KR102320946B1 - 슈퍼 커패시터 및 제조 방법 - Google Patents

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세르게이 빅토로비치 불리아르스키
드미트리 블라디미로비치 마르코프
레오니드 프로코페비치 시넬니코프
빅토르 니콜라에비치 니콜킨
세르게이 보리소비치 즐로카조프
알렉산드르 알렉산드로비치 드자넬리드제
프야체슬라브 빅토로비치 스베투킨
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Abstract

본 발명은 외부 전원에 의해 충전되지 않아도 전하를 축적 가능하며 외부 전원을 이용하지 않고 동작시간이 연장 가능한 장치를 제공한다. 이를 위해 슈퍼 커패시커는 밀봉된 보호용 하우징과 서로 전기적으로 절연된 제1, 제2 전극으로 구성된다. 이들의 전극 한쪽 또는 양쪽 모두는 하우징에서도 절연되어 있다. 셀의 간극과 전극의 간극과는 전해액으로 충족되어 있다. 제1 전극의 표면에는 동위체 C14를 포함한 탄소 함유 물질이 도포되어 있다. 슈퍼 커패시터 제조 방법은 탄소 함유 물질로 이루어진 표면층이 도포된 제1, 제2 전극을 준비하는 단계와, 이들의 전극이 밀봉된 하우징에 배치해 서로 전기적으로 절연하는 단계와, 제 1 전극의 표면상의 탄소 함유 물질층에 동위 원소 C-14를 도입하는 단계를 포함한다.

Description

슈퍼 커패시터 및 제조 방법{SUPERCAPACITOR AND METHOD OF ITS CONSTRUCTION}
본 발명은 전기 에너지의 축적 및 저장을 위한 전기 공학 분야에 속하며, 장기간 동안 전기 에너지의 생성, 변환, 축적 및 저장에 특히 마이크로 전자 장치 및 자율 전자 장치의 전원으로 사용될 수 있다.
전력 축적용으로서 알려진 장치(축전지, 배터리)는 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하고(충전), 반대로 화학 에너지를 전기 에너지로 변환한다(방전)라고 하는 이차전지의 원리를 이용하여 동작한다. 가장 일반적인 축전지는 납축전지이며, 하우징의 내부에 이산화납으로 이루어진 양극과 해면체상 납으로 이루어진 음극이 설치되어 있다. 양측 전극 사이의 공간은 전해액(전해질)인 황산 수용액으로 채워진다. 양극과 음극의 방전 과정에서 납 황산염으로 전환된다. 배터리가 작동 중일 때 이황화(bisulfation)라는 화학 공정이 생성된다. [Krusanovlev D. A. Batteries - Moscow City : Emerald, 2003.], [Kashtanov VP, Kingoful VV, Ukraine Schaeffer A. F. 외. Manual - Moscow City : USSR Military Press, 1983. - 148.]. 전해액 농도가 최대가 되면 충전이 끝난다. 황산 수용액 전해액은 최고치가 1.28 g/cm3이다. 방전이 끝날 무렵 농도는 1.08 - 1.10 g/cm3로 떨어지며, 그 후에는 다시 충전해야 한다.
제조 용이성과 상대적으로 저렴한 비용으로 이 장치는 전기 저장을 위한 가장 일반적인 저장 장치이다. 이 장치는 높은 에너지 밀도를 가지며 반복적으로 충전 및 방전될 수 있다.
이 장치의 단점은 충전을 위해 외부 전원 공급 장치가 필요하고, 또 장시간 충전, 전력 제한, 소량의 충전 및 방전 사이클이 필요하다는 것이다. 종종 이러한 장치의 수명은 10 년을 초과하지 않는다.
전기 축적 장치로 커패시터가 알려져 있다[Maxwell JC, 전자기장 및 자기장에 관한 논문 - 도빌, 1873. - 266 쪽 - ISBN 0-486-60637-6.], [B.М.Yarrow 알자스, А.А. 공학사 및 대학 물리학 핸드북 : -≪모스크바 과학 도시, 1968 년].
