KR102372233B1 - Manufacturing methods and electrode material applications of poly(ether amide)-based carbon nanofibers - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a poly(ether-amide)-based polymer based carbon nanofiber and a manufacturing method therefor. More specifically, the present invention provides a method for manufacturing a carbon nanofiber doped with molecular sieve nitrogen by carbonizing a poly(ether-amide)-based aromatic polymer based nanofiber precursor, and a use as an electrode material thereof, wherein the electrode material has a higher capacitance and a higher energy density compared with those of existing carbon-based electrode materials.

Description

폴리에테르아마이드 고분자 기반 탄소나노섬유의 제조방법 및 전극소재로의 응용 {Manufacturing methods and electrode material applications of poly(ether amide)-based carbon nanofibers} {Manufacturing methods and electrode material applications of poly(ether amide)-based carbon nanofibers}

본 발명은 방향족 폴리에테르아마이드 고분자 기반 탄소나노섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 방향족 폴리에테르아마이드 고분자 기반으로 한 나노섬유 전구체를 탄화시킴으로써 탄소나노섬유의 제조 및 이의 에너지밀도가 높은 전극소재로서의 응용방법을 제공하는 것이다.The present invention relates to aromatic polyetheramide polymer-based carbon nanofibers and a method for manufacturing the same, and more particularly, to carbon nanofibers produced by carbonizing a nanofiber precursor based on aromatic polyetheramide polymers and an electrode material having high energy density thereof It provides an application method as

최근 신재생에너지, 스마트기기같은 휴대용 개인 멀티미디어 장치, 하이브리드 자동차 시장의 급속한 성장과 보급화로 인해 고성능이 요구되는 차세대 에너지 저장장치에 대한 수요가 지속적으로 확대되고 있다. 최근 차세대 에너지 저장 시스템은 대부분 전기 화학적인 원리를 바탕으로 하며 그 예로는 리튬계 이차 전지와 전기화학 커패시터가 대표적이다.Recently, the demand for next-generation energy storage devices requiring high performance is continuously expanding due to the rapid growth and dissemination of new renewable energy, portable personal multimedia devices such as smart devices, and hybrid vehicle markets. Most of the recent next-generation energy storage systems are based on electrochemical principles, and examples thereof include lithium-based secondary batteries and electrochemical capacitors.

2차전지 분류에 속하는 슈퍼커패시터는 리튬 이온 배터리에 비해서 높은 출력밀도, 낮은 충전시간, 무제한에 가까운 지속적인 충방전 수명 및 친환경적인 특징을 가지고 있지만 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 이러한 특징 때문에 스마트폰, 스마트 패드, 메모리저장장치, 전기자동자, 산업용 에너지 저장장치 관련 분야에서 널리 사용되고 있으며, 높은 에너지 저장 성능, 반영구적인 수명 및 낮은 비용을 가지는 고용량 슈퍼커패시터 개발의 중요성이 크게 대두되고 있다. Supercapacitors belonging to the secondary battery category have higher power density, lower charging time, near-unlimited continuous charge/discharge lifespan, and eco-friendly characteristics compared to lithium-ion batteries, but have the disadvantage of low energy density. Because of these characteristics, they are widely used in smart phones, smart pads, memory storage devices, electric vehicles, and industrial energy storage devices. there is.

슈퍼커패시터는 전기 이중층의 원리를 이용한 전기 이중층 커패시터와 산화-환원의 원리를 이용한 유사커패시터가 대표적이며 이러한 커패시터의 전극재료로는 전도성 고분자나 금속 산화물, 흑연, 그래핀 등과 같은 탄소재료를 주로 이용하고 있다. Supercapacitors are representative of electric double-layer capacitors using the electric double-layer principle and pseudo-capacitors using the oxidation-reduction principle. As electrode materials for these capacitors, conductive polymers, metal oxides, graphite, carbon materials such as graphene, etc. are mainly used. there is.

전기방사방법은 탄소재료의 표면적을 높이며 손 쉬운 방법으로 널리 사용되고 있으며, 여기에 탄화공정이 적용될 경우 섬유의 직경이 감소해 부피 대비 표면적이 더 넓어지며 수많은 기공들이 생겨나 높은 전기화학적 성능을 나타낼 수 있어 활발한 연구가 이루어지고 있다.The electrospinning method is widely used as an easy method to increase the surface area of carbon materials. When the carbonization process is applied to this, the diameter of the fiber decreases and the surface area to volume ratio becomes wider, and numerous pores are created, thereby exhibiting high electrochemical performance. Active research is being conducted.

더구나, 전기방사를 통하여 제조된 나노섬유는 습식방사, 용융방사, 건식방사로 제조된 나노섬유보다 비용 측면에서 상당히 저렴하며, 용매에 용해가 가능하다면 고분자를 용액으로 제조하여 전기방사 할 수 있다.Moreover, nanofibers manufactured through electrospinning are significantly cheaper than nanofibers manufactured by wet spinning, melt spinning, and dry spinning, and if soluble in a solvent, a polymer can be prepared as a solution and electrospun.

또한 전기방사방법은 다른 방법에 비해 간단하며, 넓은 비표면적을 가지는 섬유를 제조할 수 있다는 장점이 있지만, 에너지 저장장치용 전극 소재로 사용되기 위해서는 여전히 전기 화학적 특성의 개선을 필요로 한다.In addition, the electrospinning method is simpler than other methods and has the advantage of being able to manufacture fibers having a large specific surface area, but still requires improvement of electrochemical properties in order to be used as an electrode material for an energy storage device.

이를 위해서, 탄소재료에 헤테로 원소를 도핑하게 되면 높은 정전용량 및 전기 화학적 성능을 향상시킬 수 있지만 도핑 공정이 추가되어야 하기 때문에 전극 재료의 가격이 높아진다는 단점이 있으며, 여전히 성능 개선이 필요한 실정이다. To this end, if the carbon material is doped with a hetero element, high capacitance and electrochemical performance can be improved, but there is a disadvantage that the price of the electrode material is increased because a doping process must be added, and performance improvement is still required.

본 발명의 발명자들은 이러한 문제를 인식하고 높은 비표면적을 가지는 탄소 재료를 전극 형태로 가공한 후, 헤테로 원소를 도핑하는 공정 없이도 높은 전기 용량을 가지는 전극소재를 개발하였다. 이는 결과적으로 기존 탄소섬유에 비해 높은 정전용량과 높은 에너지 밀도를 나타내었다.Recognizing this problem, the inventors of the present invention developed an electrode material having a high electric capacity without a process of doping a hetero element after processing a carbon material having a high specific surface area into an electrode shape. As a result, it exhibited higher capacitance and higher energy density than conventional carbon fibers.

본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 에테르기(-O-) 및 아마이드기(

Figure 112020116922153-pat00001
)를 갖는 방향족 폴리에테르아마이드계 고분자를 기반으로 하여 전기방사한 후 탄화할 경우, 통상의 흑연소재의 전극 소재를 사용하는 경우 보다 2배, 좋게는 2.5배 이상의 현저히 높은 정전용량을 가짐과 동시에 슈퍼커패시터의 단점이라고 할 수 있는 낮은 에너지밀도를 보완하였으며, 질소가 도핑된 탄소나노섬유 형태의 전극 소재를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention surprisingly, an ether group (-O-) and an amide group (
Figure 112020116922153-pat00001
) based on an aromatic polyetheramide-based polymer with electrospinning and carbonization, it has a significantly higher capacitance 2 times, preferably 2.5 times or more, than when using a conventional graphite electrode material, and at the same time super The present invention was completed by discovering that the low energy density, which can be said to be a disadvantage of the capacitor, could be supplemented, and that an electrode material in the form of carbon nanofibers doped with nitrogen could be manufactured.

