KR102366927B1 - Manufacturing method for porous electrode, porous electrode thereby and super capacitor comprising the porous electrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 전극의 제조방법, 그의 제조방법에 의해 제조된 다공성 전극 및 다공성 전극을 포함하는 슈퍼 커패시터에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조방법은, 기판 상에 전이금속으로 제1 전기도금하는 단계; 및 상기 전이금속 도금된 기판을 제2 전기도금하는 단계;를 포함한다.The present invention relates to a method for manufacturing a porous electrode, a porous electrode manufactured by the method, and a supercapacitor including the porous electrode, wherein the method for manufacturing a porous electrode according to an embodiment of the present invention comprises a transition metal on a substrate A first electroplating step; and performing a second electroplating of the transition metal-plated substrate.

Description

다공성 전극의 제조방법, 그의 제조방법에 의해 제조된 다공성 전극 및 다공성 전극을 포함하는 슈퍼 커패시터{MANUFACTURING METHOD FOR POROUS ELECTRODE, POROUS ELECTRODE THEREBY AND SUPER CAPACITOR COMPRISING THE POROUS ELECTRODE}A porous electrode manufacturing method, a porous electrode manufactured by the manufacturing method, and a supercapacitor comprising a porous electrode

본 발명은 다공성 전극의 제조방법, 그의 제조방법에 의해 제조된 다공성 전극 및 다공성 전극을 포함하는 슈퍼 커패시터에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a porous electrode, a porous electrode manufactured by the method, and a supercapacitor including the porous electrode.

최초의 전기 화학 에너지 저장에 도입된 이래로, 산화물 및 황화물 전극 재료를 갖는 슈퍼 커패시터는 에너지 전달 시스템의 유망한 후보로 여겨져 왔다. 대안으로, 산화물 및 황화물 전극 재료를 사용하는 대신, 순수한 금속 재료는 다가 양이온 및 높은 전기 전도성으로 인해 이전 전극 재료보다 전기화학적 에너지 저장 성능이 더 우수 할 수 있다. 주요 금속 순수 커패시터는 금속 양이온의 산화 상태에 기초하여 다중 충/방전 전자를 유도할 수 있으며, 이는 높은 에너지 밀도를 유발할 수 있다. 금속 전극은 가역적인 산화-환원 반응(redox-reactions) (금속 양이온과 금속 전극 사이의 금속 증착 및 용해 반응)에 의해 사이클링 안정성이 우수하다. 마지막으로, 금속 전극의 높은 전도성은 또한 전체 에너지 저장 성능을 증가시킬 수 있다.Since their first introduction to electrochemical energy storage, supercapacitors with oxide and sulfide electrode materials have been considered promising candidates for energy transfer systems. Alternatively, instead of using oxide and sulfide electrode materials, pure metal materials may have better electrochemical energy storage performance than previous electrode materials due to polyvalent cations and high electrical conductivity. Primary metal pure capacitors can induce multiple charge/discharge electrons based on the oxidation state of metal cations, which can lead to high energy densities. Metal electrodes have excellent cycling stability due to reversible redox-reactions (metal deposition and dissolution reactions between metal cations and metal electrodes). Finally, the high conductivity of the metal electrode can also increase the overall energy storage performance.

다양한 금속 전극 후보 중에서, Zn2+ 전해질 이온을 갖는 아연(Zn) 금속 전극-이온 슈퍼 커패시터(Zinc (Zn) metal electrode-ion supercapacitors; ZICs)는 아연 음극, 활성탄 양극, ZnSO4 전해질, 분리막으로 구성된다. 특히, 아연은 매우 안전한 재료이며 동시에 저비용 및 환경 친화적임으로 전기화학 커패시터에 유망한 후보이다. 아연-이온 커패시터의 에너지 저장 메커니즘은 음극에서 아연 전극으로의 아연-이온의 증착 및 탈리가 이루어지고, 양극에서는 활성탄 전극 표면에 이온의 흡착 및 탈착이 이루어진다. 따라서, 음극에서의 산화 환원 반응과 양극에서의 전기이중층 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 소자이다. 특히, 아연 이온은 이론 용량이 높고 전해질과의 호환성이 우수하여 커패시터의 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 달성할 수 있다.Among the various metal electrode candidates, Zinc (Zn) metal electrode-ion supercapacitors (ZICs) with Zn 2+ electrolyte ions consist of zinc anode, activated carbon anode, ZnSO 4 electrolyte, and separator. do. In particular, zinc is a promising candidate for electrochemical capacitors as it is a very safe material and at the same time is low cost and environmentally friendly. In the energy storage mechanism of the zinc-ion capacitor, the deposition and desorption of zinc-ions from the cathode to the zinc electrode are performed, and the adsorption and desorption of ions from the surface of the activated carbon electrode at the anode are performed. Therefore, it is a device that stores energy using the redox reaction at the cathode and the electric double layer reaction at the anode. In particular, zinc ions have high theoretical capacity and excellent compatibility with electrolytes, so that high energy density and long lifespan of capacitors can be achieved.

이러한 매력적인 장점에도 불구하고, 아연 전극의 평평한 표면은 높은 전류 밀도에서의 충·방전 과정 동안 전기 화학 반응에 바람직하지 않은 긴 아연 이온의 확산 경로로 인해 낮은 전력 및 에너지 밀도를 초래한다.Despite these attractive advantages, the flat surface of zinc electrodes results in low power and energy densities due to long zinc ion diffusion paths that are undesirable for electrochemical reactions during charge and discharge processes at high current densities.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 충·방전 과정 동안 전기화학 반응 면적의 증가 및 아연 이온의 확산경로를 감소시켜 아연 이온 슈퍼 커패시터를 위한 전극으로 적합한 2차원 및 단계적으로 나노 구조화된 다공성 전극의 제조방법, 그의 제조방법에 의해 제조된 다공성 전극 및 다공성 전극을 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to increase the electrochemical reaction area and reduce the diffusion path of zinc ions during the charge/discharge process, thereby making it suitable as an electrode for a zinc ion supercapacitor in two dimensions and It is to provide a method for manufacturing a porous nano-structured electrode step by step, a porous electrode manufactured by the method, and a supercapacitor including the porous electrode.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조방법은, 기판 상에 전이금속으로 제1 전기도금하는 단계; 및 상기 전이금속 도금된 기판을 제2 전기도금하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a porous electrode according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: performing first electroplating on a substrate with a transition metal; and performing a second electroplating of the transition metal-plated substrate.

일 실시형태에 있어서, 상기 기판은 Ni 폼(Ni-foam), 탄소-함유 기판 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment, the substrate may include Ni-foam, a carbon-containing substrate, or both.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소-함유 기판은, 탄소 섬유, 활성탄, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 케쳔 블랙, 슈퍼-P(Super-P), 미세 흑연분말, 탄소나노튜브(CNT), 섬유상의 탄소인 휘스커, 증기성장 탄소 섬유(VGCF), 그래핀 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon-containing substrate, carbon fiber, activated carbon, carbon black, acetylene black, furnace black, ketchup black, super-P (Super-P), fine graphite powder, carbon nanotubes (CNT), It may include at least one selected from the group consisting of fibrous carbon whiskers, vapor-grown carbon fibers (VGCF), graphene, and graphite.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 전기도금 하는 단계는, 0.5 V 내지 2 V의 전압을 10 초 내지 60 초 동안 인가하는 것일 수 있다.In one embodiment, in the first electroplating step, a voltage of 0.5 V to 2 V may be applied for 10 seconds to 60 seconds.

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 전기도금 하는 단계는, 0.5 V 내지 2 V의 전압을 300 초 내지 500 초 동안 인가하는 것일 수 있다.In one embodiment, the second electroplating step may be to apply a voltage of 0.5 V to 2 V for 300 seconds to 500 seconds.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 전기도금 단계는, 상기 전이금속의 시드를 핵 형성시키는 것일 수 있다.In one embodiment, the first electroplating step may be to nucleate the seeds of the transition metal.

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 전기도금 단계는, 상기 핵 형성된 시드를 결정 성장시키는 것일 수 있다.In an embodiment, the second electroplating step may be to crystallize the nucleated seed.

일 실시형태에 있어서, 상기 전이금속은, 아연(Zn), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 철(Fe), 코발트(Co) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the transition metal is zinc (Zn), platinum (Pt), copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag), chromium (Cr), aluminum (Al), iron (Fe) , may include at least one selected from the group consisting of cobalt (Co) and ruthenium (Ru).

본 발명의 다른 실시예에 따른 다공성 전극은, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조방법에 의해 제조된다.A porous electrode according to another embodiment of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a porous electrode according to an embodiment of the present invention.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극은 다공성 상호 연결된 2차원 나노 기공을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the porous electrode may include porous interconnected two-dimensional nanopores.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극의 비표면적이 50 m2/g 내지 3000 m2/g인 것일 수 있다.In one embodiment, the specific surface area of the porous electrode may be 50 m 2 /g to 3000 m 2 /g.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극의 기공 직경은 10 nm 내지 500 nm인 것일 수 있다.In one embodiment, the pore diameter of the porous electrode may be 10 nm to 500 nm.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극은 플랫형, 섬유형 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the porous electrode may be a flat type, a fiber type, or one including both.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 슈퍼 커패시터는, 본 발명의 일 실시예 따른 다공성 전극을 포함하는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드 및 상기 애노드 사이에 채워지는 전해질;을 포함한다.A supercapacitor according to another embodiment of the present invention includes: a cathode including a porous electrode according to an embodiment of the present invention; anode; and an electrolyte filled between the cathode and the anode.

일 실시형태에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는, 0.5 A g-1 전류밀도에서, 400 F g-1 내지 500 F g-1의 커패시턴스를 가지고, 20.0 A g-1 전류밀도에서, 100 F g-1 내지 200 F g-1의 커패시턴스를 가지는 것일 수 있다.In one embodiment, the supercapacitor has a capacitance of 400 F g -1 to 500 F g -1 at a current density of 0.5 A g -1 and 100 F g -1 at a current density of 20.0 A g -1 to 200 F g -1 may have a capacitance.

일 실시형태에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는, 1 내지 10,000의 정전류 충방전 사이클(galvanostatic charge-discharge cycles)에서 98 % 이상의 커패시턴스 유지율을 가지는 것일 수 있다.In one embodiment, the supercapacitor may have a capacitance retention of 98% or more in 1 to 10,000 galvanostatic charge-discharge cycles.