간단한 커패시터는 비 전도성 물질인 두 개의 유전체 레이어로 분리된 금속 플레이트로 구성된다. 커패시터 플레이트가 전기 에너지 원에 연결되면 전류가 흐르고 금속 플레이트에 양전하와 음전하가 축적된다. 커패시터가 충전되면 회로의 전류가 0이 된다. 커패시터가 에너지 원으로부터 분리되면, 저장된 전하는 변경되지 않은 채로 유지된다. 커패시터를 저항기에 연결할 때 커패시터의 방전 전류를 최대 부하까지 방전한다. 이 충 방전 사이클을 반복할 수 있다.
전하 저장과 같은 축전기의 장점은 손상되기 전에 배터리보다 제조의 용이성, 짧은 충전 시간, 더 큰 용량 및 더 많은 충전 및 방전 사이클을 제공한다는 것이다.
이 커패스터의 단점은 커패시터를 충전하기 위해 외부 전원이 필요하다는 것이다.
슈퍼 커패시터 또는 커패시터로 알려진 기존의 전력 축적 장치(축전 장치)가 알려져 있다[Conway BE Electrochemical Supercapacitors, 기술의 기본 및 응용 분야 : NY : Clavier 학술 인플레이션 보도 자료, 1999. [Advanced Polysilicon Solder Area 실리콘의 국부 산화 Physics and Nuclear Astrophysics., 2000, pp.77, 2421], [Patchratov DV et al.] 다중 벽 카본 나노 튜브와 전도성 폴리아닐린 복합체를 기반으로 한 유연한 얇은 슈퍼 커패시터 // 과학과 교육 현대 이슈. . - № 4.], [http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl8038579].
기본 구조로, 슈퍼 커패시터는 전도성 물질 플레이트, 즉 유기 또는 무기 전해질의 형태로 두 개의 전극을 가지고 있다. 슈퍼 커패시터 플레이트의 전기적 파라미터를 향상시키기 위해, 레이아웃은 또한 다공성 물질(일반적으로 활성탄)의 층으로 코팅될 필요가 있다. 슈퍼 커패시터 원리에 따르면 커패시터와 배터리라는 두 가지 장치가 결합되어 있다.
슈퍼 커패시터 에너지 저장은 두 가지 메커니즘으로 달성된다.
- 전극 - 전해질 계면에 의해 형성된 전기 이중층 막 용량에 기인하며, 이 경우의 용량은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112017131321586-pct00001
(1)
ε - 이중층의 상대 투자율, ε0 - 진공 투자율, - 전극의 특정 면적, d - 전기 이중층의 유효 두께.
- 전극과 전해질 사이의 가역적인 화학 반응에 의한 의사 용량에 기인한다. 이 경우, 전자의 축적은 패러데이 효과, 산화 반응에서의 전자 형성 및 전극 - 전해질 사이의 계면을 통한 전달이다. 이론적인 금속 산화물의 의사 용량은 다음 공식에 따라 계산할 수 있다.
Figure 112017131321586-pct00002
(2)
n - 산화 반응에서 유리된 전자의 수, F - 패러데이 상수, М - 금속 산화물의 몰 질량, V - 작동 전압 창.
또한, 이러한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 높은 안정성과 높은 용량 및 전력 밀도를 제공한다.
카본 나노 튜브(CNT:carbon nanotubes)는 이중 전기 층의 용량과 의사 용량의 양쪽 모두의 능력을 가지고 있다. CNT 특성과 전극의 생산 및 구성 방법에 따라 슈퍼 커패시터 비용량(supercapacitor specific capacity)은 달라진다. 슈퍼 커패시터 비용량은 350 F/g 에 도달할 수 있다[Chongfu Zhou. // 탄소 나노 튜브 기반 전기 화학 슈퍼 커패시터-2006, 고분자, 섬유 및 섬유 공학 학교, Georgia Institute of Technology.-P-18], 용량을 향상시키기 위해 슈퍼 커패시터의 특성, 소위 CNT 기능화가 수행되며, 이는 원자, 라디칼 및 작용기를 CNT 구조에 이식하는 특별한 처리가 이루어진다. 예를 들어, CNT 기능화 COOH 그룹을 사용하면 커패시터의 특정 용량이 0.25 F/g에서 91.25 F/g로 증가한다[Christopher M. Anton, Matthew H. Ervin // 탄소 나노 튜브 기반 플렉시블 슈퍼 커패시터-Army Research Laboratory, 2011. -P 7]. CNT 기반 슈퍼 커패시터의 특정 용량의 현재 달성된 최고 값은 396 F/g이다[http://scsiexplorer.com.ua/index.php/osnovnie-ponyatiya/1201-superkondensator.html]. 이 특성은 지속적으로 증가하고 500 F/g에 도달했다는 정보도 있다.
