KR102116279B1 - 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터의 제조방법 - Google Patents

울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 디시아노메틸 피폴리디늄 테트라플루오로보레이트(dicyanomethyl pyrrolidinium tetrafluoroborate) 및 디시아노메틸 피페리디늄 트리플루오로 메탄 설포닐 이미드(dicyanomethyl piperidinium trifluoro methane sulfonyl imide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온성액체를 비활성 가스 분위기에서 탄화처리하는 단계와, 탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하여 울트라커패시터용 전극활물질을 얻는 단계를 포함하는 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 상용 활성탄에 비하여 고온에서의 비축적용량과 분해전압이 높은 울트라커패시터용 전극활물질을 제조할 수 있다.

Description

울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터의 제조방법{Manufacturing method of electrode active material for ultracapacitor, manufacturing method of ultracapacitor electrode and manufacturing method of ultracapacitor}
본 발명은 전극활물질의 제조방법, 이를 이용한 전극의 제조방법 및 울트라커패시터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온에서의 비축적용량과 분해전압이 높은 울트라커패시터용 전극활물질을 제조하는 방법, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터의 제조방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장장치들 중 울트라커패시터는 빠른 충·방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 울트라커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다.
울트라커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 슈퍼커패시터(Super-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 울트라커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 울트라커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
울트라커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다. 일반적으로 울트라커패시터의 전극활물질로 사용되는 활성탄은 1500㎡/g 이상의 고비표면적 활성탄이 사용되고 있다.
그러나, 울트라커패시터의 응용 분야의 확대에 따라 보다 높은 비축전용량과 높은 분해전압이 요구되고 있어 보다 높은 축전용량을 발현하는 전극활물질의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 특허등록번호 제10-1079317호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고온에서의 비축적용량과 분해전압이 높은 울트라커패시터용 전극활물질을 제조하는 방법, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 디시아노메틸 피폴리디늄 테트라플루오로보레이트(dicyanomethyl pyrrolidinium tetrafluoroborate) 및 디시아노메틸 피페리디늄 트리플루오로 메탄 설포닐 이미드(dicyanomethyl piperidinium trifluoro methane sulfonyl imide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온성액체를 비활성 가스 분위기에서 탄화처리하는 단계와, 탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하여 울트라커패시터용 전극활물질을 얻는 단계를 포함하는 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법을 제공한다.
상기 탄화처리는 700∼900℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리를 혼합하는 단계 및 상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리의 혼합물을 활성화 반응기에 장입하고 비활성 가스 분위기로 700∼950℃의 온도에서 활성화 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄화 처리된 결과물과 상기 알칼리를 1: x (여기서, 1≤x≤8)의 중량비로 상기 활성화 반응기에 장입하는 것이 바람직하다.
상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화 처리된 결과물 및 상기 알칼리를 활성화 반응기 내에 장입하는 단계와, 상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하는 단계와, 상기 활성화 반응기 내의 온도를 700∼950℃의 온도까지 승온하여 활성화 처리가 이루어지는 단계 및 상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 결과물을 수득하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구를 통해 배출되게 하고, 상기 배출구는 에탄올이 담긴 배출조에 연결되게 하며, 상기 비활성 기체가 상기 배출조에 담긴 에탄올로 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 결과물을 수득하는 단계는, 상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 80∼150℃의 온도에서 상기 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 결과물을 샤워시켜 주는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 에탄올 증기는 상기 배출구를 통해 액체가 담긴 상기 배출조로 배출되게 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법을 이용하여 울트라커패시터용 전극활물질을 제조하는 단계와, 상기 울트라커패시터용 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계 및 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 울트라커패시터 전극을 형성하는 단계를 포함하는 울트라커패시터 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 울트라커패시터 전극의 제조방법에 의해 제조된 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극을 이격되게 배치하고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 울트라커패시터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 상용 활성탄에 비하여 고온에서의 비축적용량과 분해전압이 높은 울트라커패시터용 전극활물질을 제조할 수 있다.
도 1은 금속 기판을 원통형(원기둥 모양)으로 성형한 활성화 반응기(100a)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 성형된 활성화 반응기(110a)에 비활성 기체가 유입되는 유입구(130)와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구(140)를 설치한 모습을 보여주는 도면이다.
도 3은 일 예에 따른 코인형 울트라커패시터의 단면도를 보인 것이다.
도 4 내지 도 7은 일 예에 따른 권취형 울트라커패시터를 보여주는 도면이다.