대한민국 등록특허공보 10-0754375 B1 (2007.08.27)Republic of Korea Patent Publication No. 10-0754375 B1 (2007.08.27)

본 발명은 전기방사에 의해 제조된 방향족 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 탄화 시킴으로써, 전도성이 향상됨과 더불어 기존의 탄소나노섬유 보다 우수한 전기용량을 가지는 탄소나노섬유 기반의 전극재료를 제조할 수 있음을 발견하였다. 또한 이를 전극소재로 하여 제조된 에너지 저장장치 (커패시터 및 이차전지) 전극소재를 제공할 수 있다. The present invention is that by carbonizing the aromatic polyetheramide-based nanofiber precursor prepared by electrospinning, it is possible to manufacture a carbon nanofiber-based electrode material with improved conductivity and superior electric capacity than conventional carbon nanofibers. found In addition, it is possible to provide an electrode material for an energy storage device (capacitor and secondary battery) manufactured by using this as an electrode material.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 형태는 다음과 같다.Embodiments of the present invention for achieving the above object are as follows.

탄소나노섬유의 제조방법은 a) 폴리에테르아마이드계 고분자 및 용매를 포함하는 방사 용액을 전기방사하여 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조하는 단계; 및 The method for producing carbon nanofibers includes: a) electrospinning a spinning solution containing a polyetheramide-based polymer and a solvent to prepare a polyetheramide-based nanofiber precursor; and

b) 상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 탄화시켜 질소도핑된 탄소나노섬유를 제조하는 단계를 포함한다.b) carbonizing the polyetheramide-based nanofiber precursor to prepare nitrogen-doped carbon nanofibers.

본 발명에 따른, 상기 a) 단계의 폴리에테르아마이드계 고분자는 하기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하며, 상기 폴리에테르아마이드계 고분자는 블록 공중합체 또는 랜덤 공중합체인 것인 것을 포함할 수 있다.According to the present invention, the polyetheramide-based polymer of step a) includes repeating units represented by the following Chemical Formulas 1 and 2, and the polyetheramide-based polymer is a block copolymer or a random copolymer. can

[화학식 1] [Formula 1]

Figure 112020116922153-pat00002
Figure 112020116922153-pat00002

[화학식 2] [Formula 2]

Figure 112020116922153-pat00003
Figure 112020116922153-pat00003

본 발명의 일 예에 따른, 상기 방사 용액은 다공성 형성제와 폴리에테르아마이드계 고분자를 혼합한 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the spinning solution may include a mixture of a porosity forming agent and a polyetheramide-based polymer.

본 발명의 일 예에 따른, 상기 다공성 형성제는 아크릴계 공중합체 및 수용성 고분자에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the porosity forming agent may include at least one selected from an acrylic copolymer and a water-soluble polymer.

본 발명의 일 예에 따른, 상기 방사 용액은 상기 폴리에테르아마이드 고분자 및 다공성 형성제가 0.3 내지 1.0 : 0.7 내지 0.0의 중량비로 혼합된 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the spinning solution may include a mixture of the polyetheramide polymer and the porosity forming agent in a weight ratio of 0.3 to 1.0: 0.7 to 0.0.

본 발명의 일 예에 따른, 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 에탄올, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 이소프로판올, 포름산, 클로로포름, 벤젠, 페놀, 사염화탄소, 크레졸, 물, 황산, 염산 및 질산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the solvent is N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, isopropanol, formic acid, chloroform, benzene, phenol , may include one or more selected from the group consisting of carbon tetrachloride, cresol, water, sulfuric acid, hydrochloric acid and nitric acid.

본 발명의 일 예에 따른, 상기 전기방사는 1 내지 1,000 kV의 전압 및 0.01 내지 1,000 ml/h 유량으로 수행되는 것을 포함할 수 있다.According to an example of the present invention, the electrospinning may include performing at a voltage of 1 to 1,000 kV and a flow rate of 0.01 to 1,000 ml/h.

본 발명의 일 예에 따른, 상기 b) 단계의 탄화는 500 내지 2,500 ℃의 온도에서 수행되는 것을 포함할 수 있다. According to an example of the present invention, the carbonization of step b) may include being performed at a temperature of 500 to 2,500 ℃.

본 발명에 따른 탄소나노섬유는 상기 탄소나노섬유의 제조방법으로 제조된 것을 포함할 수 있다. Carbon nanofibers according to the present invention may include those produced by the method for producing carbon nanofibers.

본발명의 일 예에 따른, 상기 탄소나노섬유는 0.1 내지 10.0 원자%의 질소를 함유하는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon nanofibers may include nitrogen in an amount of 0.1 to 10.0 atomic%.

본 발명에 따른 상기 탄소나노섬유는 비용량이 50 내지 500 F/g이고, 에너지밀도가 1 내지 900 Wh/kg이고, 전력밀도가 100 내지 50,000 W/kg인 것을 포함 할수 있다.The carbon nanofibers according to the present invention may include those having a specific capacity of 50 to 500 F/g, an energy density of 1 to 900 Wh/kg, and a power density of 100 to 50,000 W/kg.

본 발명에 따른 에너지 저장장치용 전극 소재는 상기 탄소나노섬유로 이루어진 것을 포함한다.The electrode material for an energy storage device according to the present invention includes one made of the carbon nanofibers.

본 발명의 일 예에 따른 상기 에너지 저장장치용 전극 소재는 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지 및 연료전지 등을 포함할 수 있다.The electrode material for the energy storage device according to an embodiment of the present invention may include an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a lithium secondary battery, a solar cell, a fuel cell, and the like.

본 발명의 일 예에 따른 탄소나노섬유의 제조방법은 전기방사에 의해 제조된 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 탄화시킴으로써, 전력밀도와 에너지밀도가 높은 전극 소재를 제조할 수 있다는 장점이 있다. The method of manufacturing carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention has the advantage that an electrode material having high power density and energy density can be manufactured by carbonizing the polyetheramide-based nanofiber precursor prepared by electrospinning.

본 발명의 일 예에 따른 탄소나노섬유의 제조방법은 유기용매에 용해가 가능하며 별도의 안정화 공정 없이 탄소나노섬유를 제조할 수 있고 공정을 단순화 할 수 있다는 장점이 있다.The method of manufacturing carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention has the advantage that it can be dissolved in an organic solvent, can manufacture carbon nanofibers without a separate stabilization process, and can simplify the process.

본 발명에 일 예에 따른 에너지 저장장치용 전극 소재는 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 탄화시켜 제조된 탄소나노섬유를 전극 소재로 이용함으로써, 높은 전기 용량을 가지며 전기화학적 성능이 우수하다는 장점이 있으며, 이는 놀랍게도 기존의 탄소나노섬유 보다 높은 전력밀도와 에너지밀도를 나타낸다.The electrode material for an energy storage device according to an embodiment of the present invention has the advantage of having a high electric capacity and excellent electrochemical performance by using carbon nanofibers prepared by carbonizing a polyetheramide-based nanofiber precursor as an electrode material. , which surprisingly shows higher power density and energy density than conventional carbon nanofibers.

본 발명에 일 예에 따른 에너지 저장장치용 전극 소재는 에너지 저장 장치에 사용될 경우, 안정적인 전기화학적 성능과 높은 전기 용량 및 우수한 에너지 밀도를 가진다는 장점이 있다. When used in an energy storage device, the electrode material for an energy storage device according to an embodiment of the present invention has advantages of stable electrochemical performance, high electrical capacity, and excellent energy density.

본 발명의 탄소나노섬유의 전기용량 즉, 비용량(specific capacitance)은 도 6에서 볼 수 있듯이, 1 A/g의 비전류에서의 459.8 F/g이고, 2 A/g의 비전류에서는 420.3 F/g로, 종래의 흑연 소재의 비용량이 1 A/g의 비전류에서 150 내지 200 F/g를 타나내는 것에 비추어 볼 때, 2배, 좋게는 2.5배 이상의 현저한 전기용량의 상승을 가져올 수 있다는 장점이 있다. As can be seen in FIG. 6, the electric capacity of the carbon nanofibers of the present invention is 459.8 F/g at a specific current of 1 A/g, and 420.3 F at a specific current of 2 A/g. In view of the fact that the specific capacity of the conventional graphite material represents 150 to 200 F/g at a specific current of 1 A/g, it is possible to bring about a significant increase in capacitance by 2 times, preferably 2.5 times or more. There are advantages.

본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.Even if effects not explicitly mentioned in the present invention, the effects described in the specification expected by the technical features of the present invention and the inherent effects thereof are treated as described in the specification of the present invention.