현재, 대부분의 상업용 슈퍼 커패시터의 전극은 다양한 변형된 탄소 함유 물질(흑연, 활성탄, 카본 나노 튜브, 풀러렌, 그라핀, 그을음(soot), 탄소 복합체 등)로 만들어지며, 이들은 모두 값 싸고 좋은 물질이다. 카본 나노 튜브(CNT)는 활성탄에 비해 부식 방지 성능과 전도성이 우수하다. 슈퍼 커패시터는 충전/방전 시 전극 표면과 전극 물질의 대부분이 화학 반응을 누설하지 않아 안정된 주기성과 긴 수명을 갖는 탄소를 기반으로 하며, 전기 이중층에 의해 전하가 축적된다.
카본 나노 튜브(CNT) 슈퍼 커패시터의 장점은 다음과 같다 :
- 고전력 커패시터와 비교할 때 배터리보다 높은 비 용량(specific capacity).
- 더 긴 수명, 충전 및 방전 저항이 최대 106 사이클까지 견딜 수 있으며, 용량이 감소하지 않는다.
배터리와 마찬가지로 슈퍼 커패시터의 주요 단점은 충전을 위한 외부 전원 공급 장치가 필요하다는 것이다.
영국의 물리학자 헨리 모즈레이(Henry Moseley)에 의해 1913년에 발명된, 방사성 동위체를 이용한 전기 에너지원(Beta Cell)이 알려져 있다. 그것은 중간에 절연된 전극에 라듐 염이 들어있는 내부에 은도금한 유리 플라스크(glass retort)였다. β붕괴로 방출된 전자는 유리 구슬의 은층과 라듐 염을 함유한 전극 사이에 전위차를 만들었다. 진공 플라스크에 의해 증가된 유한 전압 가스 분해는 모즈레이 셀이 고전압으로 충전되게 했다.
방사능 알파(α) 또는 베타(β) 붕괴에 의해 생성된 전기를 수신하기 위한 알려진 장치 [특허 RU 2113739 C1]에는 2 개의 폐쇄 수냉식 또는 공기 금속형 케이싱(이미터 및 컬렉터)이 포함되며, 이들 중 한쪽은 다른 한쪽 안에 놓여져 있고 이들의 간극은 10-5 - 10-6mmHg의 진공이다. 여기서 방사성 물질은 에미터에 코팅되어 있으며, 간격과 콜렉터에 면한 두께가 25 - 100μm인 금속층 형태로 적용된다. 에미터와 콜렉터 사이에 금속 망을 배치하고, 고압 트랜스포머의 2차 권선에 전기적으로 접속하여, 50㎐의 상용 주파수로 공급하고, 에미터와 콜렉터를 제 2 트랜스의 고전압 1차 권선에 전기적으로 접속한다. 2차 권선은 에너지 소비자에게 연결된다. 이 장치는 영구적으로 충전 가능한 축전기이며, 충전 전류는 에미터 수집기의 입자 흐름에 의해 결정된다.
이 장치의 단점은 방사능 붕괴 입자를 완전히 억제하기 위해 그리드 전압의 크기를 조정하기 위해 외부 에너지 원에 대한 필요성 외에도 에미터와 컬렉터 간격 사이에 진공을 유지할 필요가 있다는 것이다.