도 8은 상용 활성탄인 YP50F와 실험예 1에 따라 제조된 울트라커패시터용 전극활물질의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 실험예 2에 따라 제조된 울트라커패시터에 대한 충·방전 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 10은 실험예 3에 따라 제조된 울트라커패시터에 대한 충·방전 실험 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법은, 디시아노메틸 피폴리디늄 테트라플루오로보레이트(dicyanomethyl pyrrolidinium tetrafluoroborate) 및 디시아노메틸 피페리디늄 트리플루오로 메탄 설포닐 이미드(dicyanomethyl piperidinium trifluoro methane sulfonyl imide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온성액체를 비활성 가스 분위기에서 탄화처리하는 단계와, 탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하여 울트라커패시터용 전극활물질을 얻는 단계를 포함한다.
상기 탄화처리는 700∼900℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리를 혼합하는 단계 및 상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리의 혼합물을 활성화 반응기에 장입하고 비활성 가스 분위기로 700∼950℃의 온도에서 활성화 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄화 처리된 결과물과 상기 알칼리를 1: x (여기서, 1≤x≤8)의 중량비로 상기 활성화 반응기에 장입하는 것이 바람직하다.
상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화 처리된 결과물 및 상기 알칼리를 활성화 반응기 내에 장입하는 단계와, 상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하는 단계와, 상기 활성화 반응기 내의 온도를 700∼950℃의 온도까지 승온하여 활성화 처리가 이루어지는 단계 및 상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 결과물을 수득하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구를 통해 배출되게 하고, 상기 배출구는 에탄올이 담긴 배출조에 연결되게 하며, 상기 비활성 기체가 상기 배출조에 담긴 에탄올로 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 결과물을 수득하는 단계는, 상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 80∼150℃의 온도에서 상기 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 결과물을 샤워시켜 주는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 에탄올 증기는 상기 배출구를 통해 액체가 담긴 상기 배출조로 배출되게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터 전극의 제조방법은, 상기 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법을 이용하여 울트라커패시터용 전극활물질을 제조하는 단계와, 상기 울트라커패시터용 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계 및 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 울트라커패시터 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터의 제조방법은, 상기 울트라커패시터 전극의 제조방법에 의해 제조된 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극을 이격되게 배치하고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
디시아노메틸 피폴리디늄 테트라플루오로보레이트(dicyanomethyl pyrrolidinium tetrafluoroborate; [DCNPyr]BF4) 및 디시아노메틸 피페리디늄 트리플루오로 메탄 설포닐 이미드(dicyanomethyl piperidinium trifluoro methane sulfonyl imide; [DCNP]Tf2N)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온성액체를 준비한다.
상기 이온성 액체를 탄화처리한다. 상기 탄화처리는 700∼900℃ 정도의 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 비활성 가스 분위기는 질소(N2), 아르콘(Ar), 헬륨(He)과 같은 가스 분위기를 의미한다.
탄화처리된 결과물에 대하여 분쇄 공정을 수행할 수도 있다. 상기 분쇄는 볼 밀링, 제트밀 등을 이용할 수 있다. 분쇄 공정의 구체적인 예로서 볼밀링 공정을 설명하면, 탄화처리된 결과물을 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하고, 볼밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 분쇄한다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼밀링기의 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 밀링 시간이 증가함에 따라 입도가 점차 감소하고, 이에 따라 비표면적이 증가하게 된다. 볼밀링에 사용되는 볼은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2)와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하는데, 예를 들면, 볼의 크기는 1∼30㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정하며, 볼밀링은 1∼48 시간 동안 실시할 수 있다.
금속 재질의 활성화 반응기를 준비한다. 금속 재질 기판을 원하는 형태의 활성화 반응기로 성형하여 상기 활성화 반응기를 제작할 수 있다. 상기 활성화 반응기는 반응기 내부면이 될 금속 재질 기판에 AlN 등을 코팅하고 원하는 형태(예컨대, 원기둥, 사각기등)로 제작된 것일 수도 있다. 도 1은 금속 기판(20)을 원통형(원기둥 모양)으로 성형한 활성화 반응기(10a)를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2는 성형된 활성화 반응기(10a)에 비활성 기체가 유입되는 유입구(30)와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구(40)를 설치한 모습을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 활성화 반응기는 고온에서의 알칼리 내부식성과 열전도도를 가지므로, 불순물이 포함되지 않은 전극활물질 제조에 이용할 수 있다. 상기 활성화 반응기(10)는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 금속은 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(Stainless steel) 등일 수 있다. 상기 활성화 반응기는 반응기 내부면이 될 금속 재질 기판에 AlN 등을 코팅하고 원하는 형태(예컨대, 원기둥, 사각기등)로 제작된 것일 수도 있다. 상기 AlN은 스퍼터링(Sputtering) 등과 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법을 이용하여 금속 재질의 반응기 표면에 코팅할 수 있다. 상기 AlN을 코팅하게 되면, 내부식성과 내열성을 향상시킬 수 있고, 알칼리를 이용한 활성화 처리 과정에서 부식 등을 억제하여 활성화 반응기의 재질인 금속이 내부면 쪽으로 빠져나오지 않게 할 수 있다. 성형된 활성화 반응기에 비활성 기체가 유입되는 유입구(30)와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구(40)를 설치한다.
