 수 있다.The graphene may be prepared by mechanical peeling, chemical vapor deposition, epitaxial synthesis and chemical peeling, the graphene may be prepared by mechanical peeling, chemical vapor deposition, epitaxial synthesis and chemical peeling have. The graphene may be in the form of dots and sheets, more preferably graphene nanosheets, and may be formed in the shape of a nanosheet layer formed by gathering the nanosheets.
상기 그래핀은 집전체의 일면에 배치될 수 있으며, 상기 집전체의 일면에 수직한 방향으로 배향하여 배치될 수 있다. 이러한 배치를 통해 전해질 내에 포함된 이온의 이동 경로를 확보함으로써 충방전 효율을 향상시킬 수 있다. The graphene may be disposed on one surface of the current collector, and may be disposed to be oriented in a direction perpendicular to one surface of the current collector. Through this arrangement, the charge and discharge efficiency may be improved by securing a movement path of the ions included in the electrolyte.
상기 그래핀을 집전체 상에 수직 방향으로 배향하는 방법은, 음극활물질을 일정한 자기장 내에서 제조함으로써 그래핀이 자기장의 자기 방향에 따라 일 방향, 구체적으로는 집전체의 일면에 수직한 방향으로 배향하도록 함으로써 제조된 것일 수 있다(자기 배향법). 다만, 본 발명에서 상기 그래핀의 제조방법이 특별히 한정되는 것은 아니다. The method of aligning the graphene in a vertical direction on the current collector, by preparing a negative active material in a constant magnetic field, the graphene is oriented in one direction, in particular in the direction perpendicular to one surface of the current collector according to the magnetic direction of the magnetic field It may be prepared by making it (self-orientation method). However, the manufacturing method of the graphene in the present invention is not particularly limited.
음극은 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 상기 음극활물질을 포함할 수 있다. The negative electrode may include a current collector and the negative electrode active material disposed on the current collector.
이 때, 바인더가 이용될 수 있는데 이는 활물질 상호간에 우수한 결합을 유도하고, 활물질이 전류 집전체에 잘 부착될 수 있도록 하는 역할을 한다. 상기 바인더는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 본 발명이 여기에 한정하는 것은 아니다. At this time, a binder may be used, which induces excellent bonding between the active materials and serves to allow the active materials to adhere well to the current collector. The binder is polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide polymer, polyvinylpyrrolidone, Polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon and the like can be used, but the present invention is limited thereto. It is not.
상기 스테인레스 스틸은 집전체로서 이용되며 알루미늄도 사용할 수 있으나. 본 발명이 여기에 한정하는 것은 아니다. The stainless steel is used as a current collector and aluminum may also be used. The present invention is not limited thereto.
다음으로 전해질이 준비된다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 나트륨염을 함유할 수 있는데, 당해 기술분야에서 나트륨염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 상기 전해질은 고체일 수도 있는데, 이 경우 당해 기술분야에서 고체전해질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 사용 가능하다. 상기 고체 전해질은 스퍼터링 등의 방법으로 상기 음극상에 형성될 수 있다. 상기 전해질에는 비카보네이트계 유기용매를 더 포함할 수 있다. 상기 비카보네이트계 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등이다. Next, the electrolyte is prepared. According to an embodiment of the present invention, it may contain sodium salt, any of those that can be used as sodium salt in the art can be used. The electrolyte may be a solid, in which case any one can be used as long as it can be used as a solid electrolyte in the art. The solid electrolyte may be formed on the negative electrode by sputtering or the like. The electrolyte may further include a non-carbonate organic solvent. The bicarbonate organic solvent may be used as long as it can be used as an organic solvent in the art. For example, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, N, N- Dimethylacetamide, N, N-dimethylsulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether or a mixture thereof.
본 발명의 실시 예에 따르면 전해질로서 1 M의 NaClO4 (in ethylene carbonate(EC)/dimethyl carbonate(DMC) (1:1, v/v))이 사용될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, 1 M NaClO 4 (in ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) (1: 1, v / v)) may be used as an electrolyte.