프로토 타입 성능
슈퍼 커패스터(supercapacitors)의 구조는 카본 나노 튜브로 만들어진 과잉 응축된(supercondensed) 커패시터에 전극이 있는 것처럼 작동한다[Wolkovich et al. 카본 나노 튜브를 기반으로 하는 전기 화학적 슈퍼 커패시터. // 일렉트로 다이내믹 엔지니어링. 제 8 권, 2008 년, No.2, 106-110쪽을 참조]. 시제품(프로토 타입)의 작동 전극은 베이스 층에 균일하게 부착하는 방법으로 만들어지며, 베이스는 컴팩트 흑연 분말이며 전기 아크(arc) 방법으로 합성된 나노 튜브로 만들어진다. 농도 35 중량 %의 황산 용액 (밀도 1.26g/㎤)을 전해액으로서 사용하였다. 카본 나노 튜브의 가공성을 향상시키기 위해, 전해액에 1.1V의 전위를 유지함으로써 친수화된다. 시제품은 더 넓은 작동 전위(1.4 V 이상)와, 약 20 kW/kg의 비출력(specific power) 및 1 W/kg 이하의 비 에너지(specific energy)를 갖는다.
프로토 타입(시제품)과 같은 제품은 슈퍼 커패시터를 충전하기 위해 외부 전원 공급 장치가 필요하다는 단점이 있다.
[특허문헌1] 러시아 연방 특허 제 2113739호
[비특허문헌1] D.A. Khrustalev, "Accumulators," Moskow, Izumrud, 2003 [비특허문헌2] V.P. Kashtanov, V.V. Titov, A.F.Uskov, 외, "Lead Starter Storage Batteriers, Guidance," Moskow, Voenizdat, 1983, 148 pp [비특허문헌3] J.C. Maxwell, "A Treatise on Electricity and Magnetism," Dover, 1873, P.266, ISBN 0-486-60637-6 [비특허문헌4] B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf, "Handbook on Physics for Engineers and Students of Higher Education Institutes," Moskow, Nauka, 1968 [비특허문헌5] B.E. Conway, "Electrochemical Supercapacitors," Scientific Fundamentals and Technological Applications, N.Y., Kluwer Academic Plenum Publ., 1999 [비특허문헌6] Appl. Phys. Lett., 2000, 77, p.2421 [비특허문헌7] D.V. Pankratov, 외, "Flexible thin supercapacitor based on the composite from multiwalled carbon nanotubes and electroconductive polyaniline," The Modern Problems in Science and Education, 2012, No.4
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 외부 전원을 필요로 하지 않고 전기 에너지를 축전하는 장치를 구성하는 것이다.
또 다른 기술적인 문제는 외부 전원을 사용하지 않고 장치의 작동 시간을 늘리는 것이다.
도 1은 자체 충전 슈퍼 커패시터의 구조이다.
도 2(a, b)는 연구된 슈퍼 커패시터 셀의 구조(a)와 외관(b)을 보여주는 도면이다.
도 3은 방사능이 1.74, 6.0 mCi와 동일한 C-14를 포함한 아닐린 하이드로 클로라이드를 가지는 셀의 동적 충전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 방사능이 1.74 mCi와 동일한 C-14를 포함한 아닐린 하이드로 클로라이드를 가지는 셀의 방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 증류수로 충족된 내부에 놓여져 방사능이 1.74mCi와 동일한 C-14를 포함한 아닐린 하이드로 클로라이드가 함침된 기판 위에 CNT의 배열을 가지는 셀의 충전 특성(a)과 방전 특성(b)을 보여주는 그래프이다.
도 6은 방사능이 6.0 mCi와 동일한 C-14를 포함한 아닐린 하이드로 클로라이드와 0.1 N의 H2SO4인 전해액을 가지는 셀의 충전 특성(a)과 정상 상태의 부하 10 kΩ로의 방전 특성(b)을 보여주는 그래프이다.
도 7은 방사능이 6 mCi와 동일한 C-14를 포함한 아닐린 하이드로 클로라이드와 0.1 N의 H2SO4인 전해액을 가지는 셀의 충방전 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 방사능이 6 mCi와 동일한 C-14를 포함한 아닐린 하이드로 클로라이드와 0.01 N의 NaOH인 전해액을 가지는 셀의 충전 특성(a)과 정상 상태의 부하 10 kΩ로의 방전 특성(b)을 보여주는 그래프이다.