일 실시형태에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는 아연 이온 슈퍼 커패시터인 것일 수 있다.In one embodiment, the supercapacitor may be a zinc ion supercapacitor.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조방법은, 단계적 전기도금 방법을 이용하여 2차원 및 단계적 나노구조화된 다공성 전극을 형성할 수 있다.In the method of manufacturing a porous electrode according to an embodiment of the present invention, a two-dimensional and stepwise nanostructured porous electrode can be formed using a stepwise electroplating method.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극은 다공성 구조 및 네트워크 구조를 동시에 지니는 2차원 구조를 포함하여 전기화학 반응 면적을 증가시킬 수 있다.The porous electrode according to an embodiment of the present invention may include a two-dimensional structure having a porous structure and a network structure at the same time to increase the electrochemical reaction area.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터는, 다공성 구조와 네트워크 구조를 동시에 포함하는 2차원 구조를 포함하여 우수한 에너지 저장용량 및 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있다.The supercapacitor according to an embodiment of the present invention may exhibit excellent energy storage capacity and energy storage performance by including a two-dimensional structure including a porous structure and a network structure at the same time.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 플랫형 ZIC의 개략도 및 Ragone plots (b) 2차원 및 단계적 나노 구조 Zn(2D-Zn) 금속 전극의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 맞춤형 전기 도금 방법에 의한 (a) 2D-Zn/1.0, (b) 2D-Zn/1.8 및 (c) 2D-Zn/1.8/1.0의 전류 곡선, (d) 2D-Zn/1.0, (e) 2D-Zn/1.8 및 (f) 2D-Zn/1.8/1.0의 SEM 이미지, (g) 2D-Zn의 XRD 패턴, 2D-Zn에 대한 (h) Zn 2p 및 (i) Ni 2P의 XRD 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 1.8 V에서 30 초 동안 전기 도금하여 Ni 폼 표면 상의 Zn 전극의 (a) 저해상도 및 (b) 고해상도 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 단계별 도금 공정에 의한 아연 성장의 개략도, (b) Ni 폼, (c) 2D-Zn/1.8/5sec, (d) 2D-Zn/1.8/10sec, (e) 2D-Zn/1.8/30sec 및 (f) 2D-Zn /1.8/1.0V/360sec의 SEM 이미지이다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 2D-Zn/1.8/1.0의 저해상도 및 (b) 고해상도 TEM 이미지, (c) 2D-Zn/1.8/1.0의 선택된 영역 전자 회절(Selected area electron diffraction; SAED) 패턴이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 (a) AC의 N2 흡착/탈착 등온선, (b) AC의 XRD 패턴이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 충전 방전 테스트 전 주파수의 Nyquist plots, (b) 0.2 V ~ 1.8 V 전위 범위에서 10mV s-1의 스캔 속도에서 순환전압 전류법(Cyclic voltammetry; CV) 곡선, (c) 0.2 V 내지 1.8 V의 전위 범위에서 0.5 A g-1 ~ 20.0 A g-1 범위의 전류 밀도에서 계산된 비정전용량, (d) 500 W kg-1 내지 20,000 W kg-1전력 밀도 및 에너지관련 Ragone plots, (e) 10,000 사이클에 걸친 전류 밀도 10.0 A g-1에서 사이클 안정성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 0.2 ~ 1.8V의 전위 범위에서 5 ~ 200mV s-1로 변하는 스캔 속도에서 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0의 CV 곡선이다.
도 9는 본 발명이 실시예에 따른 (a) 전류 밀도 0.5 A g-1에서 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0의 GCD 곡선, 0.5-20 A g-1 범위의 전류 밀도에서 (b) 2D-Zn/1.8 및 (c) 2D-Zn/1.8/1.0의 GCD 곡선이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 2D-Zn1.8 및 2D-Zn/1.8/30s의 계산된 비정전 용량 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 0.2 V 내지 1.8 V의 전압에서 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0의 GCD 곡선이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 2D-Zn/1.8/1.0 및 5,000 및 10,000 사이클 ZIC를 사용하는 초기 플랫형 ZICs의 전기 화학적 임피던스 스펙트럼(Electrochemical impendence spectra; EIS)을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 사이클링 동안 다른 전압에서 2D-Zn/1.8/1.0 전극의 XRD 패턴이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 애노드로서 2D-Zn@CF, 캐소드로서 AC@CF, 세퍼레이터로서 셀룰로오스 페이퍼, 전해액으로서 ZnSO4-PVA 겔 및 셀 케이스로서 열수축이 가능한 튜브를 포함한 플랫형 ZIC의 개략도, (b) 전기도금에 의한 탄소 섬유 상에 성장된 2D Zn나노구조의 2D@ZnCF의 SEM 이미지, (c) 2D-Zn@CF의 XRD 패턴, (d) 2D-Zn@CF에 대한 Zn 2p의 XPS 스펙트럼이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 탄소 섬유 토우(tow) 및 (b) 탄소 섬유 필라멘트의 사진 이미지이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 분리막으로서 셀룰로오스 페이퍼의 SEM 이미지이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 ZnSO4 겔 전해질의 이미지이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 탄소 섬유의 저해상도 및 (b) 고해상도 SEM 이미지이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 표면 기능화없이 탄소 섬유 상에서 2D Zn 나노 구조의 (a) 저해상도 및 (b) 고해상도 SEM 이미지이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 표면 기능화 (a) 전 및 (b) 후 탄소 섬유의 C 1s XPS 스펙트럼이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 (a 및 b) 0.7 V 및 (c 및 d) 1.5 V의 인가 전압에서 전기 도금에 의해 2D Zn 나노 구조-장식된 탄소 섬유를 나타낸다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 공기 중에서 10 ℃/min-1의 가열 속도로 200 ℃에서 950 ℃까지 2D-Zn@CF의 TGA 곡선이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 0.2 V 내지 l 1.8 V의 전위 범위에서 5 mV s-1 내지 200 mV s-1에서 변화하는 스캔 속도에서 2D-Zn@CF의 CV 곡선 (b) 0.05 mA cm-2 내지 3 mA cm-2 범위의 전류 밀도에서 2D-Zn@CF의 GCD 곡선이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 0.7 V 및 1.5 V의 인가 전압에서 탄소 섬유 위에 전기증착된 Zn 2D Zn 나노 구조체 및 2D Zn@CF의 계산된 비정전용량 그래프이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 0.7 V 및 1.5 V의 인가 전압에서 탄소삼유 위에 전기증착된 Zn 2D Zn 나노 구조 및 2D-Zn@CF의 EIS 곡선이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 50 μW cm-2 내지 3,000 μW cm-2 전력 밀도 및 에너지와 관련된 Ragone plots, (b) 10,000 사이클 동안 1.0 mA cm-2의 사이클 안정성, (c) 직선, 접힘 및 매듭 상태에서의 캐패시턴스 유지율, (d) 15시간 동안 수중에서 획득된 커패시턴스 유지율, (e) 수중에서 결합된 상태(knotted state)에서 직렬 및 병렬로 연결된 섬유형 ZIC에 의해 구동되는 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 10,000 사이클 후 ZIC 2D-Zn/1.8/1.0 및 2D-Zn@CF의 (a 및 b) 저해상도 및 (c 및 d) 고해상도 SEM 이미지이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 직렬 및 (b) 병렬로 연결된 2D-Zn@CF를 갖는 두 개의 섬유형 ZICs의 GCD 곡선, (c) 전체 디바이스 커패시턴스 및 병렬로 연결된 섬유-기반 ZICs 수의 관계를 나타낸 그래프이다.
1 is (a) a schematic diagram of a flat ZIC and Ragone plots (b) a schematic diagram of a two-dimensional and stepwise nanostructured Zn (2D-Zn) metal electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a current curve of (a) 2D-Zn/1.0, (b) 2D-Zn/1.8 and (c) 2D-Zn/1.8/1.0, ( d) SEM images of 2D-Zn/1.0, (e) 2D-Zn/1.8 and (f) 2D-Zn/1.8/1.0, (g) XRD pattern of 2D-Zn, (h) Zn for 2D-Zn 2p and (i) XRD spectra of Ni 2P.
3 is (a) low-resolution and (b) high-resolution SEM images of a Zn electrode on a Ni foam surface by electroplating at 1.8 V for 30 seconds according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of (a) zinc growth by a step-by-step plating process according to an embodiment of the present invention, (b) Ni foam, (c) 2D-Zn/1.8/5sec, (d) 2D-Zn/1.8/10sec , SEM images of (e) 2D-Zn/1.8/30 sec and (f) 2D-Zn/1.8/1.0 V/360 sec.
5 shows (a) low-resolution and (b) high-resolution TEM images of 2D-Zn/1.8/1.0, (c) selected area electron diffraction of 2D-Zn/1.8/1.0 according to an embodiment of the present invention; ; SAED) pattern.
6 is an XRD pattern of (a) AC N 2 adsorption/desorption isotherm, and (b) AC according to an embodiment of the present invention.
7 is (a) Nyquist plots of the frequency before the charge/discharge test according to an embodiment of the present invention, (b) a cyclic voltammetry (CV) at a scan rate of 10mV s −1 in a potential range of 0.2 V to 1.8 V; FIG. ) curve, (c) specific capacitance calculated at current densities ranging from 0.5 A g -1 to 20.0 A g -1 in the potential range from 0.2 V to 1.8 V, (d) 500 W kg -1 to 20,000 W kg -1 Ragone plots related to power density and energy, (e) are graphs showing cycle stability at a current density of 10.0 A g −1 over 10,000 cycles.
8 is a CV curve of 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0 at a scan rate varying from 5 to 200 mV s −1 in a potential range of 0.2 to 1.8V according to an embodiment of the present invention.
9 shows (a) GCD curves of 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0 at current densities of 0.5 A g -1 according to an embodiment of the present invention, at current densities in the range of 0.5-20 A g -1 GCD curves of (b) 2D-Zn/1.8 and (c) 2D-Zn/1.8/1.0.
10 is a graph of the calculated specific capacitance of 2D-Zn1.8 and 2D-Zn/1.8/30s according to an embodiment of the present invention.
11 is a GCD curve of 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0 at a voltage of 0.2 V to 1.8 V according to an embodiment of the present invention.
12 shows electrochemical impedance spectra (EIS) of initial flat-type ZICs using 2D-Zn/1.8/1.0 and 5,000 and 10,000 cycle ZIC according to an embodiment of the present invention.
13 is an XRD pattern of a 2D-Zn/1.8/1.0 electrode at different voltages during cycling according to an embodiment of the present invention.
14 is a flat diagram including (a) 2D-Zn@CF as an anode, AC@CF as a cathode, cellulose paper as a separator, ZnSO 4 -PVA gel as an electrolyte, and a heat-shrinkable tube as a cell case according to an embodiment of the present invention; Schematic diagram of type ZIC, (b) SEM image of 2D@ZnCF of 2D Zn nanostructure grown on carbon fiber by electroplating, (c) XRD pattern of 2D-Zn@CF, (d) 2D-Zn@CF XPS spectrum of Zn 2p.
15 is a photographic image of (a) a carbon fiber tow and (b) a carbon fiber filament according to an embodiment of the present invention.
16 is an SEM image of cellulose paper as a separator according to an embodiment of the present invention.
17 is an image of a ZnSO 4 gel electrolyte according to an embodiment of the present invention.
18 is a (a) low-resolution and (b) high-resolution SEM image of a carbon fiber according to an embodiment of the present invention.
19 is (a) low-resolution and (b) high-resolution SEM images of 2D Zn nanostructures on carbon fibers without surface functionalization according to an embodiment of the present invention.
20 is a C 1s XPS spectrum of a carbon fiber before (a) and after (b) surface functionalization according to an embodiment of the present invention.
21 shows 2D Zn nanostructure-decorated carbon fibers by electroplating at applied voltages of (a and b) 0.7 V and (c and d) 1.5 V according to an embodiment of the present invention.
22 is a TGA curve of 2D-Zn@CF from 200 °C to 950 °C in air at a heating rate of 10 °C/min -1 according to an embodiment of the present invention.
23 is a CV curve of 2D-Zn@CF at a scan rate varying from 5 mV s −1 to 200 mV s −1 in a potential range of 0.2 V to 1 1.8 V according to an embodiment of the present invention (a) (b) ) GCD curves of 2D-Zn@CF at current densities ranging from 0.05 mA cm -2 to 3 mA cm -2 .
24 is a graph showing the calculated specific capacitance of Zn 2D Zn nanostructures and 2D Zn@CF electrodeposited on carbon fibers at applied voltages of 0.7 V and 1.5 V according to an embodiment of the present invention.
25 is an EIS curve of Zn 2D Zn nanostructure and 2D-Zn@CF electrodeposited on carbon sesame oil at applied voltages of 0.7 V and 1.5 V according to an embodiment of the present invention.
26 is (a) 50 μW cm -2 to 3,000 μW cm -2 Ragone plots related to power density and energy, (b) cycle stability of 1.0 mA cm -2 for 10,000 cycles, (c) ) capacitance retention in straight, folded and knotted states, (d) capacitance retention achieved in water for 15 h, (e) in water driven by series and parallel connected fiber ZICs in the knotted state. A diagram showing a light emitting diode.
27 is (a and b) low-resolution and (c and d) high-resolution SEM images of ZIC 2D-Zn/1.8/1.0 and 2D-Zn@CF after 10,000 cycles according to an embodiment of the present invention.
28 shows GCD curves of two fibrous ZICs with (a) series and (b) parallel connected 2D-Zn@CF, (c) total device capacitance and parallel-connected fiber-based in accordance with an embodiment of the present invention. It is a graph showing the relationship between the number of ZICs.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents and substitutes for the embodiments are included in the scope of the rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for the purpose of description only, and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having a common function will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, descriptions described in one embodiment may be applied to other embodiments as well, and detailed descriptions within the overlapping range will be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조방법은, 기판 상에 전이금속으로 제1 전기도금하는 단계; 및 상기 전이금속 도금된 기판을 제2 전기도금하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a porous electrode according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: performing first electroplating on a substrate with a transition metal; and performing a second electroplating of the transition metal-plated substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조방법은, 단계적 전기도금 방법을 이용하여 2차원 및 단계적 나노구조화된 다공성 전극을 형성할 수 있다.In the method of manufacturing a porous electrode according to an embodiment of the present invention, a two-dimensional and stepwise nanostructured porous electrode can be formed using a stepwise electroplating method.

일 실시형태에 있어서, 상기 기판은 Ni 폼(Ni-foam), 탄소-함유 기판 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment, the substrate may include Ni-foam, a carbon-containing substrate, or both.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소-함유 기판은, 탄소 섬유, 활성탄, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 케쳔 블랙, 슈퍼-P(Super-P), 미세 흑연분말, 탄소나노튜브(CNT), 섬유상의 탄소인 휘스커, 증기성장 탄소 섬유(VGCF), 그래핀 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon-containing substrate, carbon fiber, activated carbon, carbon black, acetylene black, furnace black, ketchup black, super-P (Super-P), fine graphite powder, carbon nanotubes (CNT), It may include at least one selected from the group consisting of fibrous carbon whiskers, vapor-grown carbon fibers (VGCF), graphene, and graphite.

일 실시형태에 있어서, 상기 Ni 폼은, 공극율이 50 % 내지 95 %인 것일 수 있다.In one embodiment, the Ni foam may have a porosity of 50% to 95%.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 전기도금 하는 단계는, 0.5 V 내지 2 V의 전압을 10 초 내지 60 초 동안 인가하는 것일 수 있다. 상기 제1 전기도금 하는 단계에서, 0.5 V 미만의 전압을 10 초 미만으로 인가하는 경우 전이금속의 시드가 핵 형성이 유도되지 않을 수 있고, 2 V 초과의 전압을 60 초 초과하여 인가하는 경우 도금이 균일하게 되지 않을 수 있다.In one embodiment, in the first electroplating step, a voltage of 0.5 V to 2 V may be applied for 10 seconds to 60 seconds. In the first electroplating step, when a voltage of less than 0.5 V is applied for less than 10 seconds, nucleation of the transition metal seed may not be induced, and when a voltage of more than 2 V is applied for more than 60 seconds, plating This may not be uniform.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 전기도금 단계는, 상기 전이금속의 시드를 핵 형성시키는 것일 수 있다.In one embodiment, the first electroplating step may be to nucleate the seeds of the transition metal.

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 전기도금 하는 단계는, 0.5 V 내지 2 V의 전압을 300 초 내지 500 초 동안 인가하는 것일 수 있다. 상기 제2 전기도금 하는 단계에서, 0.5 V 미만의 전압을 300 초 미만으로 인가하는 경우 결정 성장이 유도되지 않을 수 있고, 2 V 초과의 전압을 500 초 초과하여 인가하는 경우 2차원 구조의 밀집이 이루어져 다공성 구조를 갖지 못할 수 있다.In one embodiment, the second electroplating step may be to apply a voltage of 0.5 V to 2 V for 300 seconds to 500 seconds. In the second electroplating step, when a voltage of less than 0.5 V is applied for less than 300 seconds, crystal growth may not be induced, and when a voltage of more than 2 V is applied for more than 500 seconds, the density of the two-dimensional structure is It may not have a porous structure.

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 전기도금 단계는, 상기 핵 형성된 시드를 결정 성장시키는 것일 수 있다.In an embodiment, the second electroplating step may be to crystallize the nucleated seed.

일 실시형태에 있어서, 2 단계의 단계적으로 진행된 전기도금법에서는 다공성 구조와 네트워크 구조를 동시에 지니는 2차원 구조의 전극을 제조할 수 있다.In one embodiment, the two-dimensional electrode having a porous structure and a network structure at the same time can be manufactured in the electroplating method performed step by step in two steps.

일 실시형태에 있어서, 상기 전이금속은, 아연(Zn), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 철(Fe), 코발트(Co) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 다공성 전극을 아연 이온 슈퍼 커패시터의 캐소드로서 사용하기 위해서 아연인 것일 수 있다.In one embodiment, the transition metal is zinc (Zn), platinum (Pt), copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag), chromium (Cr), aluminum (Al), iron (Fe) , may include at least one selected from the group consisting of cobalt (Co) and ruthenium (Ru). Preferably, it may be zinc in order to use the porous electrode of the present invention as a cathode of a zinc ion supercapacitor.

본 발명의 다른 실시예에 따른 다공성 전극은, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조방법에 의해 제조된다.A porous electrode according to another embodiment of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a porous electrode according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극은 다공성 구조 및 네트워크 구조를 동시에 지니는 2차원 구조를 포함하여 전기화학 반응 면적을 증가시킬 수 있다.The porous electrode according to an embodiment of the present invention may include a two-dimensional structure having a porous structure and a network structure at the same time to increase the electrochemical reaction area.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극은 다공성 상호 연결된 2차원 나노 기공을 포함하는 것일 수 있다. 다공성 구조와 네트워크 구조를 동시에 가질 수 있다. 단계적으로 상호 연결된 네트워크 다공성 전극은 순간적인 빠른 핵 형성 및 후속적으로 전이금속, 예를 들어, 아연의 느린 성장 형성을 통해 제조될 수 있다.In one embodiment, the porous electrode may include porous interconnected two-dimensional nanopores. It may have a porous structure and a network structure at the same time. Stepwise interconnected network porous electrodes can be fabricated through instantaneous rapid nucleation followed by slow growth formation of transition metals such as zinc.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극의 비표면적은 50 m2/g 내지 3000 m2/g인 것일 수 있다. 바람직하게는 100 m2/g 내지 2000 m2/g인 것일 수 있다.In one embodiment, the specific surface area of the porous electrode may be 50 m 2 /g to 3000 m 2 /g. Preferably, it may be 100 m 2 /g to 2000 m 2 /g.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극의 기공 직경은 10 nm 내지 500 nm인 것일 수 있다. 상기 기공이 네트워크 구조를 가져 단 하나의 기공의 직경을 측정하기는 어려우나, 상기 범위의 직경을 가질 수 있다.In one embodiment, the pore diameter of the porous electrode may be 10 nm to 500 nm. Although it is difficult to measure the diameter of a single pore because the pores have a network structure, the pores may have a diameter within the above range.

일 실시형태에 있어서, 상기 다공성 전극은 플랫형, 섬유형 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다. 상기 플랫형 다공성 전극은 Ni 폼, 활성탄, 카본 블랙을 이용하여 2단계 전기도금 방법에 의해 제조된 것일 수 있고, 섬유형 다공성 전극은 탄소 섬유에 2단계 전기도금 방법에 의해 제조된 것일 수 있다.In one embodiment, the porous electrode may be a flat type, a fiber type, or one including both. The flat porous electrode may be manufactured by a two-step electroplating method using Ni foam, activated carbon, and carbon black, and the fibrous porous electrode may be manufactured by a two-step electroplating method on carbon fibers.