분리막은 음극과 양극을 분리하고 나트륨 이온의 이동 통로를 제공하는 것이다. 상기 분리막은 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 상기 분리막은 유리 섬유, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것을 포함하는 부직포 또는 직포 형태일 수 있다. 또한, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다. 상기 분리막은 음극 및 양극 사이에서 이온 전달이 가능하여 산화 및 환원 반응이 발생할 수 있도록 한다. The separator is to separate the cathode and the anode and to provide a passage for sodium ions. The separator may be used that is low resistance to the ion migration of the electrolyte and excellent in the ability to hydrate the electrolyte. The separator may be in the form of a nonwoven or woven fabric comprising one selected from glass fiber, polyester, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof. In addition, a coated separator including a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be optionally used as a single layer or a multilayer structure. The separator is capable of ion transfer between the cathode and the anode to allow oxidation and reduction reactions to occur.
나트륨 salt 하이브리드hybrid 커패시터의 제조방법 Manufacturing method of capacitor
본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터의 제조 방법은, 집전체의 일면에 양극활물질을 도포된 양극을 준비하는 단계; 집전체의 일면에 음극활물질을 도포된 음극을 준비하는 단계; 및 상기 양극 및 음극 사이에서 이온의 삽입 및 탈리를 매개하는 전해질이 배치되도록 상기 양극 및 음극을 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 양극활물질은 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함하고, 상기 음극활물질은 그래핀을 포함한다. Method for manufacturing a sodium hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention, preparing a positive electrode coated with a positive electrode active material on one surface of the current collector; Preparing a negative electrode having a negative electrode active material coated on one surface of a current collector; And disposing the positive electrode and the negative electrode such that an electrolyte which mediates the insertion and desorption of ions between the positive electrode and the negative electrode is disposed, wherein the positive electrode active material includes a sodium compound and graphene, and the negative electrode active material is It includes a pin.
상기 양극활물질에 포함되는 나트륨 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 물질을 할 수 있고, 바람직하게는 상기 나트륨 화합물은 NaTi2(PO4)3 을 포함할 수 있다.The sodium compound included in the cathode active material may be a material represented by the following Chemical Formula 1, and preferably, the sodium compound may include NaTi 2 (PO 4 ) 3 .
[화학식1] NaxMy(PO4)z [Formula 1] Na x M y (PO 4 ) z
(전이금속 M은 V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta 및 W에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소이고, 0<x≤4, 0<y≤3, 1≤z≤3). (Transition metal M is one or two or more metal elements selected from V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta and W, 0 <x ≦ 4, 0 <y ≦ 3, 1 ≦ z ≦ 3).
그 밖에 상기 양극, 양극활물질, 음극, 음극활물질 및 전해질에 대한 사항은 앞서 기재한 내용과 같다. In addition, the details of the positive electrode, the positive electrode active material, the negative electrode, the negative electrode active material and the electrolyte are as described above.