도 1은 자체 충전 슈퍼 커패시터의 구성을 보여준다. 그것은 방사성 동위체 C-14 (2)를 함유한 일련의 카본 나노 튜브(CNT)가 있는 금속 기판 (1)으로 구성된다. 금속 기판은 외부 포트(5)와 함께 하부 전극(4)과 접촉하는 불소 수지 하우징(배터리 케이스)(3)에 배치된다. 세퍼레이터(6)는 상이한 전극의 기계적 접촉을 방지하고 캐소드 및 프리 - 애노드 전해질의 혼합을 어렵게 하기 위해 활성의 금속 기판 상에 제공된다. 배터리 케이스는 전해액(7)으로 채우고 플라스틱 캡(8)으로 덮는다. 전해액과 접촉하는 제 2 전극(9)이 캡에 부착된다. 캡(덮개, 8)은 배터리 케이스를 밀봉한다.
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도 2 (a, b)는 아날로그 프로빙 슈퍼 커패시터의 셀(배터리)의 구조와 외관을 보여주고 있다. 배터리는 스테인레스 스틸로 만들어진 하우징(10)과 캡(덮개,12), 내부 불소 수지 쉘(13) 및 불소 수지 와셔(15)로부터 절연된 전극 콜렉터(14)로 구성된다. 연구중인 작동 전극(18)은 기판(베이스)의 형태를 하고 있고, 고무 링(16)으로 지지시키고, 불소 수지 부싱(17)으로 단단히 압착된다. 단자가 있는 전선은 나사와 스프링 접점을 사용하여 기판의 아래쪽에서 연결된다. 셀(전지, 배터리)은 전극 콜렉터(14)의 관통구멍(14a)을 통해 전해액이 충전되며, 이 전해액으로는 배터리 분야에서 통상 사용되는 산성 용액 H2SO4 또는 HNO3, 또는 알칼리성 용액 NaOH 또는 KOH, 또는 염 용액 KCl, NaCl, KNO3, Na2SO4가 사용된다.
기하학적 치수가 주어지면, 노출된 기판의 외관 면적은 0.5cm2이고, 건전지 커패시턴스(정전용량)는 82pF였다.
카본 나노 튜브가 있는 기판에는 나노 튜브에 반복적으로 부착된 동위체(동위 원소) C-14를 함유한 염산 아닐린의 알콜 용액이 도포되었다. 도포된 동위체의 활성은 계산에 의해 결정된다. 침지 시약 전후의 기판의 중량을 측정하고, 열량 측정법에 의해 측정된 비(比)-방사능 특성을 사용한다. 이러한 방식으로 측정된 C -14 동위체(동위 원소) 활동은 2 개의 상이한 단일 유형의 기질에 대해 1.74 및 6 mCi(밀리 큐리)가 되었다. 추가 측정(기판으로부터의 β선량의 측정값은 0.8×105 및 2.25×105 /분·cm2와 동일).
슈퍼 커패시터 셀의 전기적 성능에 대한 연구는 디지털 나노 전압계 Ⅲ-31(건조 및 전해액으로 채워진 셀의 측정)과 특별히 준비된 자동 측정을 사용하여 수행되었다. 아날로그-디지털 모듈 ADAM 4017+를 기반으로 하는 시스템은 자동 모드 (전해액으로 채워진 셀)에서 장기 측정을 용이하게 하였다.
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본 발명의 구현은 하기 실시 예에 의해 예시된다.
예제 1.
카본 나노 튜브(CNT) 배열의 형태를 한 피복이 기판 위에 미리 형성된 단일면 코팅은 ~ 10 μm 두께이며, 동위체 C-14가 탄소 원자의 수를 나타내는 아닐린 하이드로 클로라이드 알코올 용액에 함침되었다. C-14 전체의 활성(1.74 및 6.0 mCi의 동일)은 건조 기판의 질량에 의해 결정된다. 기판은 상기 구조 셀 내에 배치되었으며, 이 셀의 전압이 동위체 C-14의 β 붕괴에 의한 전하로서 기록되었다. 건조한 셀의 충전 특성은 도 3에 나타나 있다.
