KR102086423B1 - 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법이 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 나노 구조의 슈퍼커패시터는 전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 표면을 가지는 전류집전체 및 상기 전류집전체와 전기적으로 연결되는 전극활물질을 포함하는 전극을 포함한다. 상기 전극은 상기 전극활물질과 서로 접촉하는 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다. 상기 전극활물질은 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 마련될 수 있다. 상기 전극활물질은 다층구조를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 전극을 준비하는 전극준비과정을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전극준비과정은 전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 전류집전체를 준비하는 과정 및 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 전극활물질을 마련하는 과정을 포함한다. 상기 전극준비과정은 상기 전극활물질과 서로 접촉하는 전해질을 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다.
복수의 나노 구조물이 표면에 마련된 전류집전체를 활용한 본 명세서에서 제시하는 기술은 나노 구조물을 통한 전류집전체의 표면적의 실질적인 증가, 복수의 나노 구조물의 바이패스 역할을 통하여 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터에 관한 기술을 제공해 줄 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 전극을 준비하는 전극준비과정을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전극준비과정은 전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 전류집전체를 준비하는 과정 및 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 전극활물질을 마련하는 과정을 포함한다. 상기 전극준비과정은 상기 전극활물질과 서로 접촉하는 전해질을 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다.
복수의 나노 구조물이 표면에 마련된 전류집전체를 활용한 본 명세서에서 제시하는 기술은 나노 구조물을 통한 전류집전체의 표면적의 실질적인 증가, 복수의 나노 구조물의 바이패스 역할을 통하여 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터에 관한 기술을 제공해 줄 수 있다.
Description
본 명세서에서 개시하는 기술은 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 표면을 가지는 전류집전체와 전극활물질을 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 커패시터는 직류를 차단하는 용도 또는 전기를 저장하는 용도로 사용하는 부품으로 전자회로를 구성하는 중요한 소자 중에 하나이다. 커패시터는 서로 대향하는 2장의 전극판의 구조를 가진다.
슈퍼커패시터는 커패시터의 기능 중에서 전기를 저장하는 기능을 중점적으로 강화하여 전지의 목적으로 사용하는 부품이다. 즉, 슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로서 울트라 커패시터(Ultra Capacitor), 초고용량 커패시터, 전기화학적 커패시터 등으로 불리기도 한다.
슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지저장장치로 각광받고 있다.
특히 슈퍼커패시터는 소형 로봇, 착용가능한 전자장치, 이식 가능한 의료 장치 등의 소형 전자 장치에 적용할 수 있는 휴대가능하고 가벼운 전원으로서 적합하다. 이러한 소형화 용도의 사용을 위하여 슈퍼커패시터는 얇은 두께의 박막을 말아서 제작(roll up)하는 형태, 마이크로 패턴 기술을 통해 얇은 두께로 활성 물질을 증착한 형태 등으로 연구들이 진행되고 있다.
하지만 이러한 말아서 제작하는 방법, 마이크로 패턴 방법 등은 제작에 많은 시간이 소요되고 대형화에 제한이 있고 금속 소재가 갈라지는 등의 문제점이 있다. 슈퍼커패시터와 관련된 종래기술로는 대한민국공개특허 KR 10-2010-0086742 “슈퍼커패시터 및 그 제조방법” 등이 있다. 종래기술은 액상의 전해질이 아닌 고분자 전해질을 사용함으로써 전해질의 누액을 제거한 슈퍼커패시터에 관한 발명이다. 종래의 기술은 대형화에 제한이 있고, 여러 다양한 변형에 의하여 금속 소재가 갈라지는 문제가 있다.
본 명세서에서 개시하는 기술은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 복수의 나노 구조물이 마련된 표면을 가져 부피대비 비정전용량을 증대할 수 있어 대형화에 유리하고, 전류집전체가 가운데 위치하는 섬유형상으로 제작될 수 있어 여러 다양한 변형에 의하여 금속 소재가 갈라지는 문제점이 해결될 수 있는 슈퍼커패시터에 관한 기술을 제안한다.
일 실시 예에 있어서, 나노 구조의 슈퍼커패시터가 개시(disclosure)된다. 상기 나노 구조의 슈퍼커패시터는 전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 표면을 가지는 전류집전체 및 상기 전류집전체와 전기적으로 연결되는 전극활물질을 포함하는 전극을 포함한다.
상기 전극은 상기 전극활물질과 서로 접촉하는 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 전해질은 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다.
상기 전극활물질은 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 마련될 수 있다.
상기 전극활물질은 다층구조를 포함할 수 있다.
일례로, 나노 구조의 슈퍼커패시터는 상기 전극을 복수 개 포함할 수 있다. 복수개의 상기 전극 중 서로 대향하는 전극-이하 제1전극 및 제2전극이라 함- 은 서로 꼬인 형상을 가질 수 있다. 상기 제1전극의 전해질 및 상기 제2전극의 전해질은 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 서로 꼬이는 과정에서 서로 접촉할 수 있다. 다른 예로, 나노 구조의 슈퍼커패시터는 상기 전극을 복수 개 포함할 수 있다. 나노 구조의 슈퍼커패시터는 복수개의 상기 전극 중 서로 대향하는 전극-이하 제3전극 및 제4전극이라 함- 사이에 마련되는 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 상기 제3전극의 전극활물질 및 상기 제4전극의 전극활물질과 서로 접촉할 수 있다.
한편, 나노 구조의 슈퍼커패시터는 상기 전극활물질을 서로 연결하는 전도체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전극활물질은 다층구조를 포함하며, 상기 전도체는 다층구조의 상기 전극활물질을 서로 연결할 수 있다.