실시 예Example
<실시 예 1> <Example 1> NaTiNaTi 22 (PO(PO 44 )) 33 와Wow 그래핀을Graphene 포함하는 Containing 양극활물질의Of positive electrode active material 제조 Produce
허머스 방법(modified Hummer Method)에 의해 그래핀 산화물 용액을 천연 흑연 박편에서 제조하였다. 그래핀으로 둘러싸인 NaTi2(PO4)3 의 제조에 이 수용성의 그래핀 산화물 분산 용액이 사용되었다. NaTi2(PO4)3 의 제조방법은 다음과 같다. 그래핀 산화물을 증류수와 에탄올의 혼합물에 1시간동안 초음파 처리하여 분산시켰다. 다음으로 적절한 화학양론비의 Ti(C4H9O)를 첨가하여 일정하게 교반하면서 티타닐 수산화물(titanyl hydroxide)를 형성시킨 후, 질산 용액을 첨가하여 티타닐 수산화물을 티타닐 질산염(titanyl nitrate, Ti(NO3)2) 으로 변환시켰다. 그 다음 적절한 화학양론비의 Na2CO3 및 NH4H2PO4를 상기 용액에 첨가하고 균일한 혼합을 위해 초음파 처리를 한 후, 용매를 증발시키고 혼합물을 건조시켜 겔화된 전구체를 얻었다. 마지막으로 이 전구체를 잘 분쇄하여 350 °C 에서 3 시간동안 열처리 한 후, 700 °C에서 10 시간동안 아르곤 분위기에서 최종 소성을 진행하였다.Graphene oxide solution was prepared from natural graphite flakes by the modified Hummer Method. This water-soluble graphene oxide dispersion solution was used for the production of NaTi 2 (PO 4 ) 3 surrounded by graphene. NaTi 2 (PO 4 ) 3 The manufacturing method is as follows. Graphene oxide was dispersed by sonication in a mixture of distilled water and ethanol for 1 hour. Next, titanyl hydroxide is formed by adding Ti (C 4 H 9 O) of appropriate stoichiometric ratio with constant stirring, and then adding nitric acid solution to convert titanyl hydroxide to titanyl nitrate (titanyl nitrate). Ti (NO 3 ) 2 ). Appropriate stoichiometric ratios of Na 2 CO 3 and NH 4 H 2 PO 4 were then added to the solution and sonicated for uniform mixing, then the solvent was evaporated and the mixture dried to give a gelled precursor. Finally, the precursor was pulverized well and heat treated at 350 ° C. for 3 hours, and then finally calcined at 700 ° C. for 10 hours in argon atmosphere.
<실험 예 1> Experimental Example 1 XRDXRD 측정 Measure
상기 실시 예 1에서 제조된 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질의 XRD패턴을 분석하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. The XRD pattern of the cathode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene prepared in Example 1 was analyzed and the results are shown in FIG. 2.
이는 ICSD:01-084-2009의 결과와 일치하고, 능면체(rhombohedral) 결정구조를 가지고 있음을 보여준다. NaTi2(PO4)3의 TiO6는 팔면체 구조이고, PO4는 사면체의 구조이므로 그 내부에 나트륨 이온이 흩어질 수 있는 내부 공간을 제공한다. 이러한 구조는 나트륨 이온이 결정 내부에서 빠르게 움직일 수 있도록 하며, 높은 전도성을 가지도록 한다. XRD는 그래핀을 탐지할 수 없어 그래핀에 대응하는 봉우리는 관찰되지 않는다. This is consistent with the results of ICSD: 01-084-2009 and shows that it has a rhombohedral crystal structure. TiO 6 of NaTi 2 (PO 4 ) 3 is an octahedral structure, and PO 4 is a tetrahedral structure, thus providing an internal space in which sodium ions can be dispersed. This structure allows sodium ions to move quickly inside the crystal and to have high conductivity. XRD cannot detect graphene, so no peaks corresponding to graphene are observed.
<실험 예 2> Raman 스펙트럼의 측정Experimental Example 2 Measurement of Raman Spectrum
상기 실시 예 1에서 제조된 양극활물질로서 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질의 라만(Raman) 스펙트럼을 측정한 결과를 도 3에 나타내었다. The Raman spectrum of the cathode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene as the cathode active material prepared in Example 1 is shown in FIG. 3.
이는 1350 cm-1 (D-disordered carbon) and 1581 cm-1 (G-graphitic carbon) 영역에서 강한 봉우리가 관찰되므로, 상기 양극활물질이 존재함을 확인할 수 있다. This is because strong peaks are observed in the 1350 cm -1 (D-disordered carbon) and 1581 cm -1 (G-graphitic carbon) region, it can be seen that the positive electrode active material is present.
상기 D band와 G band 의 비율(ID/IG)은 1.05로 이는 환원된 그래핀 산화물의 전형적인 값이다. The ratio of the D band to the G band (I D / I G ) is 1.05, which is typical of the reduced graphene oxide.
<실험 예 3> Experimental Example 3 TEMTEM 이미지 측정 Image measurement
상기 실시 예 1에서 제조된 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질의 TEM 이미지를 측정하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. The TEM image of the cathode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene prepared in Example 1 was measured and the results are shown in FIG. 4.