도 1의 (a)폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체 및 b)탄소나노섬유는 주사현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노섬유의 라만 분광법(Raman Spectroscopy) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노섬유의 에너지분산형 분광분석법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노섬유를 커패시터의 전극 소재로 사용했을 때 삼전극 시스템으로 사이클릭 볼타모그램(cyclic voltagram) 측정결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노섬유를 커패시터의 전극 소재로 사용했을 때 삼전극 시스템으로 충전 및 방전실험의 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노섬유를 커패시터 전극 소재로 사용했을 때 충전 및 방전실험의 결과로부터 전기용량(capacitance) 즉, 비용량(specific capacitance)의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노섬유를 커패시터 전극 소재로 사용했을 때 비용량으로 부터 얻을 수 있는 에너지밀도, 전력밀도 측정 결과를 나타낸 것이다.
1 (a) a polyetheramide-based nanofiber precursor and b) carbon nanofibers are photographs observed with a scanning electron microscopy (SEM).
Figure 2 shows the results of Raman spectroscopy (Raman Spectroscopy) analysis of carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the results of Energy Dispersive X-ray Spectroscopy analysis of carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the measurement results of a cyclic voltagram using a three-electrode system when carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention are used as an electrode material for a capacitor.
5 is a graph showing the results of charging and discharging experiments using a three-electrode system when carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention are used as an electrode material for a capacitor.
6 shows the measurement results of capacitance, that is, specific capacitance, from the results of charging and discharging experiments when carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention are used as a capacitor electrode material.
7 is a graph showing measurement results of energy density and power density obtained from specific capacity when carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention are used as a capacitor electrode material.

이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through embodiments or examples including the accompanying drawings. However, the following specific examples or examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description herein is for the purpose of effectively describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.

또한 본 발명에서 특별한 언급 없이 불분명하게 사용된 %의 단위는 중량%를 의미한다.In addition, in the present invention, the unit of % used unclearly without special mention means % by weight.

본 발명에서 사용된 용어 “폴리에테르아마이드계 고분자”는 에테르기와 아마이드기(

Figure 112020116922153-pat00004
)를 갖는 방향족 고분자로서, 일 예로 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 반복단위를 갖는 블록 공중합체 또는 랜덤 공중합체를 의미할수 있다. The term “polyetheramide-based polymer” used in the present invention refers to an ether group and an amide group (
Figure 112020116922153-pat00004
) as an aromatic polymer having, for example, may refer to a block copolymer or a random copolymer having a repeating unit of Formula 1 or Formula 2 below.

[화학식 1] [Formula 1]

Figure 112020116922153-pat00005
Figure 112020116922153-pat00005

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020116922153-pat00006
Figure 112020116922153-pat00006

상기 화학식 1과 화학식 2의 반복단위가 0.01 내지 0.99 : 0.99 내지 0.01 몰비로 이루어질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. The repeating units of Formulas 1 and 2 may have a molar ratio of 0.01 to 0.99: 0.99 to 0.01, but is not limited thereto.

본 발명의 발명자는 상기 구조식과 같이 다수의 방향족을 포함하는 폴리에테르아마이드계 고분자를 사용함으로써, 이를 이용한 탄소나노섬유의 제조 시 안정화단계가 필요 없는 탄화공정을 진행할 수 있으므로 기존 탄소소재 전구체인 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 피치계 등의 탄화공정보다 간단하여 경제적인 장점 임을 발견하였다. The inventor of the present invention uses a polyetheramide-based polymer containing a plurality of aromatics as shown in the above structural formula, so that a carbonization process that does not require a stabilization step in manufacturing carbon nanofibers using the same can be performed, so polyacrylic, a precursor of an existing carbon material It was found that it is economical because it is simpler than carbonization processes such as ronitrile, cellulose, and pitch.

본 발명에서 사용된 용어 “전기방사”는 전기적으로 하전 된 고분자 용액 및 용융물을 젯(jet) 방식의 노즐을 통해 나노섬유로 제조할 수 있는 공정이다. 이러한 전기방사법은 용융이나 용해가 가능한 모든 고분자재료를 나노섬유로 쉽게 제조할 수 있으며 나노섬유의 형상 및 크기를 조절할 수 있는 기술이다. The term “electrospinning” used in the present invention is a process capable of manufacturing an electrically charged polymer solution and melt into nanofibers through a jet-type nozzle. This electrospinning method is a technology that can easily manufacture any polymer material that can be melted or dissolved into nanofibers and can control the shape and size of nanofibers.

본 발명에서 사용된 용어 “커패시터”는 전기를 저장할 수 있는 장치로써 축전기라고도 한다. 커패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조로 되어 있으며, 여기에 직류전압을 인가하면 각 전극에 전하가 축적되며, 축적되는 과정에서는 전류가 흐르고 축적된 상태에서는 전류는 흐르지 않게 된다. 커패시터는 이차전지와 더불어 광범위하게 사용되는 에너지저장장치의 일종이다. 축전용량이 매우 큰 커패시터인 슈퍼커패시터는 리튬이온 이차전지에 비해서 큰 에너지밀도 및 출력과 더불어 충방전 시간이 짧다는 특징이 있다. As used herein, the term “capacitor” is a device capable of storing electricity and is also referred to as a capacitor. A capacitor basically has a structure in which two electrode plates face each other, and when a DC voltage is applied thereto, electric charges are accumulated in each electrode. A capacitor is a type of energy storage device that is widely used together with a secondary battery. A supercapacitor, which is a capacitor with a very large storage capacity, is characterized by a large energy density and output and a short charge/discharge time compared to a lithium ion secondary battery.

본 발명의 발명자들은 다수의 방향족을 포함하는 본 발명의 폴리에테르아마이드계 고분자를 전기방사하여 나노섬유 전구체를 제조하고 이를 탄화할 경우, 안정화 공정을 생략할 수 있으며, 또한 종래의 전기방사하여 제조 된 탄소나노섬유들에 비해 우수한 정전용량과 높은 에너지밀도를 가질 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have prepared a nanofiber precursor by electrospinning the polyetheramide-based polymer of the present invention containing a plurality of aromatics and carbonizing it, the stabilization process can be omitted, and the conventional electrospinning method The present invention was completed by discovering that it can have superior capacitance and high energy density compared to carbon nanofibers.

따라서, 본 발명의 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체로부터 제조된 탄소나노섬유는 에너지 저장장치의 전극 소재로 사용될 경우, 높은 정전 용량을 가지며 전기화학적 특성이 우수한 장점이 있다. 이렇게 우수한 특성의 원인은 우수한 전도성과 탄화에 의해 기공을 가지며, 질소가 도핑 되어 활성 자리가 많아지고 이로 인해 전해질과의 상호작용이 높은 것으로 사료된다. 더구나, 통상의 탄소나노섬유 보다 더욱 우수한 전기용량과 에너지 밀도를 가지는 점에서 놀라운 효과를 가지는 것이다. Therefore, when the carbon nanofibers prepared from the polyetheramide-based nanofiber precursor of the present invention are used as an electrode material for an energy storage device, there is an advantage of having a high electrostatic capacity and excellent electrochemical properties. The reason for such excellent properties is that it has pores due to excellent conductivity and carbonization, and is doped with nitrogen to increase active sites, which leads to high interaction with electrolytes. Moreover, it has a surprising effect in that it has better electric capacity and energy density than conventional carbon nanofibers.

이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated concretely.

본 발명에 따른 탄소나노섬유의 제조방법은 a) 폴리에테르아마이드계 고분자 및 용매를 포함하는 방사 용액을 전기방사하여 폴리아미드계 나노섬유 전구체를 제조하는 단계 및 b) 상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 탄화시켜 탄소나노섬유를 제조하는 단계를 포함한다. The method for producing carbon nanofibers according to the present invention comprises the steps of: a) preparing a polyamide-based nanofiber precursor by electrospinning a spinning solution containing a polyetheramide-based polymer and a solvent; and b) the polyetheramide-based nanofiber precursor and carbonizing to prepare carbon nanofibers.

상기 a) 단계는 폴리에테르아마이드계 고분자 및 용매를 포함하는 방사 용액을 전기방사하여 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조하는 단계를 포함한다. Step a) includes preparing a polyetheramide-based nanofiber precursor by electrospinning a spinning solution containing a polyetheramide-based polymer and a solvent.