또 한편, 나노 구조의 슈퍼커패시터는 상기 전극활물질에 마련되는 유전체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전극활물질은 다층구조를 포함하며, 상기 전도체는 다층구조의 상기 전극활물질의 각 층에 포함되는 전극활물질을 층별로 서로 연결하며, 상기 유전체는 다층구조의 상기 전극활물질의 층과 층이 접하는 부분에 마련될 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법이 개시된다. 상기 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 전극을 준비하는 전극준비과정을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전극준비과정은 전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 전류집전체를 준비하는 과정 및 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 전극활물질을 마련하는 과정을 포함한다.
상기 전극준비과정은 상기 전극활물질과 서로 접촉하는 전해질을 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다.
한편, 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 상기 전극준비과정을 통하여 준비되는 전극을 서로 꼬아 섬유형태의 커패시터를 제작하는 커패시터 제작과정을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 상기 섬유형태의 커패시터에 전해질을 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다.
또 한편, 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 상기 전극준비과정을 통하여 준비된 복수개의 전극 중 서로 대향하는 전극 사이에 전해질을 마련하여 커패시터를 제작하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전해질은 상기 서로 대향하는 전극의 전극활물질과 서로 접촉할 수 있다.
또 한편, 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 상기 전극활물질을 서로 연결하는 전도체를 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 상기 전도체가 마련된 상기 전극활물질 상에 추가적인 전극활물질을 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법은 상기 전극활물질과 상기 추가적인 전극활물질이 서로 접하는 부분에 유전체를 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법은 전류집전체의 표면에 복수의 나노 구조물을 마련하고, 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 전극활물질을 수용함으로써 부피대비 정전용량(capacitance)을 높일 수 있다. 이를 통하여 상대적으로 적은 부피로도 대용량 슈퍼커패시터 구현이 가능한 효과를 제공해 줄 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법은 복수의 나노 구조물이 표면에 마련된 전류집전체를 활용함으로써 서로 적층된 전극활물질에서 발생된 전자가 인접한 전극활물질을 경유하지 아니하고 전류집전체로 직접 원활하게 이동할 수 있도록 할 수 있다. 이를 통하여, 전극의 내부 임피던스의 감소 효과 이외에, 전극활물질에서 마련되는 전기 이중층에 의한 커패시턴스가 인접한 전극활물질에서 마련되는 전기 이중층을 경유하여 전류집전체와 연결되는 것이 아니라 직접 전류집전체에 연결될 수 있어 커패시터의 직렬연결이 아닌 병렬연결의 효과를 제공해 줄 수 있어 커패시턴스가 획기적으로 증가되는 효과를 제공해 줄 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법은 전류집전체가 가운데 위치하는 섬유형상으로 제작될 수 있어 여러 다양한 변형에 의하여 금속 소재가 갈라지는 문제점이 해결될 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.
도 1은 전기 이중층 커패시터(Electrical Double Layer Capacitor, EDLC)의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 복수의 나노 구조물의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 전극의 구조 및 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 구조 및 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 나노 구조물의 모습을 보여주는 SEM 사진이다.
도 7은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 나노 구조물 사이에 전극활물질이 쌓이는 모습을 보여주는 SEM 사진이다.
도 8은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 일례를 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 다른 예를 설명하는 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 복수의 나노 구조물의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 전극의 구조 및 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 구조 및 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 나노 구조물의 모습을 보여주는 SEM 사진이다.
도 7은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 나노 구조물 사이에 전극활물질이 쌓이는 모습을 보여주는 SEM 사진이다.
도 8은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 일례를 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 다른 예를 설명하는 흐름도이다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.
일 구성요소가 다른 구성요소에 "마련"이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 마련되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.
일 구성요소가 다른 구성요소에 "연결"이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 연결되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.
일 구성요소가 다른 구성요소에 "형성"이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 형성되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터를 설명하기에 앞서 도 1 내지 도 3을 활용하여 본 명세서에서 개시하는 기술이 활용하는 원리를 간단히 설명하기로 한다.
도 1을 활용하여 전기 이중층 커패시터의 개념을 설명하기로 한다. 도 1은 전기 이중층 커패시터(Electrical Double Layer Capacitor, EDLC)의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
전기 이중층이란 대전된 물체를 전해질 속에 넣은 경우에 물체 표면에서 이온들의 분포를 설명하기 위한 이론이다. 1800년대 헬름홀츠가 처음으로 발견하고 이를 주장한 것으로 알려져 있다. 이론에 따르면 대전된 금속판이 전해질 용액 속에 있을 때 전해질의 대응되는 이온이 금속판의 전하를 중화(neutralize)시키기 위하여 금속판의 표면에 일렬로 배열되어 전해질 층과는 구별되는 전하층을 형성한다. 이를 전기 이중층(electric double layer)이라 칭한다. 전기 이중층 사이에는 자유전하가 없어 이 층이 커패시터의 역할을 하며, 이를 이용한 커패시터를 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor, EDLC)라고 부른다. 전기 이중층 커패시터는 분리막(separator)으로 분리된 두 전극판(전류집전체, 110)과 두 전극판(110) 사이를 채우는 전해질(140)로 구성된다. 분리막은 전해질(140) 또는 이온들의 이동을 가능하게 하며, 동시에 두 전극판(110)의 전기적 단락을 방지하는 기능을 수행한다. 전해질(140)은 양이온과 음이온이 극성 솔벤트(solvent)에 혼합형태로 녹아 있는 형태를 취한다. 극성 솔벤트로 인하여 양이온과 음이온은 용해된 상태로 솔벤트에 분포한다. 충전을 위해 양 전극판(110)에 전압을 걸면 전극판(110)은 대전되며, 전해질(140)에 용해된 이온들은 두 전극판(110)의 극성에 따라 두 전극판(110)의 표면에 배열되어 전기 이중층을 형성하게 된다. 전기 이중층 커패시터는 두 전극판(110) 사이의 대전을 이용하는 것이 아니라 전극판(110)과 전해질 층(140) 사이의 대전을 이용한다. 전극판(110)과 전해질 층(140) 사이의 거리는 옹스트롬(angstrom) 단위이며, 이를 통하여 전기 이중층 커패시터는 큰 정전용량(capacitance)을 제공해 줄 수 있다.