도 4에서 음영이 짙은 부분이 NaTi2(PO4)3 파티클이며, 상대적으로 옅은 음영을 가진 부분이 그래핀이다. 도 4에서 그래핀이 각각의 NaTi2(PO4)3 파티클 사이를 연결하고 있음을 알 수 있다. 상기 도 4에서 오른쪽 상단부에 배치된 사진은 그래핀의 HR-TEM(high-resolution TEM)이다. 상기 HR-TEM에서 격자 줄무늬가 관찰되며 상기 격자 줄무늬의 면 사이의 간격은 0.37nm이다. 이를 통해 그래핀은 NASICON 결정구조를 가짐을 알 수 있고, 매우 높은 이온 전도성을 가지는 것을 알 수 있다. 이와 같이 그래핀이 도포된 NaTi2(PO4)3는 하이브리드 커패시터의 성능을 향상시킬 수 있다. In FIG. 4, the darker shade is NaTi 2 (PO 4 ) 3 particles, and the lighter shade is graphene. In Figure 4 it can be seen that the graphene is connected between each NaTi 2 (PO 4 ) 3 particles. 4 is a graph showing HR-TEM (HR-TEM) of graphene. Lattice stripes are observed in the HR-TEM and the spacing between the faces of the lattice stripes is 0.37 nm. It can be seen that the graphene has a NASICON crystal structure, and has a very high ion conductivity. As such, NaTi 2 (PO 4 ) 3 coated with graphene may improve performance of the hybrid capacitor.
<실시 예 2> <Example 2> 음극활물질로서As a cathode active material 그래핀Graphene 나노시트층의Nanosheet layer 제조 Produce
허머스 방법(modified Hummer Method)에 의해 그래핀 산화물 용액을 천연 흑연 박편에서 제조한 후, 건조시켜 그래핀 산화물을 얻는다. 이를 Ar/H2 (90 %/10 %) 분위기 하에서 700 °C에서 2 시간동안 열처리를 하였다. The graphene oxide solution is prepared from natural graphite flakes by the modified Hummer Method and then dried to obtain graphene oxide. This was heat-treated at 700 ° C. for 2 hours under Ar / H 2 (90% / 10%) atmosphere.
<실험 예 4> Experimental Example 4 XRDXRD 측정 Measure
상기 실시 예 2에서 제조된 음극활물질로서 그래핀 나노시트층의 XRD 패턴을 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. As an anode active material prepared in Example 2, the XRD pattern of the graphene nanosheet layer was measured and the results are shown in FIG. 5.
도 5에서 24° 부근에서 넓은 봉우리가 관찰되며, 이를 통해 상기 그래핀 나노시트층의 그래핀은 흑연화가 낮은 비정질 탄소를 포함함을 알 수 있다.In FIG. 5, a wide peak is observed around 24 °, and it can be seen that the graphene of the graphene nanosheet layer includes amorphous carbon having low graphitization.
<실험 예 5> Raman 스펙트럼의 측정Experimental Example 5 Measurement of Raman Spectrum
상기 실시 예 2에서 제조된 음극활물질로서 그래핀 나노시트층의 라만(Raman) 스펙트럼을 측정하고 그 결과를 도 6에 나타내었다.Raman spectrum of the graphene nanosheet layer as a negative electrode active material prepared in Example 2 was measured and the results are shown in FIG. 6.
이는 1370 cm-1 (D-disordered GNS) 및 1600 cm-1 (G-graphitic carbon) 영역에서 강한 봉우리가 관찰된다. This results in strong peaks in the 1370 cm -1 (D-disordered GNS) and 1600 cm -1 (G-graphitic carbon) regions.
<실험 예 6> Experimental Example 6 TEMTEM 이미지 측정 Image measurement
상기 실시 예 2에서 제조된 음극활물질로서 그래핀 나노시트층의 TEM 이미지를 측정하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7의 (a)를 참조하면 그래핀 표면에 산소결함이 있어 접혀진 구조를 하고 있음을 알 수 있다. (b)는 한 층의 그래핀 나노시트의 접혀진 부분을 고해상도 TEM 이미지를 측정한 결과이다. As a negative electrode active material prepared in Example 2, the TEM image of the graphene nanosheet layer was measured and the results are shown in FIG. 7. Referring to Figure 7 (a) it can be seen that there is an oxygen defect on the graphene surface has a folded structure. (b) is a result of measuring a high-resolution TEM image of the folded portion of the graphene nanosheets of one layer.