일 실시형태에 있어서, 상기 플랫형 다공성 전극을 슈퍼 커패시터의 캐소드로 사용하였을 때 고출력 밀도에서 높은 에너지 밀도를 달성할 뿐만 아니라 10,000 회 이상의 뛰어난 장기 사이클을 달성할 수 있다. 또한, 섬유형 다공성 전극을 슈퍼 커패시터의 캐소드로 사용하였을 때 고출력 밀도에서 뛰어난 에너지 밀도, 뛰어난 에너지 저장 성능, 뛰어난 사이클링 안정성, 우수한 기계적 유연성 및 우수한 방수 특성을 가질 수 있다.In one embodiment, when the flat porous electrode is used as a cathode of a supercapacitor, a high energy density can be achieved at a high power density, and an excellent long-term cycle of 10,000 or more can be achieved. In addition, when the fibrous porous electrode is used as a cathode of a supercapacitor, it can have excellent energy density at high power density, excellent energy storage performance, excellent cycling stability, excellent mechanical flexibility, and excellent waterproof properties.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 슈퍼 커패시터는, 본 발명의 일 실시예 따른 다공성 전극을 포함하는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드 및 상기 애노드 사이에 채워지는 전해질;을 포함한다.A supercapacitor according to another embodiment of the present invention includes: a cathode including a porous electrode according to an embodiment of the present invention; anode; and an electrolyte filled between the cathode and the anode.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터는, 다공성 구조와 네트워크 구조를 동시에 포함하는 2차원 구조를 포함하여 우수한 에너지 저장용량 및 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있다.The supercapacitor according to an embodiment of the present invention may exhibit excellent energy storage capacity and energy storage performance by including a two-dimensional structure including a porous structure and a network structure at the same time.

일 실시형태에 있어서, 상기 애노드는 탄소 소재를 포함하는 것일 수 있다. 상기 애노드는, 탄소 소재로서, 활성탄, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 카본 블랙, 케쳔 블랙, 슈퍼-P, 그래핀 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수도 있다.In one embodiment, the anode may include a carbon material. The anode, as a carbon material, may include at least one selected from the group consisting of activated carbon, acetylene black, furnace black, carbon black, ketchup black, super-P, graphene, and graphite.

일 실시형태에 있어서, 상기 전해질은 0.5 M 내지 3 M의 황산아연을 포함하는 것일 수 있다. 이 전해질은, 상온 전도도가 50 mS/cm 정도로서, 알칼라인 전해질(>400 mS/cm)보다는 작고, 전기화학적인 산화/환원 반응의 가역성이 매우 크다는 장점을 가진다. 전해질로는, 황산아연 이외에도 염화아연(ZnCl2), 브롬화아연(ZnBr2), 초산아연(Zn(O2CCH3)2) 및 질산아연(Zn(NO3)2)로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는 황산아연이 가장 우수한 성능을 보인다. 그것은 아연의 전착(electrodeposition) 과정에서 가장 선호되는 황산 음이온을 포함하고 있다는 사실로부터 짐작할 수 있다.In one embodiment, the electrolyte may include 0.5 M to 3 M zinc sulfate. This electrolyte has a room temperature conductivity of about 50 mS/cm, which is smaller than an alkaline electrolyte (>400 mS/cm), and has the advantage that the reversibility of the electrochemical oxidation/reduction reaction is very large. As the electrolyte, in addition to zinc sulfate, zinc chloride (ZnCl 2 ), zinc bromide (ZnBr 2 ), zinc acetate (Zn(O 2 CCH 3 ) 2 ) and zinc nitrate (Zn(NO 3 ) 2 ) selected from the group consisting of it could be Preferably, zinc sulfate shows the best performance. It can be inferred from the fact that it contains sulfate anion, which is most preferred in the process of electrodeposition of zinc.

일 실시형태에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는, 0.5 A g-1 전류밀도에서, 400 F g-1 내지 500 F g-1의 커패시턴스를 가지고, 20.0 A g-1 전류밀도에서, 100 F g-1 내지 200 F g-1의 커패시턴스를 가지는 것일 수 있다. 충방전 실험(charging-discharging test)은 0.5 A g-1 부터 20.0 A g-1의 전류밀도 조건에서 측정하는 것일 수 있다.In one embodiment, the supercapacitor has a capacitance of 400 F g -1 to 500 F g -1 at a current density of 0.5 A g -1 and 100 F g -1 at a current density of 20.0 A g -1 to 200 F g -1 may have a capacitance. The charging-discharging test may be performed under current density conditions of 0.5 A g -1 to 20.0 A g -1 .

일 실시형태에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는, 1 내지 10,000의 정전류 충방전 사이클(galvanostatic charge-discharge cycles)에서 98 % 이상의 커패시턴스 유지율을 가지는 것일 수 있다. 바람직하게는, 10,000 사이클링 후에도 99 %의 커패시턴스 유지율을 가지는 것일 수 있다. 애노드의 다공성 구조는 빠른 속도의 전류밀도에서 전해질 내 아연-이온의 확산거리를 감소시킴으로써 빠른 충·방전 속도에서의 우수한 커패시턴스 유지율을 나타낼 수 있다. 우수한 수명 유지 특성은 아연-이온 커패시터의 우수한 가역성 때문이다.In one embodiment, the supercapacitor may have a capacitance retention of 98% or more in 1 to 10,000 galvanostatic charge-discharge cycles. Preferably, it may have a capacitance retention of 99% even after 10,000 cycling. The porous structure of the anode reduces the diffusion distance of zinc-ions in the electrolyte at high current density, thereby exhibiting excellent capacitance retention at high charge/discharge rates. The excellent life-holding properties are due to the excellent reversibility of zinc-ion capacitors.

일 실시형태에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는 아연 이온 슈퍼 커패시터인 것일 수 있다.In one embodiment, the supercapacitor may be a zinc ion supercapacitor.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터는, 다공성 구조는 기공이 상호 연결된 네트워크 구조를 포함하여, 빠른 속도의 전류밀도에서 전해질 내 아연-이온의 확산거리를 감소시킴으로써 우수한 커패시턴스 유지율을 나타냄으로써 우수한 수명 특성을 나타내고, 빠른 충·방전 속도에서의 우수한 커패시턴스 유지율을 나타낼 수 있다.The supercapacitor according to an embodiment of the present invention has a porous structure including a network structure in which pores are interconnected, and exhibits excellent capacitance retention by reducing the diffusion distance of zinc-ions in the electrolyte at a high current density at a fast current density. Characteristics and excellent capacitance retention at fast charge/discharge rates can be exhibited.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극은, 아연 이온 슈퍼 커패시터의 2 차원적 및 단계적으로 나노 구조화된 Zn (2D-Zn) 금속 전극으로서 제조하였다. 2D-Zn 금속 전극은 미크론 다공성 집전체에서 2D 모폴로지 및 계층 구조 밀도를 최적화하기 위해 전압-맞춤형 전기 도금법으로 조심스럽게 얻어졌다. 이러한 독특한 2D Zn 나노 구조는 Zn 이온의 더 짧은 확산 경로를 제공할 수 있으며, 이는 고출력 밀도 (500 ~ 20,000 W kg-1)를 제공한다. 또한, 2D-Zn의 확대된 표면적 및 금속-유사 전도성은 우수한 에너지 밀도 (208 Wh kg-1) 및 뛰어난 사이클링 안정성 (~ 99 %)을 가진 긴 사이클 수명을 나타낼 수 있다. 특히, Zn의 낮은 표준 전극 전위 (-0.76 V)로 인해 2D-Zn 금속은 차세대 에너지 저장 응용 분야에 사용될 수 있는 섬유형 집전체에도 어떤 폼 팩터(form factor)에 쉽게 증착될 수 있다. 유연한 탄소 섬유로 제조된 섬유형 2D-Zn 금속 전극은 외부 및 환경 조건에 대한 탁월한 유연성과 편직성(knittability)을 보여주며, 이러한 독특한 증착 방법과 그에 따른 결과로 생성된 단계적 2D-Zn 나노 구조가 우수하고 실용적인 슈퍼 커패시터에 유망한 것임을 나타낸다.The porous electrode according to an embodiment of the present invention was prepared as a two-dimensionally and stepwise nano-structured Zn (2D-Zn) metal electrode of a zinc ion supercapacitor. 2D-Zn metal electrodes were carefully obtained by voltage-specific electroplating to optimize the 2D morphology and hierarchical density in micron porous current collectors. These unique 2D Zn nanostructures can provide a shorter diffusion path for Zn ions, which provides high power densities (500–20,000 W kg −1 ). In addition, the enlarged surface area and metal-like conductivity of 2D-Zn could indicate a long cycle life with good energy density (208 Wh kg −1 ) and excellent cycling stability (~99%). In particular, due to the low standard electrode potential (-0.76 V) of Zn, 2D-Zn metal can be easily deposited in any form factor for fibrous current collectors that can be used for next-generation energy storage applications. The fibrous 2D-Zn metal electrode made of flexible carbon fiber exhibits excellent flexibility and knittability to external and environmental conditions, and this unique deposition method and the resulting staged 2D-Zn nanostructures It shows promise for good and practical supercapacitors.

이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples and Comparative Examples. However, the technical spirit of the present invention is not limited or limited thereto.

요약summary

최근 슈퍼 커패시터는 에너지-구동 어플리케이션(energy-powering applications)으로서 장기 사이클 수명으로 높은 전력 밀도를 보여준다. 다가 양이온, 다수의 충전/방전 동역학 및 높은 전기 전도성을 수반하는 단일 금속 전극에 기초한 슈퍼 커패시터는 통상적으로 사용되는 산화물 및 황화물 물질을 대체하는 유망한 에너지-저장 시스템일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 이온 확산 능력 및 전체 에너지 저장 성능을 크게 향상시킨 단계적 나노 구조화된 2 차원(2D)-Zn 금속 전극-이온 슈퍼 커패시터(Zn metal electrode-ion supercapacitor; ZIC)를 개시한다. 이러한 나노 구조는 또한 제어된 전기 도금 방법에 의해 다양한 플랫형 및 섬유형 집전체 상에 성공적으로 도금될 수 있다. ZIC는 208 Wh kg-1의 높은 에너지 밀도 및 500 W kg-1의 전력 밀도로 우수한 의사-용량성(pseudo-capacitive) 성능을 나타내며, 이는 이전에 보고된 산화물 및 황화물을 가진 슈퍼 커패시터보다 훨씬 높다. 또한, 섬유형 ZIC는 굽힘 시험(bending tests) 동안 큰 커패시턴스 저하없이 높은 에너지-저장 성능, 뛰어난 기계적 유연성 및 우수한 방수 성능을 보여준다. 이러한 결과는 미래의 에너지 저장 응용을 위한 제어된 전기 도금 방법으로 나노 구조화된 2D Zn 금속 전극의 유망한 가능성을 강조한다.Recently, supercapacitors show high power density with long cycle life as energy-powering applications. Supercapacitors based on single metal electrodes with multivalent cations, multiple charge/discharge kinetics and high electrical conductivity may be a promising energy-storage system to replace commonly used oxide and sulfide materials. In an embodiment of the present invention, a staged nanostructured two-dimensional (2D)-Zn metal electrode-ion supercapacitor (ZIC) with greatly improved ion diffusion capacity and overall energy storage performance is disclosed. These nanostructures can also be successfully plated on a variety of flat and fibrous current collectors by controlled electroplating methods. ZIC exhibits excellent pseudo-capacitive performance with a high energy density of 208 Wh kg -1 and a power density of 500 W kg -1 , which is significantly higher than previously reported supercapacitors with oxides and sulfides. . In addition, the fibrous ZIC exhibits high energy-storage performance, excellent mechanical flexibility and excellent waterproof performance without significant capacitance degradation during bending tests. These results highlight the promising potential of nanostructured 2D Zn metal electrodes as a controlled electroplating method for future energy storage applications.

재료material

Ni 폼(Ni-foam), Zn 포일, 아연 설페이트(ZnSO4), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 폴리(비닐알코올)(PVA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene Fluoride; PVDF) 및 N-메틸-2-피 롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone; NMP)은 Sigma-aldrich에서 구입했다. 탄소 섬유(Carbon fiber; CF)는 Easycomposites에서 구입했다. 활성탄은 Power Carbon Technology에서 구입했다. 모든 화학물질을 추가 정제없이 사용하였다.Ni-foam, Zn foil, zinc sulfate (ZnSO 4 ), polyvinylidene difluoride, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyvinylidene fluoride (PVDF) and N-Methyl-2-pyrrolidone (N-Methyl-2-pyrrolidone; NMP) was purchased from Sigma-aldrich. Carbon fiber (CF) was purchased from Easycomposites. Activated carbon was purchased from Power Carbon Technology. All chemicals were used without further purification.

플랫형 단일 아연(Zn) 금속 전극-이온 슈퍼 커패시터(ZICs)를 위한 2D 및 단계적으로 나노 구조화된 Zn (2D-Zn) 금속 전극의 합성Synthesis of 2D and Stepwise Nanostructured Zn (2D-Zn) Metal Electrodes for Flat Single Zinc (Zn) Metal Electrodes-Ion Supercapacitors (ZICs)

단일 아연(Zn) 금속 전극-이온 슈퍼 커패시터(ZICs)용 2D 나노 구조화된 Zn(2D-Zn) 전극은 전류-맞춤형 전기 도금법(current-tailored electroplating method)에 의해 성공적으로 합성되었다. Ni 폼은 기판 및 애노드와 캐소드의 집전체로 사용하였다. 2D-Zn을 합성하기 위한 2-전극 셀은 애노드로서 Ni 폼, 캐소드로서 Zn 포일 및 전해질로서 2.0 M ZnSO4 용액으로 구성되었다. 1.0 V, 1.8 V 및 1.8 V 내지 1.0 V의 2-단계 전압을 6 분 동안 전기 도금을 수행하였다 (각각, 2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0). Ni 폼 및 Zn 포일을 2 cm 간격으로 분리하였다. 전기 도금 후, 전해액으로부터 2D-Zn 전극을 제거한 후 즉시 증류수로 완전히 헹구었다.2D nanostructured Zn (2D-Zn) electrodes for single zinc (Zn) metal electrode-ion supercapacitors (ZICs) were successfully synthesized by a current-tailored electroplating method. Ni foam was used as a current collector for the substrate and the anode and cathode. The two-electrode cell for synthesizing 2D-Zn was composed of Ni foam as anode, Zn foil as cathode, and 2.0 M ZnSO 4 solution as electrolyte. Electroplating was performed at a two-step voltage of 1.0 V, 1.8 V and 1.8 V to 1.0 V for 6 minutes (2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0, respectively). Ni foam and Zn foil were separated at 2 cm intervals. After electroplating, the 2D-Zn electrode was removed from the electrolyte and immediately rinsed thoroughly with distilled water.