상기 a) 단계의 폴리에테르아마이드계 고분자는 하기 화학식 1 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리에테르아마이드 고분자 일 수 있다.The polyetheramide-based polymer in step a) may be a polyetheramide polymer including repeating units represented by the following Chemical Formulas 1 and 2.

[화학식 1] [Formula 1]

Figure 112020116922153-pat00007
Figure 112020116922153-pat00007

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020116922153-pat00008
Figure 112020116922153-pat00008

상기 화학식 1과 화학식 2의 반복단위가 0.01 내지 0.99 : 0.99 내지 0.01 몰비로 이루어질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. The repeating units of Formulas 1 and 2 may have a molar ratio of 0.01 to 0.99: 0.99 to 0.01, but is not limited thereto.

상기 용매는 상기 폴리에테르아마이드계 고분자를 용해할 수 있으며, 당 업계에서 사용되는 물질이면 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로 예를 들면 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 포름산, 클로로포름, 벤젠, 페놀, 사염화탄소, 크레졸, 물, 황산, 염산 및 질산 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. The solvent can dissolve the polyetheramide-based polymer, and is not particularly limited as long as it is a material used in the art, but specifically, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, At least one selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide, ethanol, acetone, isopropanol, formic acid, chloroform, benzene, phenol, carbon tetrachloride, cresol, water, sulfuric acid, hydrochloric acid and nitric acid may be used.

상기 방사 용액의 고형분(solid content)은 특별히 제한되지 않으나 1 내지 50 중량% 범위인 것일 수 있으며, 구체적으로는 5 내지 30 량% 일수 있으며, 상기 조성비에서, 상기 방사 용액의 점도 및 원활한 전기방사가 가능할 수 있으나, 상기 조성비에 제한되는 것은 아니다.The solid content of the spinning solution is not particularly limited, but may be in the range of 1 to 50% by weight, specifically 5 to 30% by weight, and in the composition ratio, the viscosity and smooth electrospinning of the spinning solution are It may be possible, but is not limited to the composition ratio.

상기 방사용액은 폴리에테르아마이드계 고분자 및 용매를 혼합 및 교반 방법을 통해 상기 방사 용액이 제조될 수 있으며, 바람직하게는 폴리에테르아마이드계 고분자 및 용매를 20 내지 100 ℃에서 1분 내지 24시간 동안 혼합 및 교반하여 상기 방사 용액이 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The spinning solution may be prepared by mixing and stirring a polyetheramide-based polymer and a solvent, and preferably, a polyetheramide-based polymer and a solvent are mixed at 20 to 100° C. for 1 minute to 24 hours. and stirring to prepare the spinning solution, but is not limited thereto.

또한, 상기 방사 용액은 다공성 형성제와 폴리에테르아마이드계 고분자를 혼합할 수 있다.In addition, the spinning solution may be mixed with a porosity forming agent and a polyetheramide-based polymer.

상기 다공성 형성제는 상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체의 탄화과정에서 기공 면적 및 개수를 증가시켜 상기 탄소나노섬유의 표면적이 더욱 향상되는 효과를 가질수 있다. The porosity forming agent may have an effect of further improving the surface area of the carbon nanofibers by increasing the pore area and number in the carbonization process of the polyetheramide-based nanofiber precursor.

상기 다공성 형성제는 아크릴계 공중합체 및 수용성 고분자에서 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The porosity forming agent may be at least one selected from an acrylic copolymer and a water-soluble polymer, but is not limited thereto.

상기 폴리에테르아마이드 고분자 및 다공성 형성제는 0.3 내지 1.0 : 0.7 내지 0.0의 중량비로 혼합된 것일수 있으며, 바람직하게는 0.6 내지 : 0.4 내지 0.2의 중량비로 혼합된 것 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.6 내지 0.7 : 0.4 내지 0.3 로 혼합된 것 일수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The polyetheramide polymer and the porosity forming agent may be mixed in a weight ratio of 0.3 to 1.0: 0.7 to 0.0, preferably 0.6 to: may be mixed in a weight ratio of 0.4 to 0.2, more preferably 0.6 to 0.7: may be a mixture of 0.4 to 0.3, but is not limited thereto.

상기 폴리에테르아마이드 고분자 및 다공성 형성제가 상기 범위로 혼합됨에 따라, 탄화후 증가하는 탄소나노섬유의 비표면적으로 인해, 전극소재로 사용시 비용량 및 에너지밀도 등이 더욱 우수해 질 수 있다.As the polyetheramide polymer and the porosity former are mixed within the above range, the specific surface area of the carbon nanofibers increased after carbonization, when used as an electrode material, the specific capacity and energy density, etc. can be further improved.

상기 방사 용액을 전기방사하여 본 발명의 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조할 수 있다.The polyetheramide-based nanofiber precursor of the present invention can be prepared by electrospinning the spinning solution.

상기 전기방사는 본 발명이 목적하는 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조할 수 있는 전압 조건이라면 특별히 제한되지 않으나 1 내지 100 kV, 구체적으로는 1 내지 50 kV, 더 구체적으로는 1 내지 30 kV 일 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 전압은 1 내지 30 kV에서 수행되는 것이 본 발명의 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체의 형성이 용이할 수 있다는 점에서 바람직하다.The electrospinning is not particularly limited as long as it is a voltage condition capable of producing the desired polyetheramide-based nanofiber precursor of the present invention, but 1 to 100 kV, specifically 1 to 50 kV, more specifically 1 to 30 kV can As a specific example, the voltage is preferably performed at 1 to 30 kV in that the polyetheramide-based nanofiber precursor of the present invention can be easily formed.

상기 전기방사는 본 발명이 목적하는 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조할 수 있는 유량조건이라면 특별히 제한되지 않으며 0.01 내지 1,000 ml/h일 수 있으며, 구체적으로는 0.1 내지 500 ml/h, 보다 구체적으로는 0.2 내지 100 ml/h일 수 있으나, 필요에 따라 다양하게 조절이 가능하다.The electrospinning is not particularly limited and may be 0.01 to 1,000 ml/h, specifically 0.1 to 500 ml/h, more specifically, as long as the flow rate conditions for preparing the polyetheramide-based nanofiber precursor for the present invention are It may be 0.2 to 100 ml/h, but various adjustments are possible as needed.

상기 전기방사는 실린지 팁과 컬렉터 사이가 1 내지 50 cm, 구체적으로는 5 내지 40cm, 보다 구체적으로는 10 내지 30 cm일 수 있으며, 구체적인 예로는 10 내지 25 cm로 수행되는 것이 본 발명의 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체의 형성이 용이할 수 있다는 점에서 바람직하다.The electrospinning may be 1 to 50 cm between the syringe tip and the collector, specifically 5 to 40 cm, more specifically 10 to 30 cm, and as a specific example, it is performed at 10 to 25 cm. It is preferable in that the formation of the etheramide-based nanofiber precursor can be easy.

상기 방사용액을 상기 조건의 전기방사로 방사하여 제조된 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체의 직경은 본 요구되는 에너지 저장장치용 전극 소재의 두께에 적합하도록 적절히 조절될 수 있으므로 크게 제한되지 않지만, 예를 들면, 1 내지 500 nm의 직경, 좋게는 10 내지 300 nm의 직경 정도가 좋지만 특별히 이에 제한되지 않는다.The diameter of the polyetheramide-based nanofiber precursor prepared by spinning the spinning solution by electrospinning under the above conditions is not particularly limited because it can be appropriately adjusted to suit the thickness of the required electrode material for the energy storage device, but, for example, For example, a diameter of 1 to 500 nm, preferably about a diameter of 10 to 300 nm, but is not particularly limited thereto.

상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체는 나노섬유매트 또는 나노섬유 멤브레인 형태를 가지는 것일 수 있다.The polyetheramide-based nanofiber precursor may be in the form of a nanofiber mat or a nanofiber membrane.

상기 a) 단계로 제조된 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체는 본 발명의 질소도핑된 탄소나노섬유의 전구체로서 추후 탄화공정에 의해 자체적으로 질소도핑된 탄소나노섬유로 얻어질 수 있다.The polyetheramide-based nanofiber precursor prepared in step a) is a precursor of the nitrogen-doped carbon nanofibers of the present invention and can be obtained as nitrogen-doped carbon nanofibers by a subsequent carbonization process.