도 7을 참조하면, 상기 그래핀 나노시트층에 포함된 그래핀은 일반적으로 그래핀을 열처리한 경우 나타나는 접혀지고 구겨진 모습을 포함하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 그래핀 나노시트층에 의하여 높은 전류에서 양호한 성능을 낼 수 있도록 전기전도도를 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that graphene included in the graphene nanosheet layer generally includes a folded and wrinkled shape that appears when the graphene is heat treated. By the graphene nanosheet layer as described above it is possible to improve the electrical conductivity to achieve a good performance at high current.
<실시 예3> 나트륨 Example 3 Sodium 하이브리드hybrid 커패시터 제조 Capacitor manufacturers
양극은 상기 실시 예 1에서 제조된 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질, 첨가제인 케첸블랙(Ketjen black) 및 바인더(Teflonized acetylene black) 를 80:10:10의 무게 비율로 혼합한 후, 스테인리스 스틸 메시(stainless steel mesh) (area 200 mm) 에 도포하고, 160 ℃에서 4시간 동안 진공에서 건조시킴으로써 제조하였다.The positive electrode is a positive electrode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene prepared in Example 1, the additive Ketjen black and binder (Teflonized acetylene black) in a weight ratio of 80:10:10. After mixing, it was prepared by applying to a stainless steel mesh (
음극으로는 상기 실시 예 2에서 제조된 그래핀 나노시트층을 사용하였다. As the negative electrode, the graphene nanosheet layer prepared in Example 2 was used.
상기 양극 및 음극을 이용하여 아르곤으로 채워진 글로브 박스에서 코인셀 CR2032을 조립하였다. Coin cell CR2032 was assembled in a glove box filled with argon using the positive and negative electrodes.
이 때, 상기 양극 및 음극은 다공성의 폴리프로필렌 분리막으로 분리되고, 전해질로서 1 M의 NaClO4 (in ethylene carbonate(EC)/dimethyl carbonate(DMC) (1:1, v/v))을 사용하였다. At this time, the positive electrode and the negative electrode are separated by a porous polypropylene separator, 1 M NaClO 4 as an electrolyte (in ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) (1: 1, v / v)) was used.
<실험 예7> Experimental Example 7 충방전Charging and discharging 곡선 curve
상기 실시 예 3에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 충방전 곡선을 도 8에 나타내었다. The charge and discharge curves of the sodium hybrid capacitors prepared in Example 3 are shown in FIG. 8.
Ti4 +/Ti3 + 산화환원반응에서 셀 단위당 두 가역적인 나트륨 이온은 매우 높은 에너지 밀도를 나타낼 수 있다. 도 8을 참조하면 그래프의 모양이 선형 또는 삼각형이 아님을 알 수 있다. 이는 하이브리드 커패시터의 이중 전하 저장 메커니즘을 의미한다. 상기 그래프의 곡선은 Ti 산화환원반응에 의한 나트륨 이온의 삽입/탈리에 의한 플래토(plateau)와 그래핀 나노시트층에 음이온이 흡착/탈착됨에 의한 플래토(plateau)가 합쳐진 것이다. 더 높은 전류에도 상기 곡선은 고유한 모양을 유지하는데, 이는 그래핀 나노시트층에서의 흡착/탈착에 따라 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질 내부에서 나트륨 이온이 삽입/탈리되는 것이 용이하다는 것을 의미한다. 이는 종래의 하이브리드 커패시터보다 열역학적으로 보다 나은 성능을 가짐을 보여준다. In the Ti 4 + / Ti 3 + redox reaction, two reversible sodium ions per cell unit can exhibit very high energy density. Referring to Figure 8 it can be seen that the shape of the graph is not linear or triangular. This means the dual charge storage mechanism of the hybrid capacitor. The curve of the graph is a plateau (plateau) by the insertion / desorption of sodium ions by Ti redox reaction and the plateau (plateau) by the adsorption / desorption of anion to the graphene nanosheet layer. Further to its high current the curve maintains its own shape, which graphene nanosheet in accordance with the adsorption / desorption of the layer NaTi 2 (PO 4) 3 and Yes sodium ion intercalation / deintercalation in the interior the positive electrode active material comprising a pin It is meant to be easy. This shows that they have better thermodynamic performance than conventional hybrid capacitors.