탄화 처리된 결과물과 알칼리를 혼합하여 활성화 반응기에 장입하고, 활성화 처리를 수행한다. 상기 활성화 처리는 탄화 처리된 결과물과, 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 알칼리를 혼합한 후, 700∼950℃ 정도, 더욱 바람직하게는 750∼900℃의 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 이를 위해 탄화 처리된 결과물 및 알칼리를 상기 활성화 반응기 내에 장입하고, 활성화 반응기의 유입구(30)를 통해 비활성 기체를 주입하여 수행한다. 상기 활성화 처리를 위한 온도까지는 0.1∼50℃/min의 승온속도로 승온하는 것이 바람직하다. 상기 탄화 처리된 탄소재 및 상기 알칼리는 1: x (여기서, 1≤x≤8)의 중량비로 상기 활성화 반응기에 장입하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 반응기의 유입구(30)를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구(40)를 통해 배출되게 한다. 이때, 배출구(40)를 통해 배출되는 비활성 기체는 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되지 않게 하는 것이 바람직하다. 배출구(40)를 통해 배출되는 비활성 기체에는 활성화 처리를 위한 알칼리 성분이 함유될 수 있어 위험하기 때문이다. 이를 위해 배출구(40)는 에탄올 등의 액체(60)가 담긴 배출조(50)에 연결되게 하고, 배출조(50)에 담긴 액체(60)로 비활성 기체가 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 비활성 가스 분위기는 질소(N2), 아르곤(Ar), 이들의 혼합가스와 같은 비활성 가스 분위기를 의미한다.
활성화 처리 후에 활성화 반응기의 온도를 냉각한다. 상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 온도(예컨대, 80∼150℃)에서 에탄올 연결부(70)를 통해 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 결과물을 샤워시켜 주는 것이 바람직하다. 메탄올은 유독성이 있어 작업자에게 위해를 줄 수 있으므로 사용하지 않는 것이 바람직하고, 증류수는 알칼리와 혼합시에 화재 등의 위험이 있을 수 있으므로 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이 에탄올 증기를 이용한 샤워는 활성화 처리된 결과물에 묻어있는 알칼리 부산물을 효과적으로 제거하는 역할을 한다. 에탄올 증기는 배출구(40)를 통해 액체가 담긴 배출조로 배출되게 하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 처리 후에는 알칼리 성분을 제거하기 위하여 염산(HCl), 질산(HNO3)과 같은 산(acid)으로 중화 처리하고, 증류수 등으로 세정하는 것이 바람직하다. 세정 후에는 60∼180℃ 정도의 온도에서 10분∼24시간 동안 충분히 건조한다.
이렇게 제조된 울트라커패시터용 전극활물질은 울트라커패시터의 전극 제조를 위한 전극활물질로 사용될 수 있다.
이하에서, 상기 울트라커패시터용 전극활물질을 이용하여 울트라커패시터 전극과 울트라커패시터를 제조하는 방법을 설명한다.
상기 울트라커패시터용 전극활물질, 도전재, 바인더, 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 울트라커패시터 전극용 조성물은 상기 울트라커패시터용 전극활물질, 상기 울트라커패시터용 전극활물질 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 울트라커패시터용 전극활물질 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 울트라커패시터용 전극활물질 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함할 수 있다. 상기 울트라커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 울트라커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 울트라커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.
전극을 형성하는 예를 보다 구체적으로 설명하면, 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5∼20 ton/㎠로 롤의 온도는 0∼150℃로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 프레스 압착 공정을 거친 울트라커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 울트라커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 울트라커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
또한, 전극을 형성하는 다른 예를 살펴보면, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 상기와 같은 공정을 거친 전극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 100℃∼250℃, 바람직하게는 150℃∼200℃의 온도에서 수행된다.
상기 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극을 이격되게 배치하고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시켜 울트라커패시터를 제조할 수 있다.