한편, 일반적으로 전기 이중층 커패시터는 정전용량을 증가시키기 위하여 도 1에 예로서 도시한 바와 같이, 전극으로 전류집전체(110)와 전류집전체(110)의 표면에 마련되는 전극활물질(130)을 포함하여 사용된다. 이 경우, 전기 이중층은 전류집전체(110)의 표면뿐만 아니라 전극활물질(130) 표면에도 형성된다. 전류집전체(110)의 표면과 전극활물질(130) 표면에 각각 형성되는 전기 이중층에 의한 정전용량은 서로 전기적으로 병렬 연결된 개념으로 해석될 수 있다. 즉, 전기 이중층 커패시터의 총 정전용량은 전류집전체(110)의 표면에 형성되는 전기 이중층에 의한 정전용량과 전극활물질(130) 표면에 형성되는 전기 이중층에 의한 정전용량의 합으로 해석될 수 있다. 따라서 표면적이 큰 전극활물질(130)을 전류집전체(110) 표면에 마련함으로써 더 큰 정전용량을 얻을 수 있다. 전극활물질(130)으로는 다공성 활성탄, 탄소나노튜브(CNT) 등의 탄소 재료들이 많이 사용된다. 이들 탄소 재료들은 단위 무게당 유효면적이 크고, 전기전도도가 좋아 전기 이중층 커패시터의 정전용량 증가를 위해 많이 사용된다.
도 1에 예로서 도시한 바와 같이, 전기 이중층 커패시터는 분리막(separator)으로부터 기인하는 저항체를 사이에 두고 서로 직렬 연결된 두 개의 전기 이중층 커패시터로 개념화 할 수 있다. 이하 설명의 편의상 저항체의 전기저항을 무시할만한 수준으로 가정하고, 각각의 전기 이중층 커패시터의 정전용량이 같은 값인 C_ELDC를 가진다고 가정하고 설명하기로 한다. 이 경우, 도 1의 구성을 가지는 전기 이중층 커패시터의 총 정전용량은 C_ELDC / 2의 값을 가진다.
이하 도 2 및 도 3을 활용하여 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)의 복수의 나노 구조물(120, 예로서 나노 니들(needle))의 역할을 설명하기로 한다. 도 2 및 도 3은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)의 복수의 나노 구조물(120)의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 2를 참조하여 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)의 복수의 나노 구조물(120)의 역할을 설명하기로 한다. 도 2의 (a)는 종래의 전기 이중층 커패시터의 개념도이다. 도 2의 (b)는 본 기술에서 제시하는 복수의 나노 구조물이 표면에 마련된 전류집전체를 이용한 전기 이중층 커패시터의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 도 2의 (a)에 예로서 도시한 바와 같이, 종래의 전기 이중층 커패시터는 전류집전체(110), 전극활물질(130), 전해질(140) 및 분리막(separator)을 포함할 수 있다. 종래의 전기 이중층 커패시터의 정전용량은 전류집전체(110)와 전해질(140) 사이에서 형성되는 전기 이중층과 전극활물질(130)과 전해질(140) 사이에서 형성되는 전기 이중층에 의하여 결정된다.
도 2의 (b)에 예로서 도시한 본 명세서에서 개시하는 복수의 나노 구조물(120)을 포함하는 전기 이중층 커패시터는 전도성의 복수의 나노 구조물(120)이 표면에 마련된 전류집전체(110), 전극활물질(130), 전해질(140) 및 분리막을 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물(120)이 표면에 마련된 전류집전체(110)를 이용한 전기 이중층 커패시터의 정전용량은 전류집전체(110)와 전해질(140) 사이에서 형성되는 전기 이중층과 전극활물질(130)과 전해질(140) 사이에서 형성되는 전기 이중층뿐만 아니라 복수의 나노 구조물(120)과 전해질(140) 사이에서 형성되는 전기 이중층에 의하여 결정된다.
복수의 나노 구조물(120)을 제외하고 도 2의 (a)의 전기 이중층 커패시터와 (b)의 전기 이중층 커패시터가 동일한 조건이라고 가정하자. 이 경우, 복수의 나노 구조물(120)은 전류집전체(110)의 표면적의 실질적인 증가의 효과를 제공한다. 따라서 복수의 나노 구조물(120)이 표면에 마련된 전류집전체(110)를 활용한 본 명세서에서 제시하는 기술은 전류집전체(110)의 표면적의 실질적인 증가라는 효과를 통하여 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터(10)에 관한 기술을 제공해 줄 수 있다.
한편, 본 명세서에서 제시하는 기술은 복수의 나노 구조물(120) 사이의 공간에 전극활물질(130)을 마련할 수 있어 부피의 실질적인 증가 없이 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터(10)를 구현할 수 있는 기술을 제공해 줄 수 있다.
다음으로, 먼저 도 3을 참조하여 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)의 복수의 나노 구조물(120)의 역할을 설명하기로 한다. 도 3의 (a)는 종래 방식의 전기 이중층 커패시터가 제공하는 정전용량을 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (b)는 본 기술에서 제시하는 복수의 나노 구조물(120)이 표면에 마련된 전류집전체(110)를 이용한 전기 이중층 커패시터가 제공하는 정전용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 도면에 예로서 도시한 바와 같이, 전류집전체(110) 상에 마련되는 전극활물질(130)은 전극활물질이 여러 층으로 적층되거나 전극활물질의 단위 구조가 상호 연결되는 구조를 가질 수 있다. 전극활물질이 적층되거나 전극활물질의 단위 구조가 상호 연결되는 과정에서 전기적인 접점이 형성될 수 있다.