<실험 예8> 수명 특성 측정Experimental Example 8 Measurement of Life Characteristics
상기 실시 예 3에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 수명 특성을 나타낸 그래프를 도 9에 나타내었다. A graph showing the lifespan characteristics of the sodium hybrid capacitor manufactured in Example 3 is shown in FIG. 9.
4 A g-1의 높은 전류 밀도에서 수명 특성이 평가되는데(도면 9(b)), 본 발명에 의한 나트륨 하이브리드 커패시터는 75,000번 이상의 충방전 사이클에도 불구하고 초기 쿨롱 효율(coulombic efficiency)에서 약 10% 정도만 감소하는 것을 알 수 있다(도면 9(a)). The lifetime characteristics are evaluated at high current densities of 4 A g −1 (Fig. 9 (b)), and the sodium hybrid capacitor according to the present invention is about 10 at initial coulombic efficiency despite more than 75,000 charge and discharge cycles. It can be seen that only about% decreases (Fig. 9 (a)).
종래의 하이브리드 커패시터는 1,000번의 사이클에도 현저한 감소를 나타내는 것으로 보고되고 있는데, 본 발명에 의한 나트륨 하이브리드 커패시터는 1000 사이클 당 약 0.13%의 감소만 낸다. 이러한 결과는 0 내지 3 V의 넓은 범위의 전압에서도 마찬가지이다.Conventional hybrid capacitors have been reported to show a significant reduction even in 1,000 cycles, but the sodium hybrid capacitor according to the present invention produces only about 0.13% reduction per 1000 cycles. The same is true for a wide range of voltages from 0 to 3 V.
<실험 예9> Experimental Example 9 RagoneRagone plot 그래프 plot graph
상기 실시 예 3에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 에너지와 파워 밀도를 측정하여 나타낸 라곤 도표(Ragone plot) 그래프를 도 10 및 도11에 나타내었다. 10 and 11 show graphs of a Ragon plot of energy and power densities of the sodium hybrid capacitors prepared in Example 3. FIG.
라곤 도표(Ragone plot)은 본 발명에 의한 나트륨 하이브리드 커패시터가 흡착이 일어나는 전극에서 AC와 CNTs 를 이용하여 높은 파워에서 에너지 손실이 큰 기존의 하이브리드 커패시터보다 훨씬 높은 에너지를 가진다는 것을 보여준다. The Ragone plot shows that the sodium hybrid capacitor according to the present invention has much higher energy than conventional hybrid capacitors with high energy loss at high power using AC and CNTs at the electrode where adsorption takes place.
본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터는 75,000 충방전 사이클 이후에도 약 34 Whkg- 1 의 에너지를 전달할 수 있다. 이는 1,000 사이클 당 초기 에너지 밀도보다 약 0.13% 의 손실이 있다는 것을 의미하는 것이다. 높은 파워에서 에너지를 보존하는 이러한 성능은 좋은 내구성을 갖게 하므로, 본 발명의 실시 예를 따르는 나튜륨 하이브리드 커패시터는 안정하고 내구성이 강하고, 대형 전기 자동차 등에도 쉽게 응용할 수 있다. Sodium hybrid capacitor according to the embodiment of the invention is about 34 Whkg after 75,000 charge-discharge cycles can transmit the first energy. This means that there is about 0.13% loss over the initial energy density per 1,000 cycles. Since this performance of conserving energy at high power has good durability, the naturium hybrid capacitor according to the embodiment of the present invention is stable and durable, and can be easily applied to a large electric vehicle.