일 예로서 상기와 같이 제조된 울트라커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 울트라커패시에 유용하게 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 울트라커패시터의 사용 상태도로서, 상기 울트라커패시터 전극이 적용된 코인형 울트라커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 2에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 울트라커패시터는, 상술한 울트라커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 울트라커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 울트라커패시터에 충전되는 전해액은 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 것일 수도 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 울트라커패시터를 보여주는 도면으로서, 도 3 내지 도 6을 참조하여 울트라커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
상술한 울트라커패시터용 전극활물질, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.
상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다.
상기와 같은 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 울트라커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 울트라커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
상기 양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)(양극(120)과 음극(110))가 함침되게 전해액을 주입하고, 밀봉한다. 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체로 이루어진 것일 수도 있다.
이와 같이 제작된 울트라커패시터를 도 6에 개략적으로 나타내었다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
고온에서 사용시 높은 축전비용량과 분해전압이 높은 울트라커패시터용 전극 활물질을 제조하기 위하여 다음과 같이 실험을 진행하였다.
니켈 기판을 도 1에 도시된 바와 같은 원통형(원기둥 모양)으로 성형하여 활성화 반응기를 제작하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 활성화 반응기에 유입구(30), 배출구(40) 및 에탄올 연결부(70)를 설치하였다.
연소용 보트에 이온성액체인 디시아노메틸 피폴리디늄 테트라플루오로보레이트(dicyanomethyl pyrrolidinium tetrafluoroborate; [DCNPyr]BF4) 11g을 넣고 아르곤(Ar) 분위기로 800℃에서 1시간 동안 탄화시켰다.
탄화된 결과물과 KOH를 1:4 비율로 혼합한 후, 상기 활성화 반응기에 넣었다. 활성화 반응기의 유입구(30)로 비활성 기체를 계속 주입하면서 3℃/min 속도로 천천히 900℃의 온도까지 올리고, 1시간 동안 유지하여 활성화 처리를 수행하였다. 상기 비활성 기체는 아르곤(Ar)를 사용하였다.
활성화 처리된 결과물이이 담긴 활성화 반응기의 온도를 냉각하는 과정 중에 100℃에서 10분 동안 유지하면서, 에탄올 연결관을 통해 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 샤워를 시켜주었다.
활성화 반응기의 온도를 실온까지 내리고, 활성화 처리된 결과물을 묽은 염산(HCl) 수용액으로 중화 처리하고, 증류수로 세정하였다. 세정 후에는 80℃의 온도에서 12시간 동안 충분히 건조하여 울트라커패시터용 전극활물질을 얻었다.
<실험예 2>
전기화학 특성 분석을 하기 위해서 실험예 1에 따라 제조된 울트라커패시터용 전극활물질을 사용하여 울트라커패시터용 전극을 제조하였다. 이때, 1g 기준으로 전극활물질 0.9g, 카본블랙 종류인 슈퍼-피(Super-P)를 0.05g 사용하고, 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene)를 0.05g 사용하여 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분간 혼합하여 슬러리를 형성한 뒤, 상기 슬러리를 손반죽 한 다음, 롤프레스로 압연 공정을 실시하여 전극 형태로 성형하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 1~20 ton/㎠로 설정하였고, 롤의 온도는 0∼150 ℃로 설정하였으며, 회전 속도는 300 rpm으로 하였다. 상기 압연 후의 두께는 100∼300 ㎛로 하였다. 전극 형태의 성형물을 150℃의 진공 건조대에 넣고, 12시간 동안 건조하여 전극을 형성하였다.
상기 전극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 풀셀(Full cell) 조립하여 울트라커패시터를 제조하였다. 이때, 분리막으로 유리 파이버(glass fiber)를 사용하였으며, 전해액으로 EMIBF4(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)를 사용하였다.
<실험예 3>
상용 활성탄인 YP50F(KURARAY CHEMICAL)을 전극활물질로 사용하여 울트라커패시터용 전극을 제조하였다. 이때, 1g 기준으로 상용 활성탄인 YP50F 0.9g, 카본블랙 종류인 슈퍼-피(Super-P)를 0.05g 사용하고, 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene)를 0.05g 사용하여 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분간 혼합하여 슬러리를 형성한 뒤, 상기 슬러리를 손반죽 한 다음, 롤프레스로 압연 공정을 실시하여 전극 형태로 성형하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 1~20 ton/㎠로 설정하였고, 롤의 온도는 0∼150 ℃로 설정하였으며, 회전 속도는 300 rpm으로 하였다. 상기 압연 후의 두께는 100∼300 ㎛로 하였다. 전극 형태의 성형물을 150℃의 진공 건조대에 넣고, 12시간 동안 건조하여 전극을 형성하였다.