다음으로 b) 단계에 대해 설명한다.Next, step b) will be described.

상기 b) 단계는 상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 탄화시켜 질소도핑된 탄소나노섬유를 제조하는 단계를 포함한다.Step b) includes carbonizing the polyetheramide-based nanofiber precursor to prepare nitrogen-doped carbon nanofibers.

상기 b) 단계의 탄화는 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체가 탄화될 수 있는 온도라면 크게 제한되는 것은 아니지만, 500 내지 2,500 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으며, 구체적으로는 500 내지 2,000 ℃, 보다 구체적으로는 500 내지 1,500 ℃에서 수행되는 것일 수 있다. 또한 상기 탄화온도는 상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체의 흑연화 및 질소도핑을 안정적으로 수행할 수 있는 온도이여서 좋고, 더욱 좋게는 높은 전기 용량 및 전기화학적 특성이 향상되는 측면을 고려할 때 700 내지 1,300 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.The carbonization of step b) is not particularly limited as long as the temperature at which the polyetheramide-based nanofiber precursor can be carbonized, but may be performed at a temperature of 500 to 2,500 ℃, specifically 500 to 2,000 ℃, more specifically As such, it may be carried out at 500 to 1,500 °C. In addition, the carbonization temperature is good because it is a temperature at which graphitization and nitrogen doping of the polyetheramide-based nanofiber precursor can be stably performed, and more preferably 700 to 1,300 in consideration of improved high electric capacity and electrochemical properties. It is preferably carried out at a temperature of °C.

상기 b)단계의 탄화에서의 대기 분위기는 특별히 제한하지 않지만, 예컨대 진공, 아르곤, 질소, 산소, 일산화탄소, 이황화탄소 및 이산화탄소 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 분위기일 수 있으며, 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.The atmospheric atmosphere in the carbonization of step b) is not particularly limited, but may be, for example, an atmosphere including any one or two or more selected from vacuum, argon, nitrogen, oxygen, carbon monoxide, carbon disulfide and carbon dioxide, etc. Of course, this is merely an example, and the present invention is not limited thereto.

상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체는 상기 b)단계의 탄화를 통해 활성탄 및 흑연구조를 지니며, 자체적으로 질소가 도핑된 탄소나노섬유로 얻어질 수 있다.The polyetheramide-based nanofiber precursor has activated carbon and graphite structures through the carbonization of step b), and can be obtained as nitrogen-doped carbon nanofibers.

본 발명의 일 양태에 따른 탄소나노섬유는 상기 탄소나노섬유의 제조방법으로 제조된 것을 포함한다.Carbon nanofibers according to an aspect of the present invention include those produced by the method for producing carbon nanofibers.

상기 탄소나노섬유는 그 형태를 한정하는 것은 아니지만, 본 발명이 목적하는 전극 성능을 가지기 위해서는 매트 또는 멤브레인 형태를 가지는 것일 수 있다.The carbon nanofibers are not limited in shape, but may be in the form of a mat or a membrane in order to have the desired electrode performance of the present invention.

상기 탄소나노섬유의 직경은 본 요구되는 에너지 저장장치용 전극 소재의 두께에 적합하도록 적절히 조절될 수 있으며, 탄화를 통해 상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체에 비해 직경이 감소한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노섬유의 직경은 1 내지 300 nm의 직경, 좋게는 10 내지 250 nm의 직경을 가지는 것일 수 있지만 특별히 이에 제한되지 않는다.The diameter of the carbon nanofiber may be appropriately adjusted to suit the thickness of the required electrode material for an energy storage device, and the diameter may be reduced compared to the polyetheramide-based nanofiber precursor through carbonization. Specifically, the diameter of the carbon nanofibers may have a diameter of 1 to 300 nm, preferably, a diameter of 10 to 250 nm, but is not particularly limited thereto.

상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체로부터 제조된 탄소나노섬유는 상기 탄화에 의해 자체적으로 0.1 내지 10원자%의 질소를 함유하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 0.1 내지 8원자%, 보다 구체적으로 0.1 내지 6원자%의 질소 원자를 함유할 수 있다.The carbon nanofibers prepared from the polyetheramide-based nanofiber precursor may themselves contain 0.1 to 10 atomic % of nitrogen by the carbonization, specifically 0.1 to 8 atomic %, more specifically 0.1 to 6 atomic % It may contain atomic percent nitrogen atoms.

본 발명의 일 양태에 따른 에너지 저장장치용 전극 소재는 상기 탄소나노섬유로 이루어진 것을 포함한다.The electrode material for an energy storage device according to an aspect of the present invention includes one made of the carbon nanofibers.

본 발명의 일 양태에 따른 것인 에너지 저장장치용 전극 소재에 있어, 상기 에너지 저장장치는 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지 및 연료전지 등을 포함한다.In the electrode material for an energy storage device according to an aspect of the present invention, the energy storage device includes an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a lithium secondary battery, a solar cell, a fuel cell, and the like.

구체적으로, 상기 탄소나노섬유로 이루어진 상기 에너지 저장장치용 전극 소재는 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지 및 연료전지 등의 에너지저장장치용으로 사용될 수 있다.Specifically, the electrode material for the energy storage device made of the carbon nanofibers may be used for energy storage devices such as electric double layer capacitors, hybrid capacitors, lithium secondary batteries, solar cells, and fuel cells.

본 발명의 탄소나노섬유의 제조방법으로 제조되는 질소도핑된 탄소나노섬유는 전기용량, 충방전 특성 및 전기화학적 특성이 우수하여 에너지 저장장치용 전극 소재로 사용될 수 있다.Nitrogen-doped carbon nanofibers produced by the method for producing carbon nanofibers of the present invention have excellent electric capacity, charge/discharge characteristics and electrochemical properties, and thus can be used as an electrode material for an energy storage device.

특히, 본 발명의 탄소나노섬유를 에너지저장 장치용 전극 소재로 사용한 경우, 전기용량(capacitance) 즉, 비용량(specific capacitance)은 1.0 A/g의 비전류에서 200 F/g 이상, 좋게는 300 F/g 이상, 보다 좋게는 400 F/g 이상인 비용량의 현저한 증가 효과를 얻을 수 있으며, 바람직하게는 400 F/g이상, 보다 바람직하게는 450 F/g이상인 비용량의 현격한 증가 효과를 얻을 수 있다.In particular, when the carbon nanofiber of the present invention is used as an electrode material for an energy storage device, the capacitance, that is, the specific capacitance, is 200 F/g or more at a specific current of 1.0 A/g, preferably 300 F/g or more, more preferably 400 F/g or more, a significant increase effect of specific capacity can be obtained, preferably 400 F/g or more, more preferably 450 F/g or more. can be obtained

이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예 및 비교예에 의해 축소되거나 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples. However, the following examples and comparative examples are only examples for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not reduced or limited by the following examples and comparative examples.

제조예 1Preparation Example 1

3,4'-디아미노디페닐에터 (3,4'-Diaminodiphenyl Ether)를 1:1 몰비로 테레프탈릭산 (Terephthalic acid)과 아이소프탈릭산 (Isophtalic acid)과 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 테레프탈릭산과 아이소프탈릭산의 몰 비율은 60 : 40으로 하였다.3,4'-diaminodiphenyl ether (3,4'-Diaminodiphenyl Ether) was mixed with terephthalic acid and isophthalic acid in a molar ratio of 1:1 to prepare a mixture. The molar ratio of terephthalic acid and isophthalic acid was 60:40.

상기 혼합물에 트리페닐포스페이트 (Triphenyl Phosphite)와 피리딘 (Pyridine)을 첨가하고, N-메틸피롤리돈 (N-Methylpyrrolidone) 용매를 투입하여 용해하였다. 상기 혼합용액을 100 ℃에서 16시간 동안 용액중합하여 폴리에테르아마이드계 고분자를 합성하였다. 합성된 폴리에테르아마이드계 고분자의 분자량과 관련된 고유점도(inherent viscosity, θinh)는 우베로드(Ubbelohde) 점도계를 이용한 용액점도로 분석하였으며, 그 결과값은 0.97 dl/g이었다.Triphenyl phosphate (Triphenyl Phosphite) and pyridine (Pyridine) were added to the mixture, and N-methylpyrrolidone (N-Methylpyrrolidone) solvent was added to dissolve. Polyetheramide-based polymer was synthesized by solution polymerization of the mixed solution at 100° C. for 16 hours. Inherent viscosity (θ inh ) related to the molecular weight of the synthesized polyetheramide-based polymer was analyzed as a solution viscosity using an Ubbelohde viscometer, and the result was 0.97 dl/g.