셀의 충전은 음전하인 전자가 방출되는 결과, CNT를 포함한 기판이 양전하를 획득함으로써 진행된다. 셀은 꼬박 하루에 걸쳐 충전되고 그 전압이 약 400 mV에 도달한 후, 부하 저항에 방전하는 동안, 그 전압이 기록되었다. 셀의 방전은 10 kΩ 저항기에서는 수분의 1초간 수행되었고, 47 MΩ 저항기에서는 몇 분간 수행되었다. 후자의 경우, 방전 특성은 도 4의 그래프로 표시하였다.
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10분 동안 지속되는 셀 방전의 초기 기간에서 방전 곡선은 지수 특성을 갖는다. 그런 다음 지수에서 심각한 편차가 발생하며, 정상 상태에서 방전 곡선은 방전 속도가 배터리 충전과 같을 때 전류가 기판상의 베타(β) 전력 활동에 의해 결정되는 일정한 레벨에 도달한다.
위의 실험은 건전지가 베타(β) 붕괴 전자에 의해 직접 대전될 때 붕괴 전자의 일부만이 전극 콜렉터에 도달하는 충전 과정에 참여하기 때문에 비효율적이라는 것을 보여준다. 또한, 베타 붕괴 전자의 일부는 기판의 양전하를 보상하고 기판상의 카본 나노 튜브(CNT)에 의해 흡수된다.
예제 2
1.74 mCi에 해당하는 C-14 활성의 기질을 가진 세포를 건전지 충전/방전 실험 후 증류수로 채우고, 셀 충전/방전 특성을 측정하였다.
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배터리 전압 변화 및 10 kΩ 부하 저항에서의 방전 전류의 동적 특성은 도 5에 나타나 있다.
물을 채운 후 약 20 시간 이내의 초기 단계에서는 순수한 물의 이온 전도도가 낮기 때문에 전지 효율이 낮다. 이 단계에서 배터리 전압의 대부분은 50 mV를 초과하지 않는다. 아닐린 하이드로 클로라이드의 일부가 기판으로부터 물에 용해되어 추가 이온을 형성한 후, 셀 상의 전압은 다음 10-12 시간에 걸쳐 점진적으로 증가하였다. 안정 모드(정상 상태)에서 셀(배터리)의 전압은 일정하며, 약 300mV의 일정한 값에 접근하여 안정화하고, 배터리에 물이 있으면 해당 수준으로 유지된다. 이 단계에서 10 kΩ 저항의 셀 부하 전류는 약 1μA / cm2로 안정화 되었다(도 5b 참조).
실험에 따르면, C-14를 포함한 카본 나노 튜브(CNT) 배열을 가지는 컨버터 또는 전기 에너지 저장 장치에서는 증류수가 충전된 셀은 물이 없는 동일한 셀보다 훨씬 효율적이다.
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예제 3
실시 예 1에 기재된 바와 같이, 방사능 6 mCi의 C-14를 포함한 아닐린 하이드로 클로라이드 알콜 용액이 함침된 CNT 배열을 갖춘 기판을 가지는 셀은 증류수를 충전한 상태에서 충방전의 실험이 이루어진 후에 건조되고, 그 후 그 셀에는 전해액 0.1N의 H2SO4가 충전되었다.
셀에서 전압의 변화는 도 6a에 제시된 시간 다이어그램으로 특징지어지며, 정상 상태의 10kΩ 부하에서 방전 전류 다이나믹(역학)은 도 6b에 표시되어 있다.
초기 방전 전류는 4μA/cm2에 도달한 후 1μA/cm2 까지 떨어졌고, 중간 기간에서는 1.5μA/cm2에 도달하였다. 또한 그래프에서 방전 곡선의 끝 부분은 전류가 0으로 감소함을 보여주며, 이것은 밀봉되지 않은 셀에서 물의 증발(또는 방사선 분해)한 것에 관련된다.
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도 7에는, 10 kΩ 저항을 사용할 때의 셀의 "충방전" 동작이 나타나 있다.