플랫형 ZICs용 활성탄(Activated carbon for flat ZICs ( activated carbon; activated carbon; AC) 캐소드의 제조AC) Preparation of the cathode

활성탄(AC), 카본 블랙(Super P, Alfa Aesar) 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride; PVDF, Alfa Aesar)를 NMP에서 8 : 1 : 1의 비율로 사용하여 작동 전극용 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 Ni 폼 상에 코팅하고, 80 ℃에서 1 시간 동안 공기 중에서 건조시켰다.Activated carbon (AC), carbon black (Super P, Alfa Aesar) and polyvinylidene difluoride (PVDF, Alfa Aesar) were used in NMP in a ratio of 8:1:1 to prepare a slurry for a working electrode. . The prepared slurry was coated on Ni foam and dried in air at 80° C. for 1 hour.

섬유형 ZICs용 탄소 섬유 상의 2D-Zn (2D-Zn@CF) 애노드의 합성Synthesis of 2D-Zn (2D-Zn@CF) anodes on carbon fiber for fibrous ZICs

애노드로서 탄소 섬유 상의 2D-Zn(2D-Zn@CF)을 전류-맞춤형 전기 도금법에 의해 성공적으로 합성하였다. 탄소 섬유는 기판 및 집전체에 사용되었다. 2D-Zn@CF를 합성하기 위한 2-전극 셀은 애노드로서 탄소 섬유, 캐소드로서 Zn 포일 및 전해질로서 2.0 M ZnSO4 용액으로 구성되었다. 1.0 V에서 10 분 동안 전기 도금을 수행하였다. 전기 도금 후, 전해질로부터 2D-Zn@CF를 제거하고 즉시 증류수로 완전히 헹구었다.2D-Zn (2D-Zn@CF) on carbon fiber as an anode was successfully synthesized by current-specific electroplating. Carbon fiber was used for the substrate and current collector. The two-electrode cell for synthesizing 2D-Zn@CF was composed of carbon fiber as anode, Zn foil as cathode and 2.0 M ZnSO 4 solution as electrolyte. Electroplating was performed at 1.0 V for 10 minutes. After electroplating, 2D-Zn@CF was removed from the electrolyte and immediately rinsed thoroughly with distilled water.

섬유형 ZICs용 탄소 섬유 상의 활성 탄소(AC@CF) 캐소드 제조Fabrication of Activated Carbon (AC@CF) Cathode on Carbon Fiber for Fibrous ZICs

섬유형 ZICs용 캐소드로서 활성 탄소-장식 탄소 섬유(AC@CF)는 활성 재료로서 활성탄, 바인더로서 PVDF 및 도전 재료로서 Super P를 NMP중에서 8:1:1의 비율로 구성된 혼합 페이스트에 의해 제조하였다. 활성 탄소를 탄소 섬유의 표면 상에 드롭 캐스팅하여 대기 조건 하에서 5 시간 동안 80 ℃에서 건조시켰다.Activated carbon-decorated carbon fibers (AC@CF) as cathodes for fibrous ZICs were prepared by mixing paste composed of activated carbon as an active material, PVDF as a binder, and Super P as a conductive material in NMP in a ratio of 8:1:1. . Activated carbon was drop-cast onto the surface of carbon fibers and dried at 80 °C for 5 h under atmospheric conditions.

섬유형 ZICs용 겔 전해질의 제조Preparation of gel electrolyte for fibrous ZICs

1.0 M ZnSO4와 PVA를 탈이온수에 혼합하여 겔 전해질을 제조하였다. 먼저, PVA를 용액이 투명해질 때까지 80 ℃에서 교반하면서 탈이온수에 용해시켰다. 그런 다음, ZnSO4를 첨가하고, 투명해질 때까지 80 ℃에서 교반 하였다. 마지막으로, 실온에서 냉각한 후 겔 전해질을 얻었다.1.0 M ZnSO 4 and PVA were mixed in deionized water to prepare a gel electrolyte. First, PVA was dissolved in deionized water with stirring at 80 °C until the solution became clear. Then, ZnSO 4 was added and stirred at 80 °C until transparent. Finally, after cooling to room temperature, a gel electrolyte was obtained.

특성 측정Characteristic measurement

Zn 전극의 모폴로지는 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy; SEM)에 의해 조사되었다. 2D-Zn/1.8/1.0의 나노 구조는 다음과 같이 제조 공정 후 고해상도 투과 전자 현미경(high-resolution transmission electron microscope; HR-TEM)에 의해 조사되었다: (i) 2D-Zn/1.8/1.0의 전극을 Ni 폼 표면으로부터 구조화된 2D-Zn을 분리하기 위해 아세톤 용액에 침지 및 (ii) 초박형 탄소-코팅된 구리 그리드를 수집된 2D-Zn 용액으로 코팅하고 조심스럽게 건조시켰다. Zn 전극의 결정 구조 및 화학적 결합 상태는 각각 Cu Kα 방사선으로 X-선 회절법 및 Al Kα X-선 소스로 X-선 광전자 분광법을 사용하여 관찰하였다. 각 스펙트럼의 결합 에너지는 C 1s 코어 레벨 (284.5 eV)로 표준화된다. AC의 비표면적, 전체 기공 부피, 평균 기공 크기 및 기공 부피 분율은 N2 흡착을 사용하는 Brunauer-Emmett-Teller로 특성화되었다. 2D-Zn@CF의 함량은 공기 중 10 ℃min -1의 가열 속도에서 200 ℃ 내지 950 ℃의 열 중량 분석을 사용하여 조사되었다. 제조된 전극에서 아연 및 니켈의 함량은 유도 결합 플라즈마-질량 분석(inductively coupled plasma - mass spectroscopy; ICP-MS) 분석에 의해 측정되었다. 작동 조건은 1.6 kW의 RF 전력이다.The morphology of the Zn electrode was investigated by scanning electron microscopy (SEM). The nanostructures of 2D-Zn/1.8/1.0 were investigated by high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) after the fabrication process as follows: (i) electrodes of 2D-Zn/1.8/1.0 was immersed in acetone solution to separate structured 2D-Zn from the Ni foam surface and (ii) an ultra-thin carbon-coated copper grid was coated with the collected 2D-Zn solution and carefully dried. The crystal structure and chemical bonding state of the Zn electrode were observed using X-ray diffraction with Cu K α radiation and X-ray photoelectron spectroscopy with Al K α X-ray source, respectively. The binding energy of each spectrum is normalized to the C 1s core level (284.5 eV). The specific surface area, total pore volume, average pore size and pore volume fraction of AC were characterized with a Brunauer-Emmett-Teller using N 2 adsorption. The content of 2D-Zn@CF was investigated using thermogravimetric analysis from 200 °C to 950 °C at a heating rate of 10 °C min -1 in air. The content of zinc and nickel in the prepared electrode was measured by inductively coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS) analysis. Operating conditions are 1.6 kW of RF power.

전기화학적 특성 측정Measurement of electrochemical properties

플랫형 및 섬유형 ZICs의 에너지 저장 성능은 전체 셀 시스템을 사용하여 평가되었다. 전기 화학적 동역학을 조사하기 위해, 5 mV의 AC 신호에서 105 Hz 내지 10-2 Hz의 주파수 범위에서 신선한 셀을 사용하여 전기 화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy; EIS) 측정을 수행하였다. 순환 전압 전류법(Cyclic voltammetry; CV)은 10 mV s-1의 스캔 속도에서 potentiostat/galvanostat를 사용하여 수행되었다. 정전류 충-방전(galvanostatic charge-discharge; GCD) 곡선은 다양한 전류 밀도 (플랫형: 0.5 ~ 20.0 A g-1 및 섬유형: 0.05 ~ 3.0 mA cm2)에서 0.2 V-1.8 V의 전위 범위에서 테스트되었다. ZICs의 긴 사이클링 안정성은 10,000 사이클에 걸쳐 10.0 A g-1 (플랫형) 및 1.0 mA cm2 (섬유형)의 전류 밀도에서 수행되었다.The energy storage performance of flat and fibrous ZICs was evaluated using the whole cell system. To investigate the electrochemical kinetics, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements were performed using fresh cells in the frequency range of 10 5 Hz to 10 -2 Hz at an AC signal of 5 mV. Cyclic voltammetry (CV) was performed using a potentiostat/galvanostat at a scan rate of 10 mV s −1 . Galvanostatic charge-discharge (GCD) curves were tested over a potential range of 0.2 V-1.8 V at various current densities (flat: 0.5 to 20.0 A g -1 and fiber: 0.05 to 3.0 mA cm 2 ) became Long cycling stability of ZICs was performed at current densities of 10.0 A g −1 (flat) and 1.0 mA cm 2 (fibrous) over 10,000 cycles.

ZICs의 비정전용량은 다음 [식 1]로 계산할 수 있다. The specific capacitance of ZICs can be calculated with the following [Equation 1].

[식 1][Equation 1]

Csp (F g-1 or cm-2)= I/(m or A △V/dt)C sp (F g -1 or cm -2 )= I/(m or A △V/dt)

여기서 I (A)는 충방전 전류, m (g)은 전극 내 아연 및 활성탄과 같은 활성 물질의 총 질량, A (cm-2)는 애노드 및 캐소드 섬유로 구성된 제조된 ZIC의 면적이고, △V는 전위 윈도우(potential window)이고, dt (s)는 방전 시간이다. 또한, Ni 폼 및 탄소 섬유 상에 Zn 질량 로딩을 측정하기 위해, 전기도금 공정 후 0.1 mg의 정밀도를 가지는 디지털 중량 저울을 사용하였다.where I (A) is the charge/discharge current, m (g) is the total mass of active materials such as zinc and activated carbon in the electrode, A (cm −2 ) is the area of the fabricated ZIC composed of anode and cathode fibers, ΔV is the potential window, and dt (s) is the discharge time. In addition, to measure the Zn mass loading on Ni foam and carbon fiber, a digital weighing scale with a precision of 0.1 mg after the electroplating process was used.

에너지 밀도 (E, Wh kg-1 또는 Wh cm-2) 및 전력 밀도 (P, W kg-1 또는 W cm-2)는 다음 [식 2] 및 [식 3]으로 계산된다:Energy density (E, Wh kg -1 or Wh cm -2 ) and power density (P, W kg -1 or W cm -2 ) are calculated by the following [Equation 2] and [Equation 3]:

[식 2][Equation 2]

E (Wh kg-1 or Wh cm-2) = 0.5CV 2/3.6E (Wh kg -1 or Wh cm -2 ) = 0.5CV 2/3.6

[식 3][Equation 3]

P(W kg-1 or W cm-2) = E/dt 3600P(W kg -1 or W cm -2 ) = E/dt 3600

결과 및 고찰Results and Discussion

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 플랫형 ZIC의 개략도 및 Ragone plots (b) 2차원 및 단계적 나노 구조 Zn(2D-Zn) 금속 전극의 개략도이다.1 is (a) a schematic diagram of a flat ZIC and Ragone plots (b) a schematic diagram of a two-dimensional and stepwise nanostructured Zn (2D-Zn) metal electrode according to an embodiment of the present invention.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 전체 셀 2D-Zn//AC (AC, 활성탄) 비대칭 슈퍼 커패시터는 애노드 상의 Zn/Zn2+ 및 캐소드 (활성탄) 상의 전해질 이온을 가진 전기 이중-층 (Zn 이온 및 황산 이온)의 형성 사이에 표면 패러데이 산화 환원 반응(Faradaic redox reactions)에 의해 전하를 저장할 수 있다. 플랫형 ZICs의 경우, 미세 구조, 우수한 화학적/기계적 안정성 및 높은 전기 전도성으로 인해 집전체에 Ni 폼이 사용되었다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 신규한 2D-Zn 전극은 Ni 폼 상의 전압-맞춤형 전기 도금법에 의해 성공적으로 제조되었다. 보고된 다른 합성 방법과 비교하여, 전기 도금은 용액의 농도 및 전구체를 제어함으로써 단일 상(single phase) 금속 재료 및 다른 재료 복합체를 증착하기 위한 매우 간단하고 쉬운 합성 방법으로 잘 알려져 있다. 또한, 평평하고, 구부러지고 거친 기판 상에서도 어떤 금속 기판에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서 Ni 금속 기판 상의 Zn 증착의 구동력이 연구되었다.As shown in Fig. 1(a), the whole cell 2D-Zn//AC (AC, activated carbon) asymmetric supercapacitor has an electric double-layer with Zn/Zn 2+ on the anode and electrolyte ions on the cathode (activated carbon). The charge can be stored by surface Faradaic redox reactions between the formation of (Zn ions and sulfate ions). For flat ZICs, Ni foam was used for the current collector due to its microstructure, good chemical/mechanical stability, and high electrical conductivity. As shown in Fig. 1(b), a novel 2D-Zn electrode was successfully fabricated by voltage-specific electroplating on Ni foam. Compared with other reported synthesis methods, electroplating is well known as a very simple and easy synthesis method for depositing single phase metal materials and other material composites by controlling the concentration and precursor of the solution. It can also be applied to any metal substrate, even on flat, curved and rough substrates. In particular, the driving force of Zn deposition on a Ni metal substrate was studied in an embodiment of the present invention.

재료 핵 형성 및 결정 성장을 위한 제어된 합성 파라미터를 갖는 단계적으로 상호 연결된 금속 나노구조 및 최적화된 형태 디자인을 유도하는 것은 일반적으로 어려운 일이며, 이는 유리한 전기화학적 에너지 저장 성능을 제공한다. 따라서, 단계적으로 상호 연결된 나노 구조화된 2D-Zn을 얻기 위해, 최적화된 초기 전압 및 단계별 추가 전압을 신중하게 적용했다. 다양한 핵 성장은 정확한 초기 작동 전압에 의해 잘 제어될 수 있으며, 추가 전압은 후속 결정 성장 레벨에 대한 구동력을 변화시킬 수 있다. 작동 전압이 너무 낮으면 낮은 수준의 금속 핵 생성 지점이 기판 상에 유도되어 다음 결정 성장이 제한된다. 그러나, 작동 전압이 너무 높기 때문에, 과잉량의 금속 핵 생성 부위가 기판 상에 증착되고, 비교적 크고 대량의 금속 모폴로지가 얻어질 것이다. 작동 전압을 최적화하기 위해, 초기 증착 조건으로 서로 다른 두 가지 작동 전압 (1.0 V (2D-Zn/1.0) 및 1.8 V (2D-Zn/1.8))을 비교하였다. Deriving stepwise interconnected metal nanostructures and optimized morphological designs with controlled synthetic parameters for material nucleation and crystal growth are generally challenging, which provide advantageous electrochemical energy storage performance. Therefore, to obtain stepwise interconnected nanostructured 2D-Zn, the optimized initial voltage and step-by-step additional voltage were carefully applied. Various nucleation growth can be well controlled by precise initial operating voltages, and additional voltages can change the driving force for subsequent crystal growth levels. If the operating voltage is too low, low-level metal nucleation points are induced on the substrate, limiting subsequent crystal growth. However, since the operating voltage is too high, an excess amount of metal nucleation sites will be deposited on the substrate, and a relatively large and bulky metal morphology will be obtained. To optimize the operating voltage, two different operating voltages (1.0 V (2D-Zn/1.0) and 1.8 V (2D-Zn/1.8)) were compared as initial deposition conditions.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 맞춤형 전기 도금 방법에 의한 (a) 2D-Zn/1.0, (b) 2D-Zn/1.8 및 (c) 2D-Zn/1.8/1.0의 전류 곡선, (d) 2D-Zn/1.0, (e) 2D-Zn/1.8 및 (f) 2D-Zn/1.8/1.0의 SEM 이미지, (g) 2D-Zn의 XRD 패턴, 2D-Zn에 대한 (h) Zn 2p 및 (i) Ni 2P의 XRD 스펙트럼이다.2 is a current curve of (a) 2D-Zn/1.0, (b) 2D-Zn/1.8 and (c) 2D-Zn/1.8/1.0, ( d) SEM images of 2D-Zn/1.0, (e) 2D-Zn/1.8 and (f) 2D-Zn/1.8/1.0, (g) XRD pattern of 2D-Zn, (h) Zn for 2D-Zn 2p and (i) XRD spectra of Ni 2P.