도 3의 (a) 및 (b)의 발췌 도면에는 전기적인 접점을 통하여 상호 연결된 후 한 쌍의 전류집전체(110)와 각각 전기적으로 연결되는 4개의 전극활물질이 예로서 표현되어 있다. 4개의 전극활물질 중 2개는 전기적인 접점을 통하여 상호 연결된 후 어느 한 전류집전체(110)와 전기적으로 연결되며, 4개의 전극활물질 중 나머지 2개는 전기적인 접점을 통하여 상호 연결된 후 나머지 어느 한 전류집전체(110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전류집전체(110), 복수의 나노 구조물(120) 및 전류집전체(130)은 전해질(140)과 서로 접촉한다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 분리막을 기준으로 좌측에 놓인 전극활물질 중 분리막으로부터 먼 쪽에 놓인 전극활물질의 전기 이중층 정전용량을 C1, 가까운 쪽에 놓인 전극활물질의 전기 이중층 정전용량을 C2라고 하자. 또한, 분리막을 기준으로 우측에 놓인 전극활물질 중 분리막으로부터 가까운 쪽에 놓인 전극활물질의 전기 이중층 정전용량을 C3, 먼 쪽에 놓인 전극활물질의 전기 이중층 정전용량을 C4라고 하자.
이 경우, C1과 C2는 전기적인 접점을 통하여 상호 직렬 연결되며, C3와 C4도 전기적인 접점을 통하여 상호 직렬 연결될 수 있다. C2와 C3는 전해질(140) 또는 전해질(140) 내의 이온들에 의하여 상호 직렬 연결될 수 있다. 물론, C1, C2, C3, C4는 서로 간에 전기적으로 직렬 연결될 수도 있다.
이하에서는 도면에 도시한 바와 같이, 전기적인 접점을 통하여 상호 직렬 연결된 C1과 C2, 전기적인 접점을 통하여 상호 직렬 연결된 C3와 C4 및 전해질(140) 또는 전해질(140) 내의 이온들에 의하여 상호 직렬 연결된 C2 및 C3를 활용하여 설명하기로 한다. 또한, 이하에서는 전류집전체(110)의 표면에 형성되는 전기 이중층에 의한 정전용량에 대한 효과를 생략하고 설명하기로 한다. 또한, 이하에서는 분리막(separator)으로부터 기인하는 저항체의 전기저항을 무시할만한 수준으로 가정하고 저항체에 의한 정전용량에 대한 효과를 생략하고 설명하기로 한다. 이러한 설명만으로도 본 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 사람(통상의 기술자)은 정전용량 증대에 기여하는 복수의 나노 구조물(120)의 역할을 이해할 수 있음은 자명하다 할 것이다.
도 3의 (a)를 다시 참조하면, 도 3의 (a)의 구조를 통하여 얻어지는 전기 이중층 커패시터의 총 정전용량은 C1, C2, C3 및 C4가 직렬 연결되어 얻어지는 값으로 해석할 수 있다. C1, C2, C3 및 C4의 정전용량을 각각 1F이라고 하자. 이 경우, 도 3의 (a)의 구조를 통하여 얻어지는 전기 이중층 커패시터의 총 정전용량은 0.25F의 값을 가지게 된다.
한편, 도 3의 (b)의 발췌 도면을 참조하면, 본 명세서에서 개시하는 기술의 전류집전체(110)의 표면에는 전도성의 복수의 나노 구조물(130)이 마련되며, 나노 구조물(130)은 4개의 전극활물질과 각각 전기적으로 연결된다. 나노 구조물(130)은 전류집전체(110)의 표면에 마련되며 전도성을 가지므로 C1과 연결되는 나노 구조물(130)과 C2와 연결되는 나노 구조물(130)은 서로 등전위를 가지며, C3과 연결되는 나노 구조물(130)과 C4와 연결되는 나노 구조물(130)은 서로 등전위를 가진다. 따라서 도 3의 (b)의 구조를 통하여 얻어지는 전기 이중층 커패시터의 총 정전용량은 C1과 C2가 전기적으로 병렬 연결되고, C3과 C4가 전기적으로 병렬 연결되고, 서로 전기적으로 병렬 연결된 C1과 C2 및 C3과 C4가 서로 전기적으로 직렬 연결되어 얻어지는 값으로 해석할 수 있다. C1, C2, C3 및 C4의 정전용량을 각각 1F이라고 하자. 이 경우, 도 3의 (b)의 구조를 통하여 얻어지는 전기 이중층 커패시터의 총 정전용량은 1F의 값을 가지게 된다.
즉, 복수의 나노 구조물(120)을 제외하고 도 3의 (a)의 전기 이중층 커패시터와 (b)의 전기 이중층 커패시터가 동일한 조건이라고 가정하자. 이 경우, 복수의 나노 구조물(120)은 전극활물질(130), 즉 전극활물질(130)을 이루는 적층된 전극활물질 또는 전극활물질의 단위 구조와 전기적으로 접하여 전극활물질(130)에서 형성되는 전기 이중층 정전용량이 병렬 연결되는 효과를 제공해 줄 수 있다. 따라서 복수의 나노 구조물(120)이 표면에 마련된 전류집전체(110)를 활용한 본 명세서에서 제시하는 기술은 전극활물질(130)에서 형성되는 전기 이중층 정전용량의 병렬 연결이라는 효과를 통하여 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터(10)에 관한 기술을 제공해 줄 수 있다.
정리하면, 복수의 나노 구조물(120)이 표면에 마련된 전류집전체(110)를 활용한 본 명세서에서 제시하는 기술은 전류집전체(110)의 표면적의 실질적인 증가라는 효과를 통하여 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터(10)에 관한 기술을 제공해 줄 수 있다.
또한, 복수의 나노 구조물(120)이 표면에 마련된 전류집전체(110)를 활용한 본 명세서에서 제시하는 기술은 복수의 나노 구조물(120)의 바이패스(bypass) 역할에 따른 전극활물질(130)에서 형성되는 전기 이중층 정전용량의 병렬 연결이라는 효과를 통하여 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터(10)에 관한 기술을 제공해 줄 수 있다.