<실험 예10> Experimental Example 10 NyquistNyquist plot 그래프 plot graph
상기 실시 예 3에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 충방전 사이클 전 후를 비교한 나이퀴스트 선도(Nyquist plot) 그래프를 도 12에 나타내었다. A Nyquist plot graph comparing before and after a charge / discharge cycle of the sodium hybrid capacitor prepared in Example 3 is shown in FIG. 12.
높은 진동수에서 나타나는 반원형 곡선은 전극과 전해질 계면에서 전하의 이동이 있음을 보여주고, 낮은 진동수에서 나타나는 사면형의 곡선은 나트륨의 삽입과 탈리가 있음을 보여준다. The semicircular curves at high frequencies show the transfer of charges at the electrode and electrolyte interfaces, while the slope curves at low frequencies show the insertion and desorption of sodium.
또한 상기 그래프는 사이클 후에 용액 저항(solution resistance)에 의한 경미한 변화만이 있음을 보여준다. 이를 통해 본 발명의 실시를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터에 포함되는 양극활물질은 충방전 사이클 이후에도 활성화되어 있기 때문에 나트륨이 삽입되기 용이함을 알 수 있다.The graph also shows that there is only a slight change by solution resistance after the cycle. Through this, it can be seen that the positive electrode active material included in the sodium hybrid capacitor according to the embodiment of the present invention is easily inserted because sodium is activated after the charge / discharge cycle.
<실험 예11> Experimental Example 11 XRDXRD 측정 Measure
상기 실시 예 3에서 제조된 나트륨 하이브리드 커패시터의 충방전 사이클 이후에 NaTi2(PO4)3와 그래핀을 포함하는 양극활물질의 XRD 패턴을 도 13에 나타내었다. The XRD pattern of the positive electrode active material including NaTi 2 (PO 4 ) 3 and graphene after the charge and discharge cycle of the sodium hybrid capacitor prepared in Example 3 is shown in FIG. 13.
도 13를 참조하면 사이클 이후에도 안정한 NASICON 구조의 패턴을 유지하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 13, it can be seen that the pattern of the stable NASICON structure is maintained even after the cycle.
본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터는 나트륨 이온이 전극에 쉽게 삽입될 수 있도록 하여 높은 에너지밀도를 가능하게 할 수 있다. 또한, 상기 양극활물질의 그래핀이 나트륨 이온의 이동성을 좋게 하여 전기 전도성을 증가시킬 수 있다. 또한, 충방전 사이클 이후에도 안정성을 유지하며, 높은 전기전도성과 높은 에너지 밀도를 유지하도록 한다.The sodium hybrid capacitor according to the embodiment of the present invention may enable high energy density by allowing sodium ions to be easily inserted into the electrode. In addition, the graphene of the positive electrode active material may improve the mobility of sodium ions to increase the electrical conductivity. In addition, it maintains stability even after the charge and discharge cycle, and maintains high electrical conductivity and high energy density.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 나트륨 하이브리드 커패시터는 나트륨 화합물만을 사용하거나 음극활물질로서 그래핀을 사용한 경우에 비하여 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the sodium hybrid capacitor according to the embodiment of the present invention has superior performance as compared to the case of using only sodium compound or graphene as a negative electrode active material.
Claims (10)
음극활물질을 포함하는 음극; 및
상기 양극활물질 및 음극활물질 사이에서 이온의 삽입 및 탈리를 매개하는 전해질을 포함하고,
상기 양극활물질은 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함하고,
상기 음극활물질은 그래핀을 포함하고,
상기 음극활물질에 포함된 그래핀은 그래핀 나노시트층이고,
상기 음극은 상기 음극활물질이 일면에 배치된 음극 집전체를 포함하고,
상기 음극활물질은 상기 음극 집전체의 일면에 대하여 수직방향으로 배향된,
나트륨 하이브리드 커패시터.