그래프에서 알 수 있듯이, 부하 저항 10 kΩ가 셀에 접속된 순간으로는 방전 전류(곡선 2)가 최대값 4-9μA/cm2에 도달하고, 그 후의 몇초간에 2μA/cm2까지 감소한다. 부하 저항이 분리되었을 때, 셀의 전압(곡선 1)이 내부의 충전 동작에 의해 상승하여, 2초가 경과하기까지는 50-70 mV에 도달하고, 5초간의 사이클 완료 시에는 90-100 mV까지 도달한다.
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예제 4
상기 실시 예 2에서 설명한 바와 같이, 0.1 n H2SO4로 셀에서 충방전 실험을 수행한 후, 6mCi와 동일한 C-14 활성을 갖는 아닐린 하이드로 클로라이드가 함침 된 CNT 어레이가 있는 기질을 가진 셀을 건조시켰다. 그 다음 전해액 0.01 n NaOH로 채워졌다.
셀에서 전압의 변화는 도 8a와 같은 시간 동역학을 가지며, 10kΩ 부하 안정화 시의 방전 전류 동역학은 도 8b에 나타나 있다.
0.01 n NaOH 전해액을 가진 셀에서는, 0.1 n H2SO4 전해액이 있는 셀처럼 β붕괴의 에너지에 의한 전기 이중층의 자기 충전이 발생해 최대 약 300mV의 정상 레벨에 도달한다. 부하 10 kΩ로의 방전 전류는 초기로는 최대 18μA/cm2까지 증가하고, 그 후 정상값 약 40μA/cm2에 도달할 때까지 부드럽게 감소한다.
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따라서, 전기 화학 셀(C-14 방사성 동위 원소를 함유하는 카본 나노 튜브 어레이를 갖는 기판 기반 전극을 포함하는 셀)을 사용하는 실험에서, 자체 충전 슈퍼 캐패시터의 작동이 입증되었다. 이 장치는 외부 전원 공급이 없이도 여러 번(다중) 충전 및 방전을 제공할 수 있다.
상기 정보는 본 발명의 사용 시 다음 조건을 준수해야 함을 나타낸다 :
- 슈퍼 커패시터로서의 장치는, 본 발명의 사용을 구현할 수 있고, 외부 전원 공급 없이 전기 에너지를 축적하고 저장할 수 있다.
- 슈퍼 커패시터 충전 장치는 5,700 년 반감기의 C-14 동위 원소 베타(β) 붕괴를 사용한다. 장치가 밀봉 될 때, 내식성 합금으로 제조된 전극 물질 및 전지 케이스(하우징)의 소비는 최소화되고, 전해액은 소비되지 않는다.
- 사용된 장치 및 그 제조 방법은 발명의 정의의 규정에 따라 수행되어야 한다. 본 발명을 구현할 수 있는 가능성은 청구항에 기술된 또는 우선권 일자 이전에 잘 알려진 방법으로 결정될 수 있다.
- 본 발명의 구현에 적용된 장치는 예상되는 기술적 결과의 달성을 보장할 수 있다.
본 발명의 장점은 다음과 같다 :
β(베타) 붕괴 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 높아져 유사 기술에 비해 발전된 전류 및 전력 에너지가 증가한다.
C-14 동위체(활동 단위당)가 가능하고 실행 가능하며, 단순화된 구성 및 장치 제조 프로세스에 의존하는 C-14 동위체의 적용은 전원 공급 장치의 제조 비용을 감소시킨다.
제안된 장치는, 카본 나노 튜브 어레이로 전극을 코팅하기 위해 전극 장착 슈퍼 커패시터 공정을 사용하는 기존의 휴대 전화 배터리 전원 제조의 경험을 사용하여 구현될 수 있다.
따라서 본 출원 발명은 "산업적 이용 가능성"의 조건을 충족시킨다.
기술 성과의 성취
특징 1은 작동 전극이 카본 나노 튜브 어레이를 갖는 기판인 슈퍼 커패시터를 사용하여 방사성 β의 붕괴 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것으로 구성된다.