아울러, 본 명세서에서 제시하는 기술은 복수의 나노 구조물(120) 사이의 공간에 전극활물질(130)을 마련할 수 있어 부피의 실질적인 증가 없이 정전용량이 증가된 슈퍼커패시터(10)를 구현할 수 있는 기술을 제공해 줄 수 있다.
이하 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 구조 및 제조방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 전극의 구조 및 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다. 도 4의 (a)는 본 기술에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 전극의 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다. 도 4의 (b)는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 전극의 구조의 일례를 보여주는 도면이다. 도 5는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 구조 및 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다. 도 5의 (a)는 본 기술에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 일례를 보여주는 도면이다. 도 5의 (b)는 본 기술에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 구조의 일례를 보여주는 도면이다. 도 5의 (c)는 본 기술에서 개시하는 섬유형태의 나노 구조의 슈퍼커패시터를 제작한 후 이를 직렬로 연결하여 정전용량을 측정하는 모습을 보여주는 도면이다. 도 6은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 나노 구조물의 모습을 보여주는 SEM 사진이다. 도 7은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 나노 구조물 사이에 전극활물질이 쌓이는 모습을 보여주는 SEM 사진이다. 도 8은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 일례를 설명하는 흐름도이다. 도 9는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 다른 예를 설명하는 흐름도이다.
도면을 참조하면, 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 전극(100)을 포함한다. 전극(100)은 전류집전체(110) 및 전극활물질(130)을 포함한다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 전극(100)은 선택적으로(optionally) 전해질(140), 전도체(150), 유전체(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전류집전체(110)는 전도성의 복수의 나노 구조물(120)이 마련된 표면을 가진다. 도면에 예로서 도시된 바와 같이, 전류집전체(110)로서 와이어 형상의 스테인레스 스틸 와이어(stainless steel wire, SS wire)가 사용될 수 있으나, 전도체라면 형상, 소재 등에 관계없이 전류집전체(110)로서 사용될 수 있다.
복수의 나노 구조물(120, needle)은 전도성을 지니며 전류집전체(110)의 표면에 마련된다. 도면에 예로서 도시한 바와 같이, 나노 구조물(120)로서 나노(Nano) 사이즈의 바늘 형상의 NiCo2O4 전이금속이 사용될 수 있으나 막대(rod) 형상의 NiCo2O4 전이금속이 사용될 수도 있으며, 전도체라면 형상, 소재 등에 관계없이 나노 구조물(120)로서 사용될 수 있다. 정전용량과 관련한 복수의 나노 구조물(120)의 역할은 앞서 도 2 및 도 3과 관련하여 상술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략하기로 한다.
전극활물질(130)은 전류집전체(110)와 전기적으로 연결된다. 전극활물질(130)은 전류집전체(110)와 직접 연결되거나 전류집전체(110) 표면에 마련되는 복수의 나노 구조물(120)을 통하여 전류집전체(110)와 연결될 수 있다. 도면에 예로서 도시한 바와 같이, 전극활물질(130)로서 탄소나노튜브(carbon nano-tube, CNT)가 사용될 수 있으나, 다공성 활성탄 등 단위 무게당 유효면적이 크고 전기전도도가 좋은 소재라면 전극활물질(130)로서 사용될 수 있다.
전극활물질(130)은 다층구조를 포함할 수 있다. 전극활물질(130)의 다층구조는 도 4에 예로서 도시한 바와 같이 전극활물질(130)이 여러 층으로 적층되어 구현될 수 있다. 다르게는 전극활물질(130)의 다층구조는 도 2 및 도 3에 예로서 도시한 바와 같이 전극활물질(130)의 단위 구조가 상호 연결되는 구조를 통하여 구현될 수도 있다.
정전용량과 관련한 복수의 나노 구조물(120)과 연계된 전극활물질(130)의 역할은 앞서 도 2 및 도 3과 관련하여 상술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략하기로 한다.
전해질(140)은 전극활물질(130)과 서로 접촉할 수 있다. 또한, 전해질(140)은 전류집전체(110), 복수의 나노 구조물(120)과 서로 접촉할 수 있다. 전해질(140)은 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다. 도면에 예로서 도시한 바와 같이, 전해질(140)로서 젤(gel) 타입의 PVA(polyvinyl alcohol)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시 예에 있어서, 전극(100)은 전류집전체(110), 전극활물질(130) 및 전해질(140)을 포함할 수 있다. 도 5의 (a)를 참조하면, 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 전극(100)을 복수 개 포함할 수 있다. 복수개의 전극(100) 중 서로 대향하는 전극-이하 제1전극(100a) 및 제2전극(100b)이라 함- 은 서로 꼬인 형상을 가질 수 있다. 제1전극(100a)의 전해질(140) 및 제2전극(100b)의 전해질(140)은 제1전극(100a) 및 제2전극(100b)이 서로 꼬이는 과정에서 서로 접촉할 수 있다. 이때, 전해질(140)로서 젤 형상의 전해질을 사용할 수 있으며, 제1전극(100a) 및 제2전극(100b)의 젤 형상의 전해질(140)은 분리막의 역할을 수행할 수 있다. 이를 통하여 섬유형태의 슈퍼커패시터(10)를 얻을 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 전극(100)은 전류집전체(110) 및 전극활물질(130)을 포함할 수 있다. 도 5의 (a)를 참조하면, 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 전극(100)을 복수 개 포함할 수 있다. 또한, 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 복수개의 전극(100) 중 서로 대향하는 전극-이하 제3전극(100c) 및 제4전극(100d)이라 함- 사이에 마련되는 전해질(140)을 더 포함할 수 있다. 전해질(140)은 제3전극(100c)의 전극활물질(130) 및 제4전극(100d)의 전극활물질(130)과 서로 접촉할 수 있다. 또한, 전해질(140)은 전류집전체(110), 복수의 나노 구조물(120)과 서로 접촉할 수 있다. 이때, 전해질(140)로서 젤 형상의 전해질이 사용될 수 있으며, 젤 형상의 전해질(140)은 분리막의 역할을 수행할 수 있다. 이를 통하여 서로 대향하는 전극(100c) 및 전극(100d)를 가지는 슈퍼커패시터(10)를 얻을 수 있다.