도 2의 (a) 내지 도 2의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 전기 도금 방법 동안 2D-Zn/1.0 및 2D-Zn/1.8의 증착 전류 곡선을 도시한다.2A to 2B show deposition current curves of 2D-Zn/1.0 and 2D-Zn/1.8 during an electroplating method according to an embodiment of the present invention.

전기 도금 절차는 타겟 기판을 향해 Zn2+ 이온이 향해 완화될 때 발생하고, 시스템이 전해액에서 생성된 전기장으로 인해 정전기 평형에서 벗어날 때 Zn 증착의 활성화 에너지를 초과한다. 1.0 V의 작동 전압에서, 전류 곡선은 20 초 동안 증가하였고, 이후 평형 레벨에 도달하였으며, 이는 자발적 Zn 완화 및 핵 형성을 유도할 만큼 충분히 높지 않아서, 잘 코팅되지 않은 Zn 전극 (구조화되지 않은 Zn)으로 이어졌다. 그것은 초기 정전기 도금 공정에서 새로운 상이 요구되는 Zn 핵의 임계 크기로 성장하기 위해 높은 과 전위가 필요할 수 있다는 것을 증명한다. 한편, 1.8 V의 작동 전압에서, 초기 전류는 Zn 핵의 형성뿐만 아니라 정전기 이중층 (전극과 전해질 사이의 계면에서)의 도입으로 인해 감소하였다. The electroplating procedure occurs when the Zn 2+ ions are relaxed towards the target substrate and exceed the activation energy of the Zn deposition when the system is out of electrostatic equilibrium due to the electric field generated in the electrolyte. At an operating voltage of 1.0 V, the current curve increased for 20 s, then reached an equilibrium level, which was not high enough to induce spontaneous Zn relaxation and nucleation, resulting in poorly coated Zn electrodes (unstructured Zn). led to It proves that in the initial electrostatic plating process, a high overpotential may be required to grow to the critical size of the Zn nuclei, where a new phase is required. On the other hand, at an operating voltage of 1.8 V, the initial current decreased due to the formation of Zn nuclei as well as the introduction of an electrostatic double layer (at the interface between the electrode and the electrolyte).

이러한 증착 전류의 현상은 균일한 도금 프로세스가 시작되었음을 나타낸다. 이후, 전류가 평형에 도달하고 잘 유지되어 Zn 핵의 형성은 초기 이중층의 해체로 이어진다는 것을 암시한다. 또한, 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 2D-Zn/1.0 (도 2의 (d)) 및 2D-Zn/1.8 (도 2의 (e))의 증착된 나노 구조를 각각 조사하였다. 도 2의 (d)는 2D-Zn/1.0 전극이 균일한 2D 구조를 갖지 않음을 보여준다. 반대로 1.8 V의 작동 전압에서 전류 곡선은 가장 높은 지점에서 시작하여 30 초 후에 포화되었다. 2D-Zn/1.8의 두껍고 벌크한 구조가 관찰되었다 (도 2의 (e)). 따라서, 짧은 반응 시간 (30 초) 내에 초기 핵 생성 성장을 위해 1.8 V의 작동 전압과 긴 반응 시간 (300 초) 내에 Zn의 결정 성장을 위해 1.0 V의 두 작동 전압을 모두 사용하였다 (2D-Zn/1.8/1.0). 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, Zn 시드(seed)는 30 초 동안 1.8 V에서 Ni 폼의 표면에 균일하게 장식되었고 (도 3), 1.0 V의 작동 전압은 거의 300 초 동안 유지되어 Zn의 배향된 결정 성장을 유도하였다. 2D-Zn/1.8/1.0의 SEM 이미지 (도 2의 (f))는 10 nm 내지 25 nm의 얇은 두께와 6 ㎛ 내지 11 ㎛의 길이로 단계적으로 상호 연결된 2D Zn 나노 구조를 보여준다.This phenomenon of deposition current indicates that a uniform plating process has begun. Thereafter, the current reaches equilibrium and is well maintained, suggesting that the formation of Zn nuclei leads to the dissolution of the initial bilayer. In addition, the deposited nanostructures of 2D-Zn/1.0 (FIG. 2(d)) and 2D-Zn/1.8 (FIG. 2(e)) were investigated using scanning electron microscopy (SEM), respectively. Fig. 2(d) shows that the 2D-Zn/1.0 electrode does not have a uniform 2D structure. Conversely, at an operating voltage of 1.8 V, the current curve starts at the highest point and saturates after 30 s. A thick and bulky structure of 2D-Zn/1.8 was observed (Fig. 2(e)). Therefore, both operating voltages of 1.8 V for initial nucleation growth within a short reaction time (30 s) and 1.0 V for crystal growth of Zn within a long reaction time (300 s) were used (2D-Zn). /1.8/1.0). As shown in Fig. 2(c), Zn seeds were uniformly decorated on the surface of the Ni foam at 1.8 V for 30 s (Fig. 3), and the operating voltage of 1.0 V was maintained for almost 300 s. The oriented crystal growth of Zn was induced. SEM images of 2D-Zn/1.8/1.0 (Fig. 2(f)) show stepwise interconnected 2D Zn nanostructures with a thickness of 10 nm to 25 nm and a length of 6 μm to 11 μm.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 1.8 V에서 30 초 동안 전기 도금하여 Ni 폼 표면 상의 Zn 전극의 (a) 저해상도 및 (b) 고해상도 SEM 이미지이다.3 is (a) low-resolution and (b) high-resolution SEM images of a Zn electrode on a Ni foam surface by electroplating at 1.8 V for 30 seconds according to an embodiment of the present invention.

단계적으로 상호 연결된 2D-Zn 구조의 형성 메커니즘은 다음과 같은 이유로 진행될 수 있다. 단계별 증착 전압을 제어함으로써, 타겟 기판 상의 Zn의 핵 생성 및 성장을 효율적으로 조정할 수 있다. 단시간 프레임 (핵 생성 단계) 동안 고전압을 인가한 후, 비교적 많은 Zn 시드가 저전압과 비교하여 기판 상에 전기적으로 증착될 수 있다. 결과적으로, 핵 생성 (성장 단계) 후 도금 전압을 낮추면 증착된 Zn 시드에서 Zn의 형성 속도가 변경되어 균일하고 단계적으로 구조화된 2D-Zn이 형성될 수 있다. 따라서, 단계별 전기 도금 방법은 원자 어셈블리 거동을 조정함으로써 기판 상의 2D-Zn 구조의 구조, 균일성 및 밀도를 체계적으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 단계적으로 상호 연결된 2D-Zn 전극은 순간적인 빠른 핵 형성 및 후속적으로 Zn의 느린 성장 형성을 통해 제조될 수 있다. 마지막으로, 2D-Zn의 표면에서는 네트워크 구조가 형성되어 표면에 랜덤하게 분포된다. The formation mechanism of the stepwise interconnected 2D-Zn structure can proceed for the following reasons. By controlling the step-by-step deposition voltage, the nucleation and growth of Zn on the target substrate can be efficiently adjusted. After applying a high voltage for a short time frame (nucleation phase), a relatively large number of Zn seeds can be electrically deposited on the substrate compared to the low voltage. As a result, lowering the plating voltage after nucleation (growth step) can change the formation rate of Zn in the deposited Zn seeds, resulting in the formation of uniform and stepwise structured 2D-Zn. Therefore, the step-by-step electroplating method can systematically change the structure, uniformity and density of the 2D-Zn structure on the substrate by tuning the atomic assembly behavior. Thus, stepwise interconnected 2D-Zn electrodes can be fabricated through instantaneous fast nucleation and subsequent slow growth of Zn. Finally, on the surface of 2D-Zn, a network structure is formed and randomly distributed on the surface.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 단계별 도금 공정에 의한 아연 성장의 개략도, (b) Ni 폼, (c) 2D-Zn/1.8/5sec, (d) 2D-Zn/1.8/10sec, (e) 2D-Zn/1.8/30sec 및 (f) 2D-Zn /1.8/1.0V/360sec의 SEM 이미지이다.4 is a schematic diagram of (a) zinc growth by a step-by-step plating process according to an embodiment of the present invention, (b) Ni foam, (c) 2D-Zn/1.8/5sec, (d) 2D-Zn/1.8/10sec , SEM images of (e) 2D-Zn/1.8/30 sec and (f) 2D-Zn/1.8/1.0 V/360 sec.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 개략적인 도면은 단계별 도금 프로세스 동안 타겟 기판 상의 상세한 핵 형성 및 성장 단계를 나타낸다. 도 4의 (b) 내지 도 4의 (f)는 도금 동안 핵 형성 및 성장 단계에서의 SEM 이미지를 보여준다. 이러한 SEM 이미지는 서로 다른 시드 사이트와 나노 구조화된 Zn 전극이 낮은 작동 전압에서 높은 작동 전압으로 잘 조정될 수 있음을 확인한다.As shown in Fig. 4(a), the schematic diagram shows detailed nucleation and growth steps on the target substrate during the step-by-step plating process. 4(b) to 4(f) show SEM images in the nucleation and growth stages during plating. These SEM images confirm that different seed sites and nanostructured Zn electrodes can be well tuned from low to high operating voltages.

도 5은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 2D-Zn/1.8/1.0의 저해상도 및 (b) 고해상도 TEM 이미지, (c) 2D-Zn/1.8/1.0의 선택된 영역 전자 회절(Selected area electron diffraction; SAED) 패턴이다.5 shows (a) low-resolution and (b) high-resolution TEM images of 2D-Zn/1.8/1.0, (c) selected area electron diffraction of 2D-Zn/1.8/1.0 according to an embodiment of the present invention; ; SAED) pattern.

또한, 2D-Zn/1.8/1.0의 전극은 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 고해상도 투과 전자 현미경(high-resolution transmission electron microscope; HR-TEM)에 의해 추가로 측정되었다. 평행 격자 프린지(parallel lattice fringes)의 거리가 육각형 구조를 갖는 순수한 Zn 결정의 (010) 평면에 상응하는 0.23 nm임을 쉽게 관찰할 수 있다. 또한, 2D-Zn/1.8/1.0의 결정 성질은 선택된 영역 전자 회절(selected area electron diffraction; SAED) 패턴에 의해 입증되었다 (도 5의 (c)). 6 배 대칭 회절점(six-fold symmetrical diffraction spots)은 [100] 구역 축에 해당하며, 이는 2D-Zn/1.8/1.0 Zn 나노 시트가 순수한 Zn 금속의 육각형 결정을 나타냄을 보여준다. In addition, the electrode of 2D-Zn/1.8/1.0 was further measured by a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), as shown in Figs. 5 (a) and (b). . It can be easily observed that the distance of the parallel lattice fringes is 0.23 nm, which corresponds to the (010) plane of a pure Zn crystal with a hexagonal structure. In addition, the crystalline properties of 2D-Zn/1.8/1.0 were demonstrated by a selected area electron diffraction (SAED) pattern (Fig. 5(c)). Six-fold symmetrical diffraction spots correspond to the [100] domain axis, showing that the 2D-Zn/1.8/1.0 Zn nanosheets represent hexagonal crystals of pure Zn metal.

또한, 2D-Zn 전극의 결정 구조를 조사하기 위해 X-선 회절 (XRD)을 수행하였다. 도 2의 (g)는 2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0의 XRD 패턴을 보여준다. 2 개의 날카로운 회절 피크는 면 중심 금속 Ni의 (111) 및 (200) 평면에 해당하는 44.5 º 및 51.8 º에서 관찰된다. 36.2 °, 38.9 ° 및 43.2 °에서 2D-ZN/1.8/1.0의 회절 피크는 6 각형 Zn상의 (002), (100) 및 (101) 평면과 잘 일치시킬 수 있다. (002), (100), (101) 인덱스는 Zn의 가장 강렬한 평면이며, c 축을 따라 2D-Zn이 형성되었음을 명확히 보여준다. Zn의 배향된 성장은 상호 연결된 2D 나노 구조의 형성을 이끈다. 그러나, 2D-Zn/1.0의 경우, 소량의 Zn으로 인해 육방정계 Zn상의 회절 피크가 관찰되지 않으며, 이는 다량의 Zn을 증착시키기에 1.0 V의 전기 도금 전압이 충분히 활발하지 않음을 나타낸다. 2D-Zn 전극의 화학적 상태를 분석하기 위해 X 선 광전자 분광법 (XPS)을 수행하였다. 모든 전극의 XPS 결과는 금속성 Zn 상이 성공적으로 증착되었음을 보여준다 (도 2의 (h)). 추가 열처리가 없기 때문에, XRD 및 XPS 분석에 의해 2D-Zn 전극에 멀티상(multiphase) 아연 복합체 (ZnO 또는 Zn(OH)2)가 없다는 것을 명확히 증명하여, 본 발명의 방법이 타겟 기판 상에 어떠한 측면 형성 반응도 없이 순수한 Zn 금속을 증착하는데 매우 유리하다는 것을 확인했다. 2D-Zn의 전기 전도도는 순수한 금속에 가까워 전기화학적 성능을 보장할 수 있다. Ni2+의 낮은 레벨의 산화 상태는 2D-Zn/1.0에서 검출되며, 이는 Zn 나노 구조가 Ni 집전체 상에 완전히 커버되지 않기 때문이다 (도 2의 (i)).In addition, X-ray diffraction (XRD) was performed to investigate the crystal structure of the 2D-Zn electrode. 2( g ) shows the XRD patterns of 2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0. Two sharp diffraction peaks are observed at 44.5 º and 51.8 º, corresponding to the (111) and (200) planes of the face-centered metal Ni. The diffraction peaks of 2D-ZN/1.8/1.0 at 36.2°, 38.9° and 43.2° can be in good agreement with the (002), (100) and (101) planes of the hexagonal Zn phase. The (002), (100), (101) indices are the most intense planes of Zn, clearly showing the formation of 2D-Zn along the c-axis. The oriented growth of Zn leads to the formation of interconnected 2D nanostructures. However, in the case of 2D-Zn/1.0, the diffraction peak of the hexagonal Zn phase is not observed due to the small amount of Zn, indicating that the electroplating voltage of 1.0 V is not active enough to deposit a large amount of Zn. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed to analyze the chemical state of the 2D-Zn electrode. The XPS results of all electrodes show that the metallic Zn phase was successfully deposited (Fig. 2(h)). Since there is no additional heat treatment, it is clearly demonstrated by XRD and XPS analysis that there is no multiphase zinc complex (ZnO or Zn(OH) 2 ) in the 2D-Zn electrode, so that the method of the present invention does not It was confirmed that it is very advantageous for depositing pure Zn metal without lateral formation reaction. The electrical conductivity of 2D-Zn is close to that of a pure metal, which can guarantee electrochemical performance. A low level of oxidation state of Ni 2+ is detected in 2D-Zn/1.0, because the Zn nanostructure is not completely covered on the Ni current collector (Fig. 2(i)).