제조예 2Preparation 2

3,4'-디아미노디페닐에터 (3,4'-Diaminodiphenyl Ether)를 1:1 몰비로 테레프탈릭산 (Terephthalic acid)을 혼합하여 혼합물을 제조하였다.A mixture was prepared by mixing 3,4'-diaminodiphenyl ether (3,4'-Diaminodiphenyl Ether) with terephthalic acid in a 1:1 molar ratio.

상기 혼합물에 트리페닐포스페이트 (Triphenyl Phosphite)와 피리딘 (Pyridine)을 첨가하고, N-메틸피롤리돈 (N-Methylpyrrolidone) 용매를 투입하여 용해하였다. 상기 혼합용액을 100 ℃에서 16시간 동안 용액중합하여 폴리에테르아마이드계 고분자를 합성하였다. 합성된 폴리에테르아마이드계 고분자의 분자량과 관련된 고유점도(inherent viscosity, θinh)는 우베로드(Ubbelohde) 점도계를 이용한 용액점도로 분석하였으며, 그 결과값은 0.71 dl/g이었다.Triphenyl phosphate (Triphenyl Phosphite) and pyridine (Pyridine) were added to the mixture, and N-methylpyrrolidone (N-Methylpyrrolidone) solvent was added to dissolve. Polyetheramide-based polymer was synthesized by solution polymerization of the mixed solution at 100° C. for 16 hours. Inherent viscosity (θ inh ) related to the molecular weight of the synthesized polyetheramide-based polymer was analyzed as a solution viscosity using an Ubbelohde viscometer, and the result was 0.71 dl/g.

제조예 3Preparation 3

3,4'-디아미노디페닐에터 (3,4'-Diaminodiphenyl Ether)를 1:1 몰비로 아이소프탈릭산 (Isophtalic acid)과 혼합하여 혼합물을 제조하였다.3,4'-diaminodiphenyl ether (3,4'-Diaminodiphenyl Ether) was mixed with isophthalic acid in a molar ratio of 1:1 to prepare a mixture.

상기 혼합물에 트리페닐포스페이트 (Triphenyl Phosphite)와 피리딘 (Pyridine)을 첨가하고, N-메틸피롤리돈 (N-Methylpyrrolidone) 용매를 투입하여 용해하였다. 상기 혼합용액을 100 ℃에서 16시간 동안 용액중합하여 폴리에테르아마이드계 고분자를 합성하였다. 합성된 폴리에테르아마이드계 고분자의 분자량과 관련된 고유점도(inherent viscosity, θinh)는 우베로드(Ubbelohde) 점도계를 이용한 용액점도로 분석하였으며, 그 결과값은 0.48 dl/g이었다.Triphenyl phosphate (Triphenyl Phosphite) and pyridine (Pyridine) were added to the mixture, and N-methylpyrrolidone (N-Methylpyrrolidone) solvent was added to dissolve. Polyetheramide-based polymer was synthesized by solution polymerization of the mixed solution at 100° C. for 16 hours. Inherent viscosity (θ inh ) related to the molecular weight of the synthesized polyetheramide-based polymer was analyzed as a solution viscosity using an Ubbelohde viscometer, and the result was 0.48 dl/g.

[실시예 1][Example 1]

방사용액 전체중량에 대하여 제조예 1로 제조된 폴리에테르아마이드계 고분자와 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone)을 비율 70:30 중량비로서 고형분은 15 중량%이다. 상기 방사용액의 용매는 N-메틸피롤리돈이 사용되었으며, 상기 고형분 및 용매와 혼합 후, 30 ℃에서 12시간 동안 교반하여 전기방사를 위한 방사용액을 제조하였다. 제조된 방사용액은 21 게이지를 갖는 주사기 바늘에 넣고 이를 전기방사구로 이용하여 전기방사 하였다.With respect to the total weight of the spinning solution, the polyetheramide-based polymer prepared in Preparation Example 1 and polyvinylpyrrolidone were in a ratio of 70:30 by weight, and the solid content was 15% by weight. N-methylpyrrolidone was used as the solvent of the spinning solution, and after mixing with the solid content and the solvent, the spinning solution was stirred at 30° C. for 12 hours to prepare a spinning solution for electrospinning. The prepared spinning solution was put into a syringe needle having a gauge of 21 and electrospun using it as an electrospinning device.

전압은 15 kV, 전기방사구와 수집판과의 거리는 25 cm로 고정하였으며, 0.5 ml/hr 유량으로 전기방사 속도를 조절하여 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조하였다. 제조된 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 진공오븐에서 24시간동안 80 ℃에서 건조시킨 후, 탄화로에 투입한 후 30 ℃로 유지한 상태에서 진공을 부여하여 공기와 수분을 제거한 다음, 아르곤 가스로 분위기 조건을 만든 후 10 ℃/min 속도로 승온시켜 1000 ℃에서 탄화를 수행하여 탄소나노섬유를 제조하였으며, 하기와 같이 물성분석을 실시하였다.The voltage was 15 kV, the distance between the electrospinning hole and the collecting plate was fixed at 25 cm, and the electrospinning speed was adjusted at a flow rate of 0.5 ml/hr to prepare a polyetheramide-based nanofiber precursor. After drying the prepared polyetheramide-based nanofiber precursor at 80°C for 24 hours in a vacuum oven, it was put into a carbonization furnace and vacuum was applied while maintaining it at 30°C to remove air and moisture, and then with argon gas. After creating atmospheric conditions, the temperature was raised at a rate of 10 °C/min, carbonization was performed at 1000 °C, and carbon nanofibers were prepared, and the physical properties were analyzed as follows.

형태학적 구조분석Morphological structural analysis

상기 탄소나노섬유 및 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰하였다. 도 1의 a) 및 b)를 참고하면 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체의 평균 직경은 1.88 νm이며, 탄소나노섬유의 평균 직경은 1.43 νm인 것으로 관찰되었으며, 탄소나노섬유의 경우 탄화공정에 의해 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체에 비해 섬유직경이 다소 감소하였지만 섬유 구조를 유지하고 있는 것으로 확인하였다. The carbon nanofibers and polyetheramide-based nanofiber precursors were observed with a scanning electron microscope (SEM). Referring to a) and b) of FIG. 1, it was observed that the average diameter of the polyetheramide-based nanofiber precursor was 1.88 νm, and the average diameter of carbon nanofibers was 1.43 νm, and in the case of carbon nanofibers, the polyetheramide-based nanofiber precursor was polyether amide-based by the carbonization process. Although the fiber diameter was slightly reduced compared to the etheramide-based nanofiber precursor, it was confirmed that the fiber structure was maintained.

라만 분광법(Raman Spectroscopy) 분석Raman Spectroscopy analysis

라만 분광법(Raman Spectroscopy) 분석에 의한 탄소나노섬유의 라만 스펙트럼 결과를 도 2에서 보면, 흑연 구조에서 관찰되는 G-밴드(1581cm-1)와 D-밴드(1365cm-1) 피크가 생성된 것으로 이로써 탄화 및 흑연화가 수행된 것을 확인하였으며 기존의 탄소나노섬유와 유사한 영역대의 밴드를 관찰 할 수 있었다.Looking at the Raman spectrum results of carbon nanofibers by Raman Spectroscopy analysis in FIG. 2, the G-band (1581cm -1 ) and D-band (1365cm -1 ) peaks observed in the graphite structure are generated. It was confirmed that carbonization and graphitization were performed, and a band similar to that of conventional carbon nanofibers could be observed.

에너지분산형 분광분석법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석Energy Dispersive X-ray Spectroscopy analysis

탄소나노섬유 및 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체의 산소(O), 질소(N), 탄소(C) 성분비 분석을 위해 에너지분산형 분광분석법을 실시하였다. 도 3에서 에너지 분산형 분광법 곡선을 확인 할 수 있으며, 성분비 분석 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Energy dispersive spectroscopy was performed to analyze the oxygen (O), nitrogen (N), and carbon (C) component ratios of carbon nanofibers and polyetheramide-based nanofiber precursors. The energy dispersive spectroscopy curve can be confirmed in FIG. 3, and the component ratio analysis results are shown in Table 1 below.