A positive electrode including a positive electrode active material;
A negative electrode including a negative electrode active material; And
An electrolyte which mediates the insertion and desorption of ions between the positive electrode active material and the negative electrode active material,
The positive electrode active material includes a sodium compound and graphene,
The negative electrode active material includes graphene,
Graphene included in the negative electrode active material is a graphene nanosheet layer,
The negative electrode includes a negative electrode current collector disposed on one surface of the negative electrode active material,
The negative electrode active material is oriented perpendicular to one surface of the negative electrode current collector,
Sodium hybrid capacitors.
상기 나트륨 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 물질을 포함하는
나트륨 하이브리드 커패시터:
[화학식1] NaxMy(PO4)z
(전이금속 M은 V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta 및 W에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소이고, 0<x≤4, 0<y≤3, 1≤z≤3).
The method of claim 1,
The sodium compound includes a substance represented by the following formula (1)
Sodium hybrid capacitor:
[Formula 1] Na x M y (PO 4 ) z
(Transition metal M is one or two or more metal elements selected from V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta and W, 0 <x ≦ 4, 0 <y ≦ 3, 1 ≦ z ≦ 3).
상기 나트륨 화합물은 NaTi2(PO4)3 을 포함하는 것을 특징으로 하는
나트륨 하이브리드 커패시터.
The method of claim 1,
The sodium compound is characterized in that it comprises NaTi 2 (PO 4 ) 3
Sodium hybrid capacitors.
집전체의 일면에 음극활물질이 도포된 음극을 준비하는 단계; 및
상기 양극 및 음극 사이에서 이온의 삽입 및 탈리를 매개하는 전해질이 배치되도록 상기 양극 및 음극을 배치하는 단계;를 포함하고,
상기 양극활물질은 나트륨 화합물 및 그래핀을 포함하고,
상기 음극활물질은 그래핀을 포함하고,
상기 음극활물질에 포함된 그래핀은 그래핀 나노시트층이고,
상기 음극은 상기 음극활물질이 일면에 배치된 음극 집전체를 포함하고,
상기 음극활물질은 상기 음극 집전체의 일면에 대하여 수직방향으로 배향된,
나트륨 하이브리드 커패시터의 제조 방법.
Preparing a cathode coated with a cathode active material on one surface of a current collector;
Preparing a negative electrode having a negative electrode active material coated on one surface of a current collector; And
Disposing the positive electrode and the negative electrode such that an electrolyte which mediates the insertion and desorption of ions is disposed between the positive electrode and the negative electrode;
The positive electrode active material includes a sodium compound and graphene,
The negative electrode active material includes graphene,
Graphene included in the negative electrode active material is a graphene nanosheet layer,
The negative electrode includes a negative electrode current collector disposed on one surface of the negative electrode active material,
The negative electrode active material is oriented perpendicular to one surface of the negative electrode current collector,
Method of making sodium hybrid capacitors.
상기 나트륨 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 물질을 포함하는
나트륨 하이브리드 커패시터의 제조 방법:
[화학식1] NaxMy(PO4)z
(전이금속 M은 V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta 및 W에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소이고, 0<x≤4, 0<y≤3, 1≤z≤3).
The method of claim 6,
The sodium compound includes a substance represented by the following formula (1)
Method of manufacturing sodium hybrid capacitors:
[Formula 1] Na x M y (PO 4 ) z
(Transition metal M is one or two or more metal elements selected from V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Bi, Ta and W, 0 <x ≦ 4, 0 <y ≦ 3, 1 ≦ z ≦ 3).
상기 나트륨 화합물은 NaTi2(PO4)3 을 포함하는 것을 특징으로 하는
나트륨 하이브리드 커패시터의 제조 방법.
The method of claim 6,
The sodium compound is characterized in that it comprises NaTi 2 (PO 4 ) 3
Method of making sodium hybrid capacitors.
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KR1020180031084A KR102066998B1 (en) | 2018-03-16 | 2018-03-16 | Sodium hybrid capacitor and preparation method thereof |
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X. Xiao, et al. 'Vertically aligned graphene electrode for lithium ion battery with high rate capability,' Electrochemistry communications 13 (2011) 209-212 (available online: 2010.12.20.) 1부.* |
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