2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0의 정량적 함량을 확인하기 위해, 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(inductively coupled plasma-mass spectroscopy; ICP-MS) 분석을 수행하였다. 제조된 전극의 Zn/Ni 원자비는 하기 표 1에 요약되어 있다. In order to confirm the quantitative content of 2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0, inductively coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS) analysis was performed. The Zn/Ni atomic ratios of the prepared electrodes are summarized in Table 1 below.

표 1은 본 발명의 실시예에 따른 2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0에서 Zn/Ni의 원자 비율의 변화를 나타낸 것이다.Table 1 shows changes in the atomic ratio of Zn/Ni in 2D-Zn/1.0, 2D-Zn/1.8, and 2D-Zn/1.8/1.0 according to an embodiment of the present invention.

MaterialMaterial Zn (at.%)Zn (at.%) Ni (at.%)Ni (at.%) 2D-Zn/1.02D-Zn/1.0 33 9797 2D-Zn/1.82D-Zn/1.8 3030 7070 2D-Zn/1.8/1.02D-Zn/1.8/1.0 2626 6464

2D-Zn/1.0은 비교적 낮은 Zn 함량을 포함하며, 이는 니켈 기판 상에 불충분하게 증착된 Zn을 의미한다. 한편, 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0은 각각 30 % 및 26 %의 원자 함량을 나타냈다. 고전압 초기 전위 내에서 구조화된 금속성 Zn이 성공적으로 증착되었다.Zn 전극의 새로운 나노 구조를 통해 플랫형 2D-Zn//AC ZIC 비대칭 슈퍼 커패시터를 제조했다. 전체 셀 제조를 위해, 활성탄(active carbon; AC)이 캐소드 물질로서 사용되었다. 2D-Zn/1.0 contains a relatively low Zn content, indicating insufficiently deposited Zn on the nickel substrate. On the other hand, 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0 showed atomic content of 30% and 26%, respectively. Structured metallic Zn was successfully deposited within a high voltage initial potential. A flat 2D-Zn//AC ZIC asymmetric supercapacitor was fabricated through the novel nanostructure of the Zn electrode. For whole cell fabrication, active carbon (AC) was used as the cathode material.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 (a) AC의 N2 흡착/탈착 등온선, (b) AC의 XRD 패턴이다. AC의 기공 구조를 조사하기 위해, 도 S3a에 도시된 바와 같이, N2 흡착/탈착 등온선을 사용하여 BET 측정을 수행하였다. AC의 등온선은 Type I 특성을 나타내며, 상대적으로 낮은 압력 (P/P0 <0.1)에서 Zn 미세기공 (<2 nm)이 존재함을 의미한다. 또한, 2,201 m2g-1의 높은 표면적을 가진다. 활성탄의 XRD 패턴 (도 S3b)은 약 26 ° 및 43 °에서 두 개의 넓은 피크를 나타내며, 이는 각각 비정질 탄소의 (002) 및 (100) 면에 해당한다.6 is an XRD pattern of (a) AC N 2 adsorption/desorption isotherm, and (b) AC according to an embodiment of the present invention. To investigate the pore structure of AC, as shown in Fig. S3a, BET measurements were performed using an N 2 adsorption/desorption isotherm. The AC isotherm shows Type I characteristics, indicating the presence of Zn micropores (<2 nm) at a relatively low pressure (P/P0 <0.1). It also has a high surface area of 2,201 m 2 g -1 . The XRD pattern of activated carbon (Fig. S3b) shows two broad peaks at about 26° and 43°, which correspond to the (002) and (100) planes of amorphous carbon, respectively.

제조된 활성탄은 비정질 형태를 나타내고, 2,201 m2g-1의 큰 표면적을 갖는다 (도 6의 (a)). 또한, 도 6의 (b)는 AC의 XRD 데이터를 보여준다.The prepared activated carbon exhibits an amorphous form and has a large surface area of 2,201 m 2 g -1 (FIG. 6(a)). In addition, (b) of FIG. 6 shows the XRD data of AC.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 충전 방전 테스트 전 주파수의 Nyquist plots, (b) 0.2 V ~ 1.8 V 전위 범위에서 10 mV s-1의 스캔 속도에서 순환전압 전류법(Cyclic voltammetry; CV) 곡선, (c) 0.2 V 내지 1.8 V의 전위 범위에서 0.5 A g-1 ~ 20.0 A g-1 범위의 전류 밀도에서 계산된 비정전용량, (d) 500 W kg-1 내지 20,000 W kg-1전력 밀도 및 에너지관련 Ragone plots, (e) 10,000 사이클에 걸친 전류 밀도 10.0 A g-1에서 사이클 안정성을 나타낸 그래프이다.7 is (a) Nyquist plots of the frequency before the charge/discharge test according to an embodiment of the present invention, (b) cyclic voltammetry (Cyclic voltammetry ; CV) curve, (c) specific capacitance calculated at current density ranging from 0.5 A g -1 to 20.0 A g -1 in the potential range from 0.2 V to 1.8 V, (d) 500 W kg -1 to 20,000 W kg − 1 Power density and energy-related Ragone plots, (e) A graph showing cycle stability at a current density of 10.0 A g -1 over 10,000 cycles.

도 7의 (a)는 전기 화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy; EIS) 분석에 의한 나이키스트 플롯(Nyquist plots)을 보여준다. 고주파 영역 (반원 직경)에서 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0의 전하 전송 저항(charge transfer resistance, Rct)이 2D-Zn/1.0의 것보다 낮은 것을 확인할 수 있어, 단계적으로 상호 연결된 Zn 구조가 전기적 컨택 및 전하 전송 능력을 향상시킨다는 것을 알 수 있다. 또한, 저주파 영역에서 플롯 곡선의 직선 경사는 전극 및 전해질 사이의 표면에서의 이온 확산 거동을 의미한다 (Warburg 임피던스라고 함). 2D-Zn/1.8/1.0의 가장 가파른 경사 전극이 가장 낮은 것을 나타낸다.7A shows Nyquist plots by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis. It can be seen that the charge transfer resistance (Rct) of 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0 in the high-frequency region (semicircle diameter) is lower than that of 2D-Zn/1.0, so that the stepwise interconnected It can be seen that the Zn structure improves the electrical contact and charge transfer capability. In addition, the linear slope of the plot curve in the low-frequency region implies the ion diffusion behavior at the surface between the electrode and the electrolyte (referred to as the Warburg impedance). The steepest inclined electrode of 2D-Zn/1.8/1.0 represents the lowest.

Warburg 임피던스는 전극을 통한 최고의 이온 확산 동역학(ion diffusion kinetics)을 보장한다. 도 7의 (b)는 0.2 V 내지 1.8 V의 전압 범위를 갖는 CV (Cyclic Voltammetry) 곡선을 보여준다. 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0 전극의 CV 곡선 상의 산화 환원 험프(humps)는 Zn 이온의 증착/박리 (Zn ↔ Zn2+ + 2e-)로부터의 패러데이 산화 환원 반응을 나타낸다. 도 8에 나타난 바와 같이, 스캔 속도가 증가된 2D-Zn/1.8 및 2D-Zn/1.8/1.0 전극의 CV 곡선은 원래 프로파일을 유지하여 Zn 이온 산화 환원 반응을 나타낸다. 또한, 도 9는 준비된 Zn 전극의 전기 전하 방전 곡선을 도시한다. GCD 곡선은 거의 비슷한 충전 및 방전 시간을 가지며, 뛰어난 쿨롱 효율 성능을 나타낸다. 대조적으로, 2D-Zn/1.0의 CV 곡선은 유의한 산화 환원 험프를 나타내지 않았다. 이 결과는 기판 상의 구조화되지 않은 Zn으로부터의 비교적 적은 양의 Zn 및 낮은 표면적이 눈에 띄는 전기화학적 반응을 유도하기에 불충분하다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 소량의 Zn은 AC 기반 캐소드를 갖는 전체 셀 구성 내에서 셀 전하 균형을 유지할 수 없어, 상당한 산화 환원 험프가 발생하지 않는다.The Warburg impedance ensures the best ion diffusion kinetics through the electrode. 7 (b) shows a CV (Cyclic Voltammetry) curve having a voltage range of 0.2 V to 1.8 V. Redox humps on the CV curves of the 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0 electrodes represent the Faraday redox reaction from the deposition/exfoliation of Zn ions (Zn ↔ Zn 2+ + 2e ). As shown in FIG. 8 , the CV curves of the 2D-Zn/1.8 and 2D-Zn/1.8/1.0 electrodes with increased scan rates maintain the original profile to indicate the Zn ion redox reaction. Also, Fig. 9 shows the electric charge discharge curve of the prepared Zn electrode. The GCD curves have almost similar charge and discharge times, and show excellent coulombic efficiency performance. In contrast, the CV curve of 2D-Zn/1.0 showed no significant redox hump. This result may imply that the relatively small amount of Zn and low surface area from unstructured Zn on the substrate is insufficient to induce a noticeable electrochemical reaction. In addition, small amounts of Zn cannot maintain cell charge balance within the whole cell configuration with AC-based cathodes, resulting in no significant redox hump.

2D-Zn의 모폴로지와 전기화학적 성능을 직접 비교하기 위해, 모폴로지가 다른 5 개의 전극 (얇은 Zn 포일 (구조 없음), 2D-Zn/1.0 (기판 상에 Zn 없음), 2D-Zn/1.8/30sec (기본 골격 구조), 2D-Zn/1.8/1.0 (계층 구조) 및 2D-Zn/1.8/360sec (벌키 구조)는 2 전극 셀 시스템을 통해 전기 화학적으로 테스트되었다. 도 7의 (c)와 같이, 전극의 특정 커패시턴스는 GCD 곡선 및 활성 물질의 질량에 의해 계산되었다.To directly compare the morphology and electrochemical performance of 2D-Zn, five electrodes with different morphologies (thin Zn foil (no structure), 2D-Zn/1.0 (no Zn on the substrate), 2D-Zn/1.8/30sec (basic framework structure), 2D-Zn/1.8/1.0 (hierarchical structure) and 2D-Zn/1.8/360sec (bulky structure) were electrochemically tested through a two-electrode cell system, as shown in Fig. 7(c). , the specific capacitance of the electrode was calculated by the GCD curve and the mass of the active material.

캐패시턴스 성능 측면에서, 2D-Zn/1.8/1.0 전극은 0.5 A g-1의 전류 밀도에서 468 F g-1의 최고 특정 캐패시턴스에 도달할 수 있다. 또한, 20.0 A g-1의 고전류 밀도에서 2D-Zn/1.8/1.0의 특정 캐패시턴스는 150 F g-1까지 유지할 수 있다. 이와는 대조적으로, 2D-Zn/1.0 전극에는 특정 구조물이 없는 Ni 기판 상에 다량의 Zn 도금이 포함되어 있지 않다. 결과적으로, Zn 이온과 무시할 수 있는 전기화학적 반응성을 가진다. 2D-Zn/1.8/30s 및 2D-Zn/1.8 전극의 특정 캐패시턴스는 각각 0.5 A g-1의 전류 밀도에서 436 F g-1 및 406 F g-1로, 2D-Zn/1.8/1.0 전극보다 낮다 (도 10). 이러한 결과는 작동 전압이 1.0 V인 추가 2차 전기 도금 단계가 1.8 V인 초기 전기 도금 이후 표면적이 훨씬 더 커짐을 나타낸다. 2D-Zn/1.8 전극은 2D-Zn/1.8/30s 전극보다 낮은 커패시턴스를 나타낸다.In terms of capacitance performance, the 2D-Zn/1.8/1.0 electrode can reach the highest specific capacitance of 468 F g -1 at a current density of 0.5 A g -1 . In addition, a specific capacitance of 2D-Zn/1.8/1.0 at a high current density of 20.0 A g -1 can be maintained up to 150 F g -1 . In contrast, the 2D-Zn/1.0 electrode does not contain a large amount of Zn plating on the Ni substrate without specific structures. As a result, it has negligible electrochemical reactivity with Zn ions. The specific capacitances of the 2D-Zn/1.8/30s and 2D-Zn/1.8 electrodes were 436 F g -1 and 406 F g -1 and 406 F g -1 at a current density of 0.5 A g -1 , respectively, higher than that of the 2D-Zn/1.8/1.0 electrode. low (Fig. 10). These results indicate that an additional secondary electroplating step with an operating voltage of 1.0 V leads to a much larger surface area after the initial electroplating at 1.8 V. The 2D-Zn/1.8 electrode exhibits lower capacitance than the 2D-Zn/1.8/30s electrode.

이는 2D-Zn/1.8이 전극 표면의 전체 활성 사이트를 감소시킬 수 있는 훨씬 두껍고 부피가 큰 2D 구조를 가지고 있기 때문이다. 속도 유지 결과에 따르면, 단계적 구조를 가지는 2D-Zn/1.8/1.0의 계산된 속도 유지 값은 가장 큰 값 (

Figure 112020055643414-pat00001
32 %)을 가지며, 주로 2D-Zn/1.8/30s(%) (13.7 %) 및 2D-Zn/1.8 (
Figure 112020055643414-pat00002
12.2 %)의 값보다 훨씬 크다. 이는 2D-Zn/1.8/1.0의 단계적 구조가 충분한 전해질 이온 접촉을 제공하므로 이온 확산의 운동성을 향상시킬 수 있음을 의미한다. 결과적으로, 유도된 2D-나노구조는 전기화학적 캐패시턴스와 전하-전송 운동학을 개선할 수 있다. 따라서, 단계적으로 상호 연결된 Zn 구조를 구축하기 위해 전기 도금의 2단계 프로세스는 전체적인 에너지 저장 성능을 높이는데 매우 유리하다. 도 11에 도시된 바와 같이, 평평하고 얇은 Zn 포일은 최저 캐패시턴스 (전류 밀도 0.5 A g-1에서 280 F g-1), 속도 유지율 (0.5 A g-1 내지 150 F g-1까지의 전류 밀도로부터
Figure 112020055643414-pat00003
1 %), 및 가장 평평한 EIS Warburg 임피던스를 보여주며, 전극의 구조의 중요성을 입증한다.This is because 2D-Zn/1.8 has a much thicker and bulky 2D structure that can reduce the total active sites on the electrode surface. According to the rate holding result, the calculated rate holding value of 2D-Zn/1.8/1.0 with a hierarchical structure was the largest (
Figure 112020055643414-pat00001
32%), mainly 2D-Zn/1.8/30s(%) (13.7%) and 2D-Zn/1.8 (
Figure 112020055643414-pat00002
12.2%). This means that the hierarchical structure of 2D-Zn/1.8/1.0 can improve the kinetics of ion diffusion as it provides sufficient electrolyte ion contact. Consequently, the derived 2D-nanostructure can improve the electrochemical capacitance and charge-transfer kinetics. Therefore, the two-step process of electroplating to build a stepwise interconnected Zn structure is very advantageous to increase the overall energy storage performance. 11, the flat and thin Zn foil has the lowest capacitance (current density 0.5 A g -1 to 280 F g -1 ), rate retention (current density from 0.5 A g -1 to 150 F g -1 ). from
Figure 112020055643414-pat00003
1%), and the flattest EIS Warburg impedance, demonstrating the importance of the structure of the electrode.