전도체(150)는 전극활물질(130)을 서로 연결할 수 있다. 한편, 전극활물질(130)은 다층구조를 포함할 수 있다.
전도체(150)는 전극활물질(130)의 단위 구조를 서로 연결하여 이들 사이의 전기 전도도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 전도체(150)는 다층구조에 따라 적층되는 전극활물질(130)들을 서로 연결하여 이들 사이의 전기 전도도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있다.
한편, 전도체(150)는 전극활물질(130)과 전류집전체(110) 또는 전극활물질(130)과 복수의 나노 구조물(120)을 서로 연결할 수도 있다. 이를 통하여 전도체(150)는 도 2 및 도 3과 관련하여 상술한 바와 같이 바이패스의 용도로 사용될 수도 있다. 즉, 전도체(150)는 바이패스의 역할을 수행하여 전극활물질(130)에서 형성되는 전기 이중층 정전용량의 병렬 연결이라는 효과를 제공해 줄 수도 있다
다시 말하면, 전도체(150)는 전극활물질(130)의 단위 구조를 서로 연결하는 역할, 적층되는 전극활물질(130)을 서로 연결하는 역할, 전극활물질(130)과 전류집전체(110)을 연결하는 역할, 전극활물질(130)과 복수의 나노 구조물(120)을 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 통하여 전도체(150)는 전극활물질(130)의 단위 구조와 적층되는 전극활물질(130)에서 형성되는 전기 이중층 커패시터를 서로 전기적으로 직렬 연결하거나 병렬 연결하는 기능을 수행할 수 있다.
도면에 예로서 도시한 바와 같이, 전도체(150)로서 은나노 와이어(silver nano wire, Ag NWs)가 사용될 수 있으나, 전도체로서 사용될 수 있는 소재라면 전도체(150)로서 사용될 수 있다.
유전체(미도시)는 전극활물질(130)에 마련될 수 있다. 상기 유전체로는 다양한 절연체가 사용될 수 있다.
일례로, 전극활물질(130)은 다층구조를 포함할 수 있다. 이 경우, 다층구조의 전극활물질(130)의 각 층에 포함되는 전극활물질은 전도체(150)에 의하여 층별로 서로 연결될 수 있다. 상기 유전체는 다층구조의 전극활물질(130)의 층과 층이 접하는 부분에 마련될 수 있다. 다층구조의 전극활물질(130)의 각 층은 전류집전체(110) 또는 복수의 나노 구조물(120)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 유전체는 다층구조의 전극활물질(130)의 층들을 분리함으로써 전류집전체(110) 또는 복수의 나노 구조물(120)에 의한 바이패스의 역할을 강화하여 전극활물질(130)에서 형성되는 전기 이중층 정전용량의 병렬 연결이라는 효과를 강화하는 기능을 제공해 줄 수 있다.
이하 도 8 및 도 9를 참조하여 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 8은 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 일례를 설명하는 흐름도이다. 도 9는 본 명세서에서 개시하는 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법의 다른 예를 설명하는 흐름도이다. 도 8 및 도 9와 관련한 상세한 설명에서는 앞서 도 1 내지 도 7과 관련하여 상술한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 설명의 편의상 이를 생략하고 서술하기로 한다.
도 8을 참조하면, 일례에 따른 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법(20)은 전극을 준비하는 전극준비과정(210)을 포함한다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법(20)은 선택적으로 커패시터 제작과정(220), 전해질을 마련하는 과정(230)을 더 포함할 수 있다.
전극준비과정(210)은 전도성의 복수의 나노 구조물(120)이 마련된 전류집전체(110)를 준비하는 과정(212) 및 복수의 나노 구조물(120) 사이의 공간에 전극활물질(130)을 마련하는 과정(214)을 포함할 수 있다. 한편, 전극준비과정(210)은 전극활물질(130)과 서로 접촉하는 전해질(140)을 마련하는 과정(216)을 더 포함할 수 있다.
나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 상술한 전극준비과정(210)을 통하여 준비되는 전극(100)을 서로 꼬아 섬유형태의 커패시터로 제작하는 커패시터 제작과정(220)을 통하여 제작될 수 있다.
한편, 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 상기 섬유형태의 커패시터에 전해질(140)을 마련하는 과정(230)을 더 포함하여 제작될 수도 있다.
즉, 도 8과 관련하여 상술한 방법으로 제작되는 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 복수의 나노 나노 구조물(120)이 마련된 표면을 가지는 전류집전체(110), 전극활물질(130) 및 전해질(140)을 포함하는 전극(100)을 서로 꼬아 제작된 섬유형태를 가질 수 있다. 전류집전체(110)가 가운데 위치하는 섬유형상으로 제작될 수 있어 여러 다양한 변형에 의하여 금속 소재인 전류집전체(110)가 갈라지는 문제점이 해결될 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다. 전해질(140)은 앞서 상술한 바와 같이 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다.
도 9을 참조하면, 다른 예에 따른 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법(20a)은 전극을 준비하는 전극준비과정(210a)을 포함한다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조방법(20a)은 선택적으로 커패시터 제작과정(220a), 전해질을 마련하는 과정(230a)을 더 포함할 수 있다.
전극준비과정(210a)은 전도성의 복수의 나노 구조물(120)이 마련된 전류집전체(110)를 준비하는 과정(212) 및 복수의 나노 구조물(120) 사이의 공간에 전극활물질(130)을 마련하는 과정(214)을 포함할 수 있다.
나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 상술한 전극준비과정(210a)을 통하여 준비된 복수의 전극(100) 중 서로 대향하는 전극(100c, 100d, 도 5의 (a) 참조) 사이에 전해질(140)을 마련하여 커패시터로 제작하는 커패시터 제작과정(220a)을 통하여 제작될 수 있다. 이 경우, 전해질(140)은 서로 대향하는 전극(100c, 100d)의 전극활물질(130)과 서로 접촉할 수 있다.