탄소(원자%)Carbon (atomic %) 질소(원자%)Nitrogen (atomic %) 산소(원자%)Oxygen (atomic %) 폴리에테르아마이드 고분자 기반
나노섬유 전구체
Polyetheramide polymer based
nanofiber precursor
71.7271.72 11.2711.27 17.0117.01
폴리에테르아마이드 고분자 기반 탄소나노섬유Polyetheramide polymer-based carbon nanofibers 89.2989.29 5.505.50 5.215.21

상기 결과로부터, 탄소나노섬유는 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체과 대비 시 탄화공정이 추가된 것으로 탄화 후에 질소 원자와 산소원자 함량이 감소하였으나, 5.5원자%의 질소가 도핑 된 것으로 확인하였다. From the above results, it was confirmed that carbon nanofibers had a carbonization process added when compared to polyetheramide-based nanofiber precursors, and the nitrogen atom and oxygen atom content decreased after carbonization, but were doped with 5.5 atom% nitrogen.

사이클릭 볼타모그램 분석Cyclic voltammogram analysis

상기 제조된 탄소나노섬유를 전극으로 채택한 에너지저장장치로써의 전기화학적 특성과 전극소재로의 성능을 평가하기 위해 사이클릭 볼타메트리 시험을 실시하였다. 측정을 위해 상기 제조된 탄소나노섬유를 1 mg 무게로 재단하여 작업전극(working electrode)으로 사용하고, 백금을 상대전극(counter electrode)으로 사용하고, 포화 카로멜 (saturated calomel electrode) 전극을 기준 전극으로 사용하였다. 전기화학분석을 위한 전해액은 수산화칼륨을 6 몰농도로 물에 넣어 30 ℃에서 약 2시간 정도 교반하여 제조하였다. A cyclic voltammetry test was performed to evaluate the electrochemical properties of the carbon nanofibers prepared above as an energy storage device and their performance as an electrode material. For the measurement, the prepared carbon nanofiber was cut to 1 mg weight and used as a working electrode, platinum was used as a counter electrode, and a saturated calomel electrode was used as a reference electrode. was used as The electrolyte solution for electrochemical analysis was prepared by putting potassium hydroxide in water at a 6 molar concentration and stirring at 30° C. for about 2 hours.

도 4는 사이클릭 볼타모그램을 나타낸 그래프이다. -20 내지 10 mA에서 생성전류 피크가 보이며, 그래프가 대칭을 나타내며 전기이중층 거동이 지배적인 것을 관찰 할 수 있다. 통상의 흑연 소재의 전극을 사용한 경우에 비해 더욱 넓은 사이클릭 볼타모그램 면적을 보이며, 질소도핑으로 인해 약간의 산화-환원 피크과 높은 전류밀도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 4 is a graph showing a cyclic voltammogram. It can be observed that the generated current peak is seen at -20 to 10 mA, the graph shows symmetry, and the behavior of the electric double layer is dominant. It can be seen that the cyclic voltammogram area is wider than in the case of using a conventional graphite electrode, and has a slight oxidation-reduction peak and high current density due to nitrogen doping.

충전 및 방전 실험결과Charge and discharge test results

상기 제조된 탄소나노섬유를 에너지저장장치의 전극소재로의 성능을 평가하기 위해 1 mg 무게로 재단하여 작업전극(working electrode)으로 사용하였으며, 1 내지 10 A/g 범위의 비전류에서 충전 및 방전 실험을 실시하였다.In order to evaluate the performance of the prepared carbon nanofiber as an electrode material for an energy storage device, it was cut to a weight of 1 mg and used as a working electrode, and was charged and discharged at a specific current in the range of 1 to 10 A/g. An experiment was conducted.

도 5는 충전 및 방전 시간에 따른 전압의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 5에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 탄소나노섬유 전극을 채택한 경우 통상의 흑연 소재의 전극을 사용한 경우에 비해, 충방전 효율이 현저히 증가되어 긴 시간의 충전 및 방전 시간을 나타냄을 확인하였으며 좌우 대칭을 이루는 전기이중층 거동이 지배적인 것을 확인 하였다.5 is a graph showing the change in voltage according to the charging and discharging times, and as can be seen in FIG. 5, when the carbon nanofiber electrode of the present invention is adopted, the charging and discharging efficiency is higher than when an electrode made of a conventional graphite material is used. It was confirmed that it significantly increased, indicating a long charging and discharging time, and it was confirmed that the symmetrical electric double layer behavior was dominant.

정전용량(비용량, specific capacitance) 분석Analysis of capacitance (specific capacitance)

상기 제조된 탄소나노섬유를 에너지저장장치의 전극소재로의 성능을 평가하기 위해 실시예 1로 제조된 탄소나노섬유를 1 mg 무게로 재단하여 작업전극(working electrode)으로 사용하였으며, 1 내지 10 A/g 범위의 비전류에서 정전용량(커패시턴스)을 측정하였다. 이때, 충전 및 방전 실험 결과를 토대로 정전용량을 측정 하였다.In order to evaluate the performance of the prepared carbon nanofiber as an electrode material for an energy storage device, the carbon nanofiber prepared in Example 1 was cut to a weight of 1 mg and used as a working electrode, 1 to 10 A The capacitance (capacitance) was measured at a specific current in the range of /g. At this time, the capacitance was measured based on the results of the charging and discharging experiments.

도 6 에서 1 A/g의 비전류에서의 정전용량은 459.8 F/g으로 측정되었으며, 10 A/g의 비전류에서는 정전용량 194.1 F/g로 높은 용량을 나타냄을 확인하였다.6 , the capacitance at a specific current of 1 A/g was measured to be 459.8 F/g, and it was confirmed that the capacitance at a specific current of 10 A/g was 194.1 F/g, indicating a high capacitance.

이는, 통상의 흑연 소재의 전극을 사용한 경우에 1 A/g의 비전류에서 150 내지 250 F/g의 전기용량을 가지는 것으로 보고되었다는 점에서 비추어 볼 때, 약 2배 이상의 방전(용량)효과를 가지는 것을 알 수 있으며, 인위적으로 질소가 도핑된 흑연에 비하여서도 매우 우수한 성능을 가지는 것임을 알 수 있다.In view of the fact that it has been reported to have a capacitance of 150 to 250 F/g at a specific current of 1 A/g when an electrode made of a conventional graphite material is used, the discharge (capacity) effect is about twice or more It can be seen that, compared to graphite artificially doped with nitrogen, it has very excellent performance.

전력 및 에너지 밀도 실험결과Power and energy density test results

상기 제조된 탄소나노섬유를 에너지저장장치의 전극소재로의 성능을 평가하기 위해 실시예 1로 제조된 탄소나노섬유를 1 mg 무게로 재단하여 작업전극(working electrode)으로 사용하였으며, 충전 및 방전 실험결과를 토대로 전력 및 에너지밀도를 측정하였다.In order to evaluate the performance of the prepared carbon nanofiber as an electrode material for an energy storage device, the carbon nanofiber prepared in Example 1 was cut to a weight of 1 mg and used as a working electrode, and charging and discharging experiments were conducted. Based on the results, power and energy density were measured.

도 7 에서 전력밀도가 1000 (W/kg) 일 때 127.7 (Wh/kg)의 높은 에너지밀도를 나타내며 기존의 탄소나노섬유 기반 전극 재료들 보다 월등한 에너지밀도를 나타내었다. 이는 에너지저장장치 중 캐패시터의 단점인 낮은 에너지밀도를 보완하였다고 말 할 수 있다.In FIG. 7 , when the power density is 1000 (W/kg), a high energy density of 127.7 (Wh/kg) is shown, and the energy density is superior to that of the conventional carbon nanofiber-based electrode materials. This can be said to compensate for the low energy density, which is a disadvantage of capacitors among energy storage devices.