Ragone plot (도 3의 (d))에서 강조된 바와 같이, 2D-Zn/1.8/1.0의 전극은 500 W kg-1의 전력 밀도에서 208 W h kg-1의 최대 에너지 밀도를 나타내며, 최대 20,000 W kg-1은 66 W h kg-1의 잔류 에너지 밀도로 획득할 수 있으며, 이는 이전에 보고된 슈퍼 커패시터보다 훨씬 높다. 또한, 2D-Zn/1.8/1.0의 사이클링 안정성은 10,000 사이클에 걸쳐 10.0 A g-1의 전류 밀도에서 테스트되었다 (도 3의 (e)). 2D-Zn/1.8/1.0 전극은 10,000 회 사이클 후에도 99 %의 커패시턴스 유지율로 탁월한 사이클링 안정성을 보여준다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 전하 전송 저항과 Warburg 임피던스 EIS 측정에 의해 5,000 회 및 10,000 회 사이클링 테스트 후에도 변경되지 않아 2D-Zn ZIC의 우수한 전기 화학적 동역학 및 안정성을 입증한다.As highlighted in the Ragone plot (Fig. 3(d)), the electrode of 2D-Zn/1.8/1.0 exhibited a maximum energy density of 208 W h kg -1 at a power density of 500 W kg -1 , and a maximum energy density of 20,000 W kg −1 can be obtained with a residual energy density of 66 W h kg −1 , which is much higher than previously reported supercapacitors. In addition, the cycling stability of 2D-Zn/1.8/1.0 was tested at a current density of 10.0 A g −1 over 10,000 cycles (Fig. 3(e)). The 2D-Zn/1.8/1.0 electrode shows excellent cycling stability with a capacitance retention of 99% even after 10,000 cycles. In addition, as shown in Fig. 12, it did not change even after 5,000 and 10,000 cycles of cycling tests by charge transfer resistance and Warburg impedance EIS measurements, demonstrating the excellent electrochemical kinetics and stability of 2D-Zn ZIC.

Zn 포일 기반 ZIC를 포함한 이전의 연구에서, 전해액의 pH가

Figure 112020055643414-pat00004
5.3으로 증가하면 Zn4SO4 (OH)6·5H2O와 같은 징크 설페이트 하이드록사이드 하이드레이트(zinc sulfate hydroxide hydrate)가 전극 표면 상에 형성되고, 사이클링 프로세스동안 pH가 감소하면 침전(precipitation)이 재용해 된다. 그러나 본 발명의 전기화학적 시스템에서는 전극 표면에서 징크 설페이트 하이드록사이드 하이드레이트의 침전/용해 반응이 관찰되지 않았다. 2D-Zn 전극을 상이한 차단 전압과 함께 순환시키고, 각 전극의 XRD 실험을 수행하여 (도 13), 징크 설페이트 하이드록사이드 하이드레이트의 형성이 없음을 나타낸다. Zn 이온을 갖는 비활성 Ni 집전체가 안정적인 백본 및 전자 경로로 작용하여 부반응없이 안정적인 전기화학적 프로세스를 유도할 수 있다고 가정할 수 있다. 중요한 것은, 이 증착 방법은 에너지 저장 응용을 위해 다양한 전도성 기판과 쉽게 호환될 수 있기 때문에, 이 프로세스는 다양한 플랫폼을 갖는 다른 플렉서블 전도성 기판에 적용될 수 있으며, 단계적으로 상호 연결된 2D Zn 나노 구조를 성공적으로 제조할 수 있다.In previous studies involving Zn foil-based ZICs, the pH of the electrolyte was
Figure 112020055643414-pat00004
When increasing to 5.3, zinc sulfate hydroxide hydrate such as Zn 4 SO 4 (OH) 6 ·5H 2 O is formed on the electrode surface, and when the pH decreases during the cycling process, precipitation is is re-dissolved. However, in the electrochemical system of the present invention, no precipitation/dissolution reaction of zinc sulfate hydroxide hydrate was observed on the electrode surface. The 2D-Zn electrodes were cycled with different cut-off voltages, and XRD experiments of each electrode were performed ( FIG. 13 ), indicating no formation of zinc sulfate hydroxide hydrate. It can be hypothesized that an inert Ni current collector with Zn ions can act as a stable backbone and electron pathway to induce a stable electrochemical process without side reactions. Importantly, since this deposition method is easily compatible with a variety of conductive substrates for energy storage applications, this process can be applied to other flexible conductive substrates with various platforms and successfully fabricated stepwise interconnected 2D Zn nanostructures. can be manufactured.

따라서, 플렉서블 섬유 기판 상에 2D-Zn 금속의 성공적인 형성을 위해 전압 맞춤 전기 도금 방법이 체계적으로 적용될 수 있다. 섬유형 2D-Zn ZIC는 잘 짜여져 있는 2D 나노 구조로 인해 뛰어난 에너지 저장 성능을 보여준다. 도 14의 (a) 및 도 15에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 상의 2D-Zn 구조 (2D-Zn@CF)는 애노드로서 성공적으로 제조되었다. 탄소 섬유 상의 활성탄 (AC@CF)는 또한 캐소드로서 용액 캐스팅 법에 의해 수행되었다. 풀셀 섬유형 ZIC를 제조하기 위해, AC@CF 전극을 세퍼레이터로서 셀룰로오스 페이퍼로 둘러싸고 (도 16), 이어서 AC@CF 전극을 2D-Zn@CF 애노드에 의해 추가로 직조하였다. 겔 전해질 (도 17)은 탈이온수에서 1 M 아연 설페이트 (ZnSO4) 및 폴리(비닐알코올) (PVA)의 균질 혼합물에 의해 제조되었다. ZnSO4/PVA 겔 전해질을 Zn//AC 셀 상에 조심스럽게 코팅 하였다. 마지막으로, 화학적 및 물리적 보호를 위해 섬유형 ZIC를 캡슐화하기 위해 열 수축 튜브를 덮었다.Therefore, for the successful formation of 2D-Zn metal on the flexible fiber substrate, the voltage-matched electroplating method can be systematically applied. The fibrous 2D-Zn ZIC exhibits excellent energy storage performance due to its well-woven 2D nanostructure. As shown in Fig. 14(a) and Fig. 15, a 2D-Zn structure (2D-Zn@CF) on carbon fiber was successfully prepared as an anode. Activated carbon on carbon fiber (AC@CF) was also carried out by solution casting method as cathode. To fabricate the full-cell fibrous ZIC, the AC@CF electrode was wrapped with cellulose paper as a separator (FIG. 16), and then the AC@CF electrode was further woven by a 2D-Zn@CF anode. A gel electrolyte ( FIG. 17 ) was prepared by a homogeneous mixture of 1 M zinc sulfate (ZnSO 4 ) and poly(vinylalcohol) (PVA) in deionized water. A ZnSO 4 /PVA gel electrolyte was carefully coated on the Zn//AC cell. Finally, heat shrink tubing was covered to encapsulate the fibrous ZIC for chemical and physical protection.

도 18은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 탄소 섬유의 저해상도 및 (b) 고해상도 SEM 이미지이다. 탄소 섬유의 미세 구조를 측정하기 위해 주사 전자 현미경(SEM)을 사용했다. 개별 탄소 섬유는 평평한 표면과 8 ㎛ ~ 9 ㎛의 직경을 가지고 있다 (도 16). 탄소 섬유는 우수한 유연성을 갖기 때문에 탄소 성분은 웨어러블 백본에 적합하며, (1) 긴 탄소 섬유 상에 증착된 Zn 나노 구조물은 에너지 저장 성능의 저하없이 변형력을 처리할 수 있다; (2) 다수의 탄소 섬유 번들은 전해질 이온의 흡착/탈착 사이트로서 작용하는 큰 전기 화학적 활성 영역을 제공할 수 있는 것으로 예상한다. 개별 탄소 섬유는 평평한 표면과 8 ㎛ ~ 9 ㎛의 직경을 가지고 있다.18 is a (a) low-resolution and (b) high-resolution SEM image of a carbon fiber according to an embodiment of the present invention. Scanning electron microscopy (SEM) was used to measure the microstructure of carbon fibers. Individual carbon fibers have a flat surface and a diameter of 8 μm to 9 μm ( FIG. 16 ). Since carbon fibers have excellent flexibility, carbon components are suitable for wearable backbones, and (1) Zn nanostructures deposited on long carbon fibers can handle strain without degrading energy storage performance; (2) It is expected that multiple carbon fiber bundles can provide large electrochemically active areas that act as adsorption/desorption sites for electrolyte ions. Individual carbon fibers have a flat surface and a diameter of 8 μm to 9 μm.

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 표면 기능화없이 탄소 섬유 상에서 2D Zn 나노 구조의 (a) 저해상도 및 (b) 고해상도 SEM 이미지이다.19 is (a) low-resolution and (b) high-resolution SEM images of 2D Zn nanostructures on carbon fibers without surface functionalization according to an embodiment of the present invention.

탄소 섬유의 열악한 표면 젖음성은 전기 도금된 금속 재료의 균일한 핵 생성 및 성장을 방해할 수 있다 (도 19). 따라서, 탄소 섬유의 표면 기능화는 표면 화학적 산화법에 의해 표면 에너지 및 습윤성을 조절하기 위해 수행되었다. The poor surface wettability of carbon fibers can prevent uniform nucleation and growth of the electroplated metallic material (FIG. 19). Therefore, the surface functionalization of carbon fibers was performed to control the surface energy and wettability by the surface chemical oxidation method.

도 20은 본 발명의 실시예에 따른 표면 기능화 (a) 전 및 (b) 후 탄소 섬유의 C 1s XPS 스펙트럼이다. 표면 기능화 후 탄소 섬유의 산소 함유 기능기의 백분율이 21.7 %에서 40.7 %로 증가하여 탄소 섬유의 양호한 표면 상태를 암시한다 (도 20). 도 14의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 전기 도금 전압 조건 하에서 2D-Zn@CF 셀의 SEM 이미지를 나타낸다. 1.0 V의 작동 전압에서, Zn의 상호 연결된 나노 구조는 10 nm ~ 25 nm의 얇은 두께와 1 ㎛ ~ 3 ㎛의 길이로 성공적으로 도금되었다.20 is a C 1s XPS spectrum of a carbon fiber before (a) and after (b) surface functionalization according to an embodiment of the present invention. After surface functionalization, the percentage of oxygen-containing functional groups in the carbon fiber increased from 21.7% to 40.7%, suggesting a good surface condition of the carbon fiber (Fig. 20). 14 (b) shows an SEM image of a 2D-Zn@CF cell under different electroplating voltage conditions according to an embodiment of the present invention. At an operating voltage of 1.0 V, interconnected nanostructures of Zn were successfully plated with a thickness of 10 nm to 25 nm and a length of 1 μm to 3 μm.

도 21은 본 발명의 실시예에 따른 (a 및 b) 0.7 V 및 (c 및 d) 1.5 V의 인가 전압에서 전기 도금에 의해 2D Zn 나노 구조-장식된 탄소 섬유를 나타낸다.21 shows 2D Zn nanostructure-decorated carbon fibers by electroplating at applied voltages of (a and b) 0.7 V and (c and d) 1.5 V according to an embodiment of the present invention.

대조적으로, 0.7 V의 전압에서, 도금 전위는 단계적 나노 구조를 형성하기에 충분하지 않으며 Zn의 평탄한 커버리지로 이어진다 (도 21의 (a) 및 (b)). 반면, 1.5 V의 전압에서, Zn의 벌크 형태를 제외하고는 예상되는 2 차원 Zn 나노 구조는 관찰되지 않았다 (도 21의 (c) 및 (d)). 도 14의 (c)에 도시된 바와 같이, 2D-Zn@CF의 XRD 피크는 육방정계 Zn의 결정 구조에 잘 인덱스 되어 있다. 또한, 2D-Zn@CF 샘플에서 금속 Zn의 화학적 상태는 XPS 분석에 의해 입증된다 (도 14의 (d)). In contrast, at a voltage of 0.7 V, the plating potential is not sufficient to form a stepped nanostructure and leads to a flat coverage of Zn (Fig. 21(a) and (b)). On the other hand, at a voltage of 1.5 V, the expected two-dimensional Zn nanostructure was not observed except for the bulk form of Zn (Fig. 21(c) and (d)). As shown in Fig. 14(c), the XRD peak of 2D-Zn@CF is well indexed to the crystal structure of hexagonal Zn. In addition, the chemical state of metal Zn in the 2D-Zn@CF sample is verified by XPS analysis (Fig. 14(d)).

도 22는 본 발명의 실시예에 따른 공기 중에서 10 ℃/min-1의 가열 속도로 200 ℃에서 950 ℃까지 2D-Zn@CF의 TGA 곡선이다. 탄소 섬유 상의 Zn의 함량을 조사하기 위해 열 중량 분석도 수행되었다 (도 22). TGA는 또한 Zn 함량을 확인하기 위해 200 ℃ 내지 950 ℃에서 공기 중에서 수행되었다. 탄소 섬유의 중량은 100 % 손실에 할당되는데, 이는 불순물없이 탄소 복합체의 단 하나의 상만이 존재함을 의미한다. 한편, 2D Zn@CFs의 TGA 곡선은 Zn 원자의 존재를 나타내는 52 %의 중량 손실을 포함한다. 또한, 2D Zn@CFs의 중량 손실 곡선은 산화된 Zn 금속 (ZnO) 때문에 증가하는 온도 내에서 약간 증가한다.2D-Zn@C는 52 %의 중량 손실을 나타내며, 이는 Zn 원자의 존재를 나타낸다.22 is a TGA curve of 2D-Zn@CF from 200 °C to 950 °C in air at a heating rate of 10 °C/min -1 according to an embodiment of the present invention. Thermogravimetric analysis was also performed to investigate the content of Zn on the carbon fibers ( FIG. 22 ). TGA was also performed in air at 200 °C to 950 °C to confirm the Zn content. The weight of the carbon fiber is assigned to a 100% loss, meaning that there is only one phase of the carbon composite without impurities. On the other hand, the TGA curve of 2D Zn@CFs contains a weight loss of 52% indicating the presence of Zn atoms. In addition, the weight loss curves of 2D Zn@CFs slightly increase with increasing temperature due to the oxidized Zn metal (ZnO). 2D-Zn@C shows a weight loss of 52%, indicating the presence of Zn atoms.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 0.2 V 내지 l 1.8 V의 전위 범위에서 5 mV s-1 내지 200 mV s-1에서 변화하는 스캔 속도에서 2D-Zn@CF의 CV 곡선 (b) 0.05 mA cm-2 내지 3 mA cm-2 범위의 전류 밀도에서 2D-Zn@CF의 GCD 곡선이다. 섬유형 2D-Zn ZIC의 전기 화학적 거동은 CV 곡선과 GCD 곡선 (도 23)으로 조사되었으며, 이는 플랫형 ZIC 결과와 잘 일치한다.23 is a CV curve of 2D-Zn@CF at a scan rate varying from 5 mV s −1 to 200 mV s −1 in a potential range of 0.2 V to 1 1.8 V according to an embodiment of the present invention (a) (b) ) GCD curves of 2D-Zn@CF at current densities ranging from 0.05 mA cm -2 to 3 mA cm -2 . The electrochemical behavior of the fibrous 2D-Zn ZIC was investigated by CV curve and GCD curve (Fig. 23), which is in good agreement with the flat ZIC result.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른 0.7 V 및 1.5 V의 인가 전압에서 탄소 섬유 위에 전기증착된Zn 2D Zn 나노 구조체 및 2D Zn@CF의 계산된 비정전용량 그래프이다. 섬유형 2D-Zn ZIC는 0.05 ~ 3.0 mA cm-2의 전류 밀도에서 56 ~ 24 mF cm-2의 높은 비정전용량을 달성할 수 있다 (도 24).24 is a graph of the calculated specific capacitance of Zn 2D Zn nanostructures and 2D Zn@CF electrodeposited on carbon fibers at applied voltages of 0.7 V and 1.5 V according to an embodiment of the present invention. The fibrous 2D-Zn ZIC can achieve a high specific capacitance of 56-24 mF cm -2 at a current density of 0.05-3.0 mA cm -2 (FIG. 24).