한편, 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 서로 대향하는 전극(100c, 100d)으로 제작되는 커패시터에 전해질(140)을 추가적으로 마련하는 과정(230a)을 더 포함하여 제작될 수도 있다.
즉, 도 9와 관련하여 상술한 방법으로 제작되는 나노 구조의 슈퍼커패시터(10)는 복수의 나노 나노 구조물(120)이 마련된 표면을 가지는 전류집전체(110) 및 전극활물질(130)을 포함하는 전극을 서로 대향시킨 후 이들 사이에 전해질(140)을 마련하여 제작될 수 있다. 전류집전체(110)가 가운데 위치하는 형상으로 제작될 수 있어 여러 다양한 변형에 의하여 금속 소재인 전류집전체(110)가 갈라지는 문제점이 해결될 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다. 전해질(140)은 앞서 상술한 바와 같이 젤 형상의 전해질을 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9와 관련하여 상술한 슈퍼커패시터 제조방법(20, 20a)은 전극활물질(130)을 서로 연결하는 전도체(150)를 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다. 또한, 슈퍼커패시터 제조방법(20, 20a)은 전도체(150)가 마련된 전극활물질(130) 상에 추가적인 전극활물질(130)을 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이를 통해 전극활물질(130)은 서로 적층될 수 있다.
이 경우, 슈퍼커패시터 제조방법(20, 20a)은 전극활물질(130)과 추가적인 전극활물질(130)이 서로 접하는 부분에 유전체(미도시)를 마련하는 과정을 더 포함할 수 있다.
이하 도 4와 도 5를 활용하여 구체적인 예시를 통하여 나노 구조의 슈퍼커패시터의 제조과정을 설명하기로 한다. 이러한 설명은 이해를 위한 예시로서 후술하는 설명에 의하여 본 명세서에서 개시하는 기술의 권리범위를 제한할 의도가 아님을 분명히 밝혀둔다.
도 4와 도 5는 본 명세서에서 개시하는 슈퍼커패시터의 제작과정을 보여준다. 순서대로 전류집전체(110)인 스테인레스 스틸 와이어(stainless steel wire, SS wire) 표면에 수열합성을 통해 전극의 표면적을 넓혀줄 나노 구조물(120)로서 NiCo2O4 나노 니들 형태의 전이금속층을 마련할 수 있다. 나노 니들의 사이를 채워줄 전극활물질(130)로서 탄소나노튜브 활성층은 스핀들 코팅(spindle coating) 방법을 사용하여 마련할 수 있다. 탄소나노튜브 활성층과 층 사이에 전기 전도도를 높여줄 전도체(150)로서 은나노 와이어는 초음파처리를 통한 코팅 방식으로 마련될 수 있다. 그리고 다시 스핀들 코팅을 통해 전극활물질(130)로서 탄소나노튜브 활성층으로 은나노 와이어가 코팅된 표면을 덮어 적층구조를 구성할 수 있다. 이후 전해질(140)과 분리막(separator)으로 사용될 젤 형태의 전해질은 PVA(polyvinyl alcohol) 약 10g, 초순수(deionized water) 약 100ml, 그리고 인산(H3PO4) 약 10g을 약 90℃에서 약 400rpm으로 약 1시간 교반하여 만들 수 있다. 제작된 전극에 젤 형태의 전해질(140)을 코팅 후 건조하여 단일 전극을 제작할 수 있다. 제작된 단일 전극을 두 가닥을 꼬아 다시 젤 형태의 전해질(140)을 코팅 후 건조하여 섬유형태의 슈퍼커패시터(10)를 완성할 수 있다.
도 6을 통하여 스테인레스 스틸 와이어 표면에 NiCo2O4가 나노 니들 형태로 성장된 것을 확인 할 수 있다. NiCo2O4는 전이금속으로서 전해질과의 산화환원을 통해 에너지를 저장할 수 있으며, 나노 니들 형태로 형성된 구조로 인해 더 넓은 표면적을 확보 할 수 있다. 또한 도 7은 나노 니들 사이에 탄소나노튜브 섬유가 스핀들 코팅으로 감겨지는 모습을 보여준다. 이를 통해 같은 전극의 부피 대비 더 높은 정전용량을 확보할 수 있다. 탄소나노튜브는 전기 이중층 효과를 통해 전자를 충방전 할 수 있다. 또한, 나노 니들은 앞서 상술한 바이패스의 역할을 수행하여 정전용량을 더욱 증가시키는 역할을 수행한다.
한편, 도 4의 (b)는 전극활물질로서 탄소나노튜브가 섬유형태로 꼬이며 스테인레스 스틸 와이어 표면에 활성층을 형성하는 모습을 보여준다. 형성된 탄소나노튜브 활성층은 아주 얇은 두께를 가지며, 지속적으로 적층형태를 이루며 전극활물질을 형성하게 된다. 이때 탄소나노튜브 활성층사이의 공간에 전도체(150)로서 은나노 와이어를 코팅하여 활성층 사이의 전기 전도도를 높임으로서 충방전으로 인해 발생된 전자가 전류집전체(110)인 스테인레스 스틸 와이어까지 원활하게 이동할 수 있도록 도울 수 있다. 이 효과는 결국 전극의 내부 임피던스를 낮춰주는 효과를 보이며, 비정전용량의 증가로 이어질 수 있다. 또한, 전도체(150)는 전극활물질(130)과 전류집전체(110) 또는 전극활물질(130)과 복수의 나노 구조물(120)을 서로 연결할 수도 있다. 이를 통하여 전도체(150)는 바이패스의 역할을 수행하여 정전용량 증대에 기여할 수 있다.