특징 2는 동위체(동위 원소) C-14의 화합물 또는 동위체 C-14로 제조된 카본 나노 튜브의 용액에 카본 나노 튜브 어레이를 갖는 기판을 함침시키는 것이다.
특징 3은 카본 나노 튜브 어레이를 갖는 기판이 개별적인 나노 튜브와 전해액(전해질) 사이의 경계면에 형성된 이중층이, 분리를 위한 폐쇄된 전하의 생성을 위한 비대칭 장벽으로 전해액에 배치된다는 것이다. 효과적인 충전 분리기의 역할을 수행하지만 또한 전기 에너지 저장 장치의 역할을 한다.

Claims (10)

  1. - 밀폐된 보호용 하우징과,
    - 상기 하우징 안에 놓여진 서로 전기적으로 절연된 한쌍의 전극들로서, 한쪽 또는 양쪽 모두가 상기 하우징에서도 전기적으로 절연되어 있고 동위체 C-14를 포함하는, 카본 나노튜브(CNT) 어레이, 풀러렌, 그라핀(Grapfen), 그을음(soot), 흑연, 또는 이들의 혼합물 배열 형태인 제1(작용) 전극과 제2(보조) 전극과,
    - 셀의 자유 공간과 상기 전극들 사이의 공간을 충진하고 있는 전해액을 구비하며,
    - 동위체 C-14를 가지는 탄소 함유 물질이 상기 제 1 전극의 표면에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터.
  2. 제 1항에 있어서, 카본 나노튜브(CNT) 어레이, 풀러렌, 그라핀, 그을음, 흑연, 또는 C-14 동위 원소를 함유하는 이들의 혼합물의 배열 형태의 탄소 함유 물질이 제 1 전극의 표면에 도포 적용되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터.
  3. 제 1 항에 있어서, 세퍼레이터가 상기 전극들 사이에 제공되고, 마주보는 상기 전극들끼리의 기계적 접촉을 방지하고, 양극과 음극 사이에서의 전해액의 혼합을 방해하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1(작용) 전극과 제2(보조) 전극은 실리콘(규소), 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 지르코늄 또는 이들 물질에 기반하는 합금 또는 내식성 강철로 제조되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터.
  5. 제 1 항에 있어서, 방사성 핵종 H-3, Ni-63, Sr-90, Kg-85, At-241, Ac-227, Th-229가 CNT의 표면에 도포 형성되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터.
  6. 제 1항에 있어서, 산성 용액 H2SO4 또는 HNO3, 또는 알칼리성 용액 NaOH 또는 KOH, 또는 염 용액 KCl, NaCl, KNO3, Na2SO4가 전해액으로서 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터.
  7. 슈퍼 커패시터 제조방법으로서,
    - 제 1 전극 및 제 2 전극을 준비하는 단계;
    - 제 1 전극에 탄소 함유 물질의 코팅을 부착하는 단계;
    - 상기 제 1 및 제 2 전극을 밀봉된 하우징에 서로 정렬 배치시키고 서로 전기적으로 절연시키는 단계;
    - 상기 하우징을 전해액으로 충전하는 단계를 구비하고,
    - 상기 제 1 전극 표면에 도포된 탄소 함유 물질 층에 동위체 C-14가 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 전극의 표면상의 상기 탄소 함유 물질 층은 풀러렌, 그라핀, 카본 블랙, 흑연 또는 이들의 혼합물의 카본 나노 튜브(CNT)로 형성된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조방법.
  9. 청구항 4에 기재된 슈퍼 커패시터를 제조하는 방법으로서, 상기 제 1 전극의 표면상의 탄소 함유 물질의 층은 자연계에 존재하는 C-12의 동위체를 포함한, 카본 나노튜브(CNT), 풀러렌, 그을음(soot), 흑연, 또는 이들의 혼합물 배열로서 형성되고, 상기 탄소 함유 물질의 층에는 동위체 C-14를 포함한 화합물이 함침되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, C-14 동위체를 갖는 아닐린 염산염의 알코올 용액이 상기 제 1 전극 표면상의 탄소 함유 물질 어레이의 함침을 위한 화합물로 사용되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조 방법.
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