도 25는 본 발명의 실시예에 따른 0.7 V 및 1.5 V의 인가 전압에서 탄소삼유 위에 전기증착된 Zn 2D Zn 나노 구조 및 2D-Zn@CF의 EIS 곡선이다. 또한, EIS 결과는 또한 2D-Zn의 상호 연결된 나노 구조가 유리한 이온 확산 능력을 제공한다는 것을 분명히 확인시켜 준다 (도 25).25 is an EIS curve of Zn 2D Zn nanostructure and 2D-Zn@CF electrodeposited on carbon sesame oil at applied voltages of 0.7 V and 1.5 V according to an embodiment of the present invention. In addition, the EIS results also clearly confirm that the interconnected nanostructures of 2D-Zn provide advantageous ion diffusion capacity (Fig. 25).

도 26은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 50 μW cm-2 내지 3,000 μW cm-2 전력 밀도 및 에너지와 관련된 Ragone plots, (b) 10,000 사이클 동안 1.0 mA cm-2의 사이클 안정성, (c) 직선, 접힘 및 매듭 상태에서의 캐패시턴스 유지율, (d) 15 시간 동안 수중에서 획득된 커패시턴스 유지율, (e) 수중에서 결합된 상태(knotted state)에서 직렬 및 병렬로 연결된 섬유형 ZIC에 의해 구동되는 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.26 is (a) 50 μW cm -2 to 3,000 μW cm -2 Ragone plots related to power density and energy, (b) cycle stability of 1.0 mA cm -2 for 10,000 cycles, (c) ) capacitance retention in straight, folded and knotted states, (d) capacitance retention obtained in water for 15 h, (e) in water driven by series and parallel connected fiber ZICs in the knotted state. A diagram showing a light emitting diode.

에너지 및 전력 밀도는 Ragone 플롯에서 강조된 대로 계산되었다 (도 26의 (a)). 섬유형 ZIC는 25 ~ 12 μW cm-2의 높은 에너지 밀도를 가지며, 또한 50 ~ 3,000 μW cm-2 범위의 우수한 전력 밀도뿐만 아니라 10,000 사이클에 걸쳐 높은 사이클링 안정성을 나타내는데, 이는 다른 보고된 섬유형 커패시터 보다 더 우수하다 (도 26의 (b)). Energy and power densities were calculated as highlighted in the Ragone plot (Fig. 26(a)). Fiber-type ZICs have high energy densities of 25 to 12 μW cm -2 , and also exhibit high cycling stability over 10,000 cycles as well as excellent power densities ranging from 50 to 3,000 μW cm -2 , which is similar to that of other reported fiber-type capacitors. even better (Fig. 26(b)).

도 27은 본 발명의 실시예에 따른 10,000 사이클 후 ZIC 2D-Zn/1.8/1.0 및 2D-Zn@CF의 (a 및 b) 저해상도 및 (c 및 d) 고해상도 SEM 이미지이다.27 is (a and b) low-resolution and (c and d) high-resolution SEM images of ZIC 2D-Zn/1.8/1.0 and 2D-Zn@CF after 10,000 cycles according to an embodiment of the present invention.

사이클링 테스트 후, ZIC 2D-Zn/1.8/1.0 및 2D-Zn@CF 둘 모두의 구조적 분해는 SEM을 사용하여 조사되었다 (도 27). 원래 모폴로지 2D-Zn은 10,000 사이클 후에도 잘 유지되었으며, 이는 해당 덴드라이트(dendrites)가 Zn 표면에 형성되지 않을 수 있음을 나타낸다. 따라서, Zn 이온 에너지 저장 응용 분야는 안정적이고 장기적인 운영에 가장 적합한 후보이다. 또한, 도 26의 (c)는 섬유형 ZIC가 접혀지고 매듭을 지어도 원래의 에너지 저장 성능을 유지할 수 있다는 것을 나타내고, 이는 섬유형 ZIC의 높은 기계적 유연성을 나타낸다.After the cycling test, the structural resolution of both ZIC 2D-Zn/1.8/1.0 and 2D-Zn@CF was investigated using SEM (Fig. 27). The original morphology 2D-Zn remained well after 10,000 cycles, indicating that the corresponding dendrites may not form on the Zn surface. Therefore, Zn ion energy storage applications are the best candidates for stable and long-term operation. In addition, (c) of FIG. 26 shows that the fibrous ZIC can maintain its original energy storage performance even when folded and knotted, indicating high mechanical flexibility of the fibrous ZIC.

이러한 결과는 전압-맞춤형 전기 도금 방법이 플렉서블 에너지 저장 어플리케이션을 제조하기위한 강력한 엔지니어링 툴임을 확인시켜준다. 또한, ZIC의 방수 기능도 검사했다. 섬유형 ZIC의 전기 화학적 성능은 도 26의 (d)에 도시된 바와 같이 침전 하에서 평가되었다. ZIC의 커패시턴스는 장기간 사용할 수 있도록 수중에서 잘 유지된다. These results confirm that the voltage-specific electroplating method is a powerful engineering tool for fabricating flexible energy storage applications. In addition, the water resistance of the ZIC was also tested. The electrochemical performance of the fibrous ZIC was evaluated under precipitation as shown in Fig. 26(d). The capacitance of the ZIC is well maintained in water for long-term use.

도 28은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 직렬 및 (b) 병렬로 연결된 2D-Zn@CF를 갖는 두 개의 섬유형 ZICs의 GCD 곡선, (c) 전체 디바이스 커패시턴스 및 병렬로 연결된 섬유-기반 ZICs 수의 관계를 나타낸 그래프이다.28 shows GCD curves of two fiber-like ZICs with (a) series and (b) parallel connected 2D-Zn@CF, (c) total device capacitance and parallel-connected fiber-based in accordance with an embodiment of the present invention. It is a graph showing the relationship between the number of ZICs.

두 개의 섬유형 ZIC는 직렬 또는 병렬로 연결되었다 (도 28의 (a) 및 (b)). 두 장치가 직렬로 연결되면 충전/방전 전압 범위가 두 배가 되고, 전체 GCD 시간은 병렬로 두 배가 증가한다. 다중 섬유형 ZIC (최대 5 개 장치)가 병렬로 연결되었고 (도 28의 (c)), 전체 커패시턴스는 연결된 ZIC 장치 수에 따라 비례적으로 증가했다. 마지막으로, 다중 섬유형 ZIC가 수중에서 강하게 매듭이 지어져 있음에도 불구하고 적색 발광 다이오드(LED)에 전원을 성공적으로 공급할 수 있음을 입증했다 (도 26의 (e)).Two fibrous ZICs were connected in series or in parallel (Fig. 28(a) and (b)). When two devices are connected in series, the charge/discharge voltage range is doubled and the total GCD time is doubled in parallel. Multi-fiber type ZICs (up to 5 devices) were connected in parallel (Fig. 28(c)), and the total capacitance increased proportionally with the number of connected ZIC devices. Finally, we demonstrated that multi-fiber type ZICs can successfully power red light-emitting diodes (LEDs) despite being strongly knotted in water (Fig. 26(e)).

결론conclusion

요약하면, 본 발명의 실시예에서는 슈퍼 커패시터의 전체 이온 및 전자 전송 성능을 향상시키기 위해 전기 도금 방법으로 단계적으로 상호 연결된 2D Zn 나노 구조를 제조했다. 플랫형 ZIC는 500W kg-1의 고출력 밀도에서 208 Wh kg-1의 높은 에너지 밀도를 달성할 뿐만 아니라 10,000 회 이상의 뛰어난 장기 사이클을 달성한다. 또한, 섬유형 ZIC는 50 μWh cm-2의 고출력 밀도에서 뛰어난 에너지 밀도, 25 μWh cm-2의 뛰어난 에너지 저장 성능, 뛰어난 사이클링 안정성, 우수한 기계적 유연성 및 우수한 방수 특성을 보여준다. 본 발명의 실시예에 따라 제조된 슈퍼 커패시터의 뛰어난 성능은 전기 화학적으로 큰 활성 사이트를 제공하는 나노 아키텍처로 인해 높은 에너지 저장 성능을 제공하고, 단계적으로 상호 연결된 2D-Zn 나노 구조에서 향상된 이온 전송을 유도하는 것이라고 본다. 따라서, 본 발명은 전압 맞춤형 전기 도금 방법과 다음 2D-Zn 구조가 미래의 웨어러블 에너지 저장 응용 분야에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있으며 아연-이온 애노드 배터리와 같은 다른 디바이스에 적용될 수 있음을 보여준다.In summary, in an embodiment of the present invention, stepwise interconnected 2D Zn nanostructures were fabricated by an electroplating method to improve the overall ion and electron transport performance of supercapacitors. The flat ZIC achieves a high energy density of 208 Wh kg -1 at a high power density of 500 W kg -1 as well as an outstanding long-term cycle of over 10,000 cycles. In addition, the fibrous ZIC exhibits excellent energy density at high power density of 50 μWh cm -2 , excellent energy storage performance of 25 μWh cm -2 , excellent cycling stability, excellent mechanical flexibility, and excellent waterproof properties. The excellent performance of the supercapacitors fabricated according to the embodiment of the present invention is due to the nano-architecture providing electrochemically large active sites, high energy storage performance, and enhanced ion transport in the stepwise interconnected 2D-Zn nanostructures. I think it induces. Therefore, the present invention shows that the voltage tailored electroplating method and the following 2D-Zn structures can provide new insights for future wearable energy storage applications and can be applied to other devices such as zinc-ion anode batteries.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (17)

기판 상에 전이금속으로 제1 전기도금하는 단계; 및
상기 전이금속 도금된 기판을 상기 전이금속으로 제2 전기도금하는 단계;
를 포함하고,
상기 전이금속은 아연(Zn)이고,
상기 제1 전기도금 하는 단계는, 0.5 V 내지 2 V의 전압을 10 초 내지 60 초 동안 인가하는 것이고,
상기 제2 전기도금 하는 단계는, 0.5 V 내지 2 V의 전압을 300 초 내지 500 초 동안 인가하는 것이고,
상기 제1 전기도금 하는 단계는 상기 제2 전기도금 하는 단계보다 더 큰 전압을 인가하는 것이고,
상기 제1 전기도금 하는 단계 및 상기 제2 전기도금 하는 단계는, 2-전극 셀에서 수행되는 것인,
다공성 전극의 제조방법.
A first electroplating step with a transition metal on the substrate; and
second electroplating the transition metal-plated substrate with the transition metal;
including,
The transition metal is zinc (Zn),
The first electroplating step is to apply a voltage of 0.5 V to 2 V for 10 seconds to 60 seconds,
The second electroplating step is to apply a voltage of 0.5 V to 2 V for 300 seconds to 500 seconds,
The first electroplating step is to apply a higher voltage than the second electroplating step,
The first electroplating step and the second electroplating step are performed in a two-electrode cell,
A method for manufacturing a porous electrode.
제1항에 있어서,
상기 기판은 Ni 폼(Ni-foam), 탄소-함유 기판 또는 이 둘을 포함하는 것인,
다공성 전극의 제조방법.
According to claim 1,
Wherein the substrate comprises a Ni-foam, a carbon-containing substrate, or both,
A method for manufacturing a porous electrode.
제2항에 있어서,
상기 탄소-함유 기판은, 탄소 섬유, 활성탄, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 케쳔 블랙, 슈퍼-P(Super-P), 미세 흑연분말, 탄소나노튜브(CNT), 섬유상의 탄소인 휘스커, 증기성장 탄소 섬유(VGCF), 그래핀 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
다공성 전극의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The carbon-containing substrate may include carbon fiber, activated carbon, carbon black, acetylene black, furnace black, ketchup black, super-P (Super-P), fine graphite powder, carbon nanotubes (CNT), fibrous carbon whiskers, Which comprises at least one selected from the group consisting of vapor-grown carbon fiber (VGCF), graphene and graphite,
A method for manufacturing a porous electrode.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 전기도금 단계는, 상기 전이금속의 시드를 핵 형성시키는 것인,
다공성 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The first electroplating step is to nucleate the seeds of the transition metal,
A method for manufacturing a porous electrode.
제6항에 있어서,
상기 제2 전기도금 단계는, 상기 핵 형성된 시드를 결정 성장시키는 것인,
다공성 전극의 제조방법.
7. The method of claim 6,
In the second electroplating step, the nucleated seed is crystal-grown,
A method for manufacturing a porous electrode.
삭제delete 제1항의 다공성 전극의 제조방법에 의해 제조된 다공성 전극.
A porous electrode prepared by the method of claim 1 .
제9항에 있어서,
상기 다공성 전극은 다공성 상호 연결된 2차원 나노 기공을 포함하는 것인,
다공성 전극.
10. The method of claim 9,
The porous electrode will include a porous interconnected two-dimensional nanopores,
porous electrode.
제9항에 있어서,
상기 다공성 전극의 비표면적이 50 m2/g 내지 3000 m2/g인 것인,
다공성 전극.
10. The method of claim 9,
The specific surface area of the porous electrode will be 50 m 2 /g to 3000 m 2 /g,
porous electrode.
제9항에 있어서,
상기 다공성 전극의 기공 직경은 10 nm 내지 500 nm인 것인,
다공성 전극.
10. The method of claim 9,
The pore diameter of the porous electrode will be 10 nm to 500 nm,
porous electrode.
제9항에 있어서,
상기 다공성 전극은 플랫형, 섬유형 또는 이 둘을 포함하는 것인,
다공성 전극.
10. The method of claim 9,
The porous electrode will include a flat type, a fibrous type, or both,
porous electrode.
제9항의 다공성 전극을 포함하는 캐소드;
애노드; 및
상기 캐소드 및 상기 애노드 사이에 채워지는 전해질;
을 포함하는,
슈퍼 커패시터.
A cathode comprising the porous electrode of claim 9;
anode; and
an electrolyte filled between the cathode and the anode;
containing,
super capacitor.
제14항에 있어서,
상기 슈퍼 커패시터는,
0.5 A g-1 전류밀도에서, 400 F g-1 내지 500 F g-1의 커패시턴스를 가지고,
20.0 A g-1 전류밀도에서, 100 F g-1 내지 200 F g-1의 커패시턴스를 가지는 것인,
슈퍼 커패시터.
15. The method of claim 14,
The supercapacitor is
At 0.5 A g -1 current density, having a capacitance of 400 F g -1 to 500 F g -1 ,
At a current density of 20.0 A g -1 , it has a capacitance of 100 F g -1 to 200 F g -1 ,
super capacitor.
제14항에 있어서,
상기 슈퍼 커패시터는, 1 내지 10,000의 정전류 충방전 사이클(galvanostatic charge-discharge cycles)에서 98 % 이상의 커패시턴스 유지율을 가지는 것인,
슈퍼 커패시터.
15. The method of claim 14,
wherein the supercapacitor has a capacitance retention of 98% or more in galvanostatic charge-discharge cycles of 1 to 10,000,
super capacitor.
제14항에 있어서,
상기 슈퍼 커패시터는 아연 이온 슈퍼 커패시터인 것인,
슈퍼 커패시터.
15. The method of claim 14,
The supercapacitor is a zinc ion supercapacitor,
super capacitor.
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