기존의 섬유형태의 슈퍼커패시터는 탄소나노튜브를 실 형태로 제작하거나 상용 섬유에 그래핀 혹은 그라파이트 같은 카본 계열의 물질을 코팅해서 제작한다. 하지만 전기 전도도가 높은 카본계열의 장점에도 불구하고 길이가 길어지거나 섬유형태로 직조되는 과정에서 저항성분이 증가하며, 결국 정전용량의 감소로 이어지게 된다. 본 기술에서는 상대적으로 직조가 쉬운 탄소나노튜브를 섬유형태로 제작하는 과정에서 은나노 와이어를 코팅하여 전기 전도도와 정전용량을 향상된 슈퍼커패시터에 대한 기술을 제안한다.
상기로부터, 본 개시의 다양한 실시 예들이 예시를 위해 기술되었으며, 아울러 본 개시의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능한 다양한 변형 예들이 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 그리고 개시되고 있는 상기 다양한 실시 예들은 본 개시된 사상을 한정하기 위한 것이 아니며, 진정한 사상 및 범주는 하기의 청구항으로부터 제시될 것이다.
10: 나노 구조의 슈퍼커패시터
20, 20a: 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법
100, 100a, 100b, 100c, 100d: 전극
110: 전류집전체
120: 복수의 나노 구조물
130: 전극활물질
140: 전해질
150: 전도체
210, 210a: 전극준비과정
220, 220a: 커패시터 제작과정
230, 230a: 커패시터에 전해질을 마련하는 과정
20, 20a: 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법
100, 100a, 100b, 100c, 100d: 전극
110: 전류집전체
120: 복수의 나노 구조물
130: 전극활물질
140: 전해질
150: 전도체
210, 210a: 전극준비과정
220, 220a: 커패시터 제작과정
230, 230a: 커패시터에 전해질을 마련하는 과정
Claims (19)
- 전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 표면을 가지는 전류집전체; 및
상기 전류집전체와 전기적으로 연결되는 전극활물질을 포함하는 전극을 포함하며,
상기 전극활물질을 서로 연결하는 전도체; 및
상기 전극활물질에 마련되는 유전체를 포함하되,
상기 전극활물질은 다층구조를 포함하며,
상기 전도체는 다층구조의 상기 전극활물질의 각 층에 포함되는 전극활물질을 층별로 서로 연결하며,
상기 유전체는 다층구조의 상기 전극활물질의 층과 층이 접하는 부분에 마련되는 나노 구조의 슈퍼커패시터. - 제1항에 있어서,
상기 전극은 상기 전극활물질과 서로 접촉하는 전해질을 더 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터. - 제2항에 있어서,
상기 전극을 복수 개 포함하며,
복수개의 상기 전극 중 서로 대향하는 전극-이하 제1전극 및 제2전극이라 함- 은 서로 꼬인 형상을 가지며,
상기 제1전극의 전해질 및 상기 제2전극의 전해질은 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 서로 꼬이는 과정에서 서로 접촉하는 나노 구조의 슈퍼커패시터. - 제1항에 있어서,
상기 전극을 복수 개 포함하며,
복수개의 상기 전극 중 서로 대향하는 전극-이하 제3전극 및 제4전극이라 함- 사이에 마련되는 전해질을 더 포함하며,
상기 전해질은 상기 제3전극의 전극활물질 및 상기 제4전극의 전극활물질과 서로 접촉하는 나노 구조의 슈퍼커패시터. - 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해질은 젤 형상의 전해질을 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극활물질은 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 마련되는 나노 구조의 슈퍼커패시터. - 전극을 준비하는 전극준비과정을 포함하되,
상기 전극준비과정은
전도성의 복수의 나노 구조물이 마련된 전류집전체를 준비하는 과정; 및
상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간에 전극활물질을 마련하는 과정을 포함하며,
상기 전극활물질을 서로 연결하는 전도체를 마련하는 과정; 및
상기 전도체가 마련된 상기 전극활물질 상에 추가적인 전극활물질을 마련하는 과정을 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 전극준비과정은 상기 전극활물질과 서로 접촉하는 전해질을 마련하는 과정을 더 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 전극준비과정을 통하여 준비되는 전극을 서로 꼬아 섬유형태의 커패시터를 제작하는 커패시터 제작과정을 더 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 섬유형태의 커패시터에 전해질을 마련하는 과정을 더 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 전극준비과정을 통하여 준비된 복수개의 전극 중 서로 대향하는 전극 사이에 전해질을 마련하여 커패시터를 제작하는 과정을 더 포함하며,
상기 전해질은 상기 서로 대향하는 전극의 전극활물질과 서로 접촉하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법. - 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해질은 젤 형상의 전해질을 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 전극활물질과 상기 추가적인 전극활물질이 서로 접하는 부분에 유전체를 마련하는 과정을 더 포함하는 나노 구조의 슈퍼커패시터 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170165870A KR102086423B1 (ko) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170165870A KR102086423B1 (ko) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190066284A KR20190066284A (ko) | 2019-06-13 |
| KR102086423B1 true KR102086423B1 (ko) | 2020-03-09 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170165870A KR102086423B1 (ko) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | 나노 구조의 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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-
2017
- 2017-12-05 KR KR1020170165870A patent/KR102086423B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A. Ramadoss et al., ‘Realization of high performance flexible wire supercapacitors based on 3-dimensional NiCo2O4/Ni fibers,’ Journal of materials chemistry A, 2016, 4, 4718-4727 (2016.03.03.) 1부.* |
| M. Jing, et al., ‘High performance of carbon nanotubes/silver nanowires-PET hybrid flexible transparent conductive films via factile pressing-transfer technique,’ Nanoscale research letters, 2014,9:588 (2014.10.28.) 1부.* |
| Y. Meng et al., ‘All-graphene core-sheath microfibers for all-solid-state, stretchable fibriform supercapacitors and wearable electronic textiles,’ Advanced materials, 2013, 25, 2326-2331 (2013.03.06.) 1부.* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20190066284A (ko) | 2019-06-13 |
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