상기 전극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 풀셀(Full cell) 조립하여 울트라커패시터를 제조하였다. 이때, 분리막으로 유리 파이버(glass fiber)를 사용하였으며, 전해액으로 EMIBF4(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)를 사용하였다.
실험예 1에 따라 제조된 울트라커패시터용 전극활물질의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 및 전기화학 분석을 실시하였다.
아래의 표 1에 실험예 1에 따라 제조된 울트라커패시터용 전극활물질과 실험예 3에서 사용된 상용 활성탄인 YP50F에 대하여 XPS 분석 결과를 나타내었고, 도 8에 상용 활성탄인 YP50F와 실험예 1에 따라 제조된 울트라커패시터용 전극활물질의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 나타내었다.
구 분 상용 활성탄 YP50F 실험예 1
C1s 93.4 94.6
O1s 6.6 4.8
N1s - 0.6
실험예 2 및 실험예 3에 따라 제조된 울트라커패시터에 대하여 고온에서의 축전비용량, 주사속도에 따른 율 특성, 전압별 테트스(test) 등의 측정을 위하여 순환전류전압 곡선 특성 시험을 하였다. 측정을 위하여 사용된 장비는 Potentiostat (VSP, EC-Lab, France)를 사용하였으며, 140℃에서 1∼100 mV/s 주사속도로 충·방전을 실시하고, 그 결과를 도 9 및 도 10에 나타내었다. 도 9는 실험예 2에 따라 제조된 울트라커패시터에 대한 것이고, 도 10은 실험예 3에 따라 제조된 울트라커패시터에 대한 것이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 충·방전실시 결과, 이온성액체인 디시아노메틸 피폴리디늄 테트라플루오로보레이트를 탄화한 후 활성화하여 얻은 전극활물질을 사용하여 전극을 제조하고 이를 기반으로 실험예 2에 따라 울트라커패시터를 제조한 경우에 상용 활성탄인 YP50F를 전극활물질로 사용하여 실험예 3에 따라 울트라커패시터를 제조한 경우에 비하여 고온(140℃)에서 축전비용량이 높고 분해전압이 높은 것으로 나타났다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 활성화 반응기 20: 금속 기판
30: 유입구 40: 배출구
50: 배출조 60: 액체
70: 에탄올 연결부
110: 음극 120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
192: 가스켓

Claims (9)

  1. 디시아노메틸 피폴리디늄 테트라플루오로보레이트(dicyanomethyl pyrrolidinium tetrafluoroborate) 및 디시아노메틸 피페리디늄 트리플루오로 메탄 설포닐 이미드(dicyanomethyl piperidinium trifluoro methane sulfonyl imide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온성액체를 비활성 가스 분위기에서 탄화처리하는 단계;
    탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계; 및
    활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하여 울트라커패시터용 전극활물질을 얻는 단계를 포함하며,
    상기 탄화처리는 700∼900℃의 온도에서 수행하고,
    상기 활성화 처리하는 단계는,
    상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리를 혼합하는 단계; 및
    상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리의 혼합물을 활성화 반응기에 장입하고 비활성 가스 분위기로 700∼950℃의 온도에서 활성화 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄화 처리된 결과물과 상기 알칼리를 1: x (여기서, 1≤x≤8)의 중량비로 상기 활성화 반응기에 장입하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 활성화 처리하는 단계는,
    상기 탄화 처리된 결과물 및 상기 알칼리를 활성화 반응기 내에 장입하는 단계;
    상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하는 단계;
    상기 활성화 반응기 내의 온도를 700∼950℃의 온도까지 승온하여 활성화 처리가 이루어지는 단계; 및
    상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 결과물을 수득하는 단계를 포함하며,
    상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구를 통해 배출되게 하고,
    상기 배출구는 에탄올이 담긴 배출조에 연결되게 하며,
    상기 비활성 기체가 상기 배출조에 담긴 에탄올로 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 결과물을 수득하는 단계는,
    상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 80∼150℃의 온도에서 상기 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 결과물을 샤워시켜 주는 단계를 포함하며,
    상기 에탄올 증기는 상기 배출구를 통해 액체가 담긴 상기 배출조로 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법.
  8. 제1항에 기재된 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법을 이용하여 울트라커패시터용 전극활물질을 제조하는 단계;
    상기 울트라커패시터용 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
    상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; 및
    전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 울트라커패시터 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  9. 제8항에 기재된 울트라커패시터 전극의 제조방법에 의해 제조된 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며,
    상기 양극과 상기 음극을 이격되게 배치하고,
    상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하며,
    상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터의 제조방법.
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