[실시예 2][Example 2]

상기 실시예 1에서 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조 시 폴리에테르아마이드계 고분자와 폴리비닐피롤리돈의 비율을 60:40으로 전기방사용액을 제조하여 탄소나노섬유를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로 탄소나노섬유를 제조하였다.In Example 1, when preparing the polyetheramide-based nanofiber precursor, an electrospinning solution was prepared in a ratio of polyetheramide-based polymer and polyvinylpyrrolidone of 60:40 to prepare carbon nanofibers. Carbon nanofibers were prepared using the same material and method as in Example 1.

상기 탄소나노섬유의 비용량, 전력밀도 및 에너지 밀도를 하기 표2에 기재하였다. The specific capacity, power density and energy density of the carbon nanofibers are shown in Table 2 below.

[실시예 3][Example 3]

상기 실시예 1에서 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조 시 폴리에테르아마이드계 고분자와 폴리비닐피롤리돈의 비율을 80:20으로 전기방사용액을 제조하여 탄소나노섬유를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로 탄소나노섬유를 제조하였다. In Example 1, when preparing the polyetheramide-based nanofiber precursor, an electrospinning solution was prepared at a ratio of polyetheramide-based polymer and polyvinylpyrrolidone of 80:20 to prepare carbon nanofibers. Carbon nanofibers were prepared using the same material and method as in Example 1.

상기 탄소나노섬유의 비용량, 전력밀도 및 에너지 밀도를 하기 표2에 기재하였다The specific capacity, power density and energy density of the carbon nanofibers are shown in Table 2 below.

[실시예 4][Example 4]

상기 실시예 1에서 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조 시, 폴리비닐피롤리돈을 포함하지 않고 폴리에테르아마이드계 고분자만을 사용하여 전기방사용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로 탄소나노섬유를 제조하였다. 그 결과, 실시예 1에 비해 다소 낮은 정전용량과 에너지밀도, 전력밀도를 나타내는 것을 확인하였으며, 하기 표2에 기재하였다. When preparing the polyetheramide-based nanofiber precursor in Example 1, the same materials as in Example 1 and Carbon nanofibers were prepared by this method. As a result, it was confirmed that the capacitance, energy density, and power density were somewhat lower than those of Example 1, and are shown in Table 2 below.

[실시예 5][Example 5]

상기 실시예 1에서, 제조예 1의 폴리에테르아마이드계 고분자 대신에 제조예 2의 폴리에테르아마이드계 고분자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로 탄소나노섬유를 제조하였다. 그 결과, 실시예 1에 비해 다소 낮은 정전용량과 에너지밀도, 전력밀도를 나타내는 것을 확인하였으며, 하기 표2에 기재하였다. In Example 1, carbon nanofibers were manufactured using the same materials and methods as in Example 1, except that the polyetheramide-based polymer of Preparation Example 2 was used instead of the polyetheramide-based polymer of Preparation Example 1. As a result, it was confirmed that the capacitance, energy density, and power density were somewhat lower than those of Example 1, and are shown in Table 2 below.

[실시예 6] [Example 6]

상기 실시예 1에서, 제조예 1의 폴리에테르아마이드계 고분자 대신에 제조예 3의 폴리에테르아마이드계 고분자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로 탄소나노섬유를 제조하였다. 그 결과, 실시예 1에 비해 다소 낮은 정전용량과 에너지밀도, 전력밀도를 나타내는 것을 확인하였으며, 하기 표2에 기재하였다. In Example 1, carbon nanofibers were manufactured using the same materials and methods as in Example 1, except that the polyetheramide-based polymer of Preparation Example 3 was used instead of the polyetheramide-based polymer of Preparation Example 1. As a result, it was confirmed that the capacitance, energy density, and power density were somewhat lower than those of Example 1, and are shown in Table 2 below.

비용량
(F/g, 비전류 : 1 A/g)
specific capacity
(F/g, specific current: 1 A/g)
전력밀도
(W/kg)
power density
(W/kg)
에너지밀도
(Wh/kg)
energy density
(Wh/kg)
실시예 1 Example 1 459.8459.8 10001000 127.7127.7 실시예 2 Example 2 419.2419.2 10001000 116.4116.4 실시예 3 Example 3 293.0 293.0 10001000 97.797.7 실시예 4Example 4 270.0270.0 10001000 95.095.0 실시예 5Example 5 240.0 240.0 10001000 93.593.5 실시예 6Example 6 225.0 225.0 10001000 91.091.0

본 발명에서 제시하는 탄소나노섬유의 제조방법에 따라 제조된 질소도핑 된탄소나노섬유는 상기 실험예의 결과로 입증되듯이 내구성 및 안정성이 우수한 전기화학특성을 보임으로써 커패시터, 이차전지, 모바일기기 등의 다양한 분야에서 에너지저장장치의 전극소재 및 활성탄으로 적용될 수 있으며, 본 발명은 이들 구체적인 예에 한정되는 것은 아니다.Nitrogen-doped carbon nanofibers manufactured according to the method for producing carbon nanofibers presented in the present invention exhibit excellent electrochemical properties with excellent durability and stability, as evidenced by the results of the above experimental examples, such as capacitors, secondary batteries, mobile devices, etc. It can be applied as an electrode material and activated carbon of an energy storage device in various fields, and the present invention is not limited to these specific examples.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention can use various changes, modifications, and equivalents, and the present invention can use the same by appropriately modifying the above embodiment.

게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.It is clear that it can be applied to Accordingly, the above description is not intended to limit the scope of the present invention, which is defined by the limits of the following claims.

Claims (13)

a) 폴리에테르아마이드계 고분자 및 용매를 포함하는 방사 용액을 전기방사하여 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 제조하는 단계; 및
b) 상기 폴리에테르아마이드계 나노섬유 전구체를 탄화시켜 질소도핑된 탄소나노섬유를 제조하는 단계를 포함하는 탄소나노섬유의 제조방법.
a) preparing a polyetheramide-based nanofiber precursor by electrospinning a spinning solution containing a polyetheramide-based polymer and a solvent; and
b) carbonizing the polyetheramide-based nanofiber precursor to prepare nitrogen-doped carbon nanofibers.
제 1항에 있어서,
상기 a) 단계의 폴리에테르아마이드계 고분자는 하기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하며, 상기 폴리에테르아마이드계 고분자는 블록 공중합체 또는 랜덤 공중합체인 것인 탄소나노섬유의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112020116922153-pat00009

[화학식 2]
Figure 112020116922153-pat00010
The method of claim 1,
The polyetheramide-based polymer of step a) includes repeating units represented by the following Chemical Formulas 1 and 2, and the polyetheramide-based polymer is a block copolymer or a random copolymer. Method for producing carbon nanofibers.
[Formula 1]
Figure 112020116922153-pat00009

[Formula 2]
Figure 112020116922153-pat00010
제 1항에 있어서,
상기 방사 용액은 다공성 형성제와 폴리에테르아마이드계 고분자를 혼합한 것인 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The spinning solution is a method for producing carbon nanofibers in which a porosity forming agent and a polyetheramide-based polymer are mixed.
제 3항에 있어서,
상기 다공성 형성제는 아크릴계 공중합체 및 수용성 고분자에서 선택되는 어느 하나 이상인 것인 탄소나노섬유의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The method for producing carbon nanofibers, wherein the porosity forming agent is at least one selected from an acrylic copolymer and a water-soluble polymer.
제 3항에 있어서,
상기 폴리에테르아마이드계 고분자 및 다공성 형성제는 0.3 내지 1.0 : 0.7 내지 0.0의 중량비로 혼합된 것인 탄소나노섬유의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The method for producing carbon nanofibers, wherein the polyetheramide-based polymer and the porosity forming agent are mixed in a weight ratio of 0.3 to 1.0: 0.7 to 0.0.
제 1항에 있어서,
상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 에탄올, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 이소프로판올, 포름산, 클로로포름, 벤젠, 페놀, 사염화탄소, 크레졸, 물, 황산, 염산 및 질산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The solvent is N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, isopropanol, formic acid, chloroform, benzene, phenol, carbon tetrachloride, cresol, water, sulfuric acid. , a method for producing carbon nanofibers, which is at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid and nitric acid.
제 1항에 있어서,
상기 전기방사는 1 내지 1000 kV의 전압 및 0.01 내지 1000 ml/h 유량으로 수행되는 것인 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The electrospinning method for producing carbon nanofibers is performed at a voltage of 1 to 1000 kV and a flow rate of 0.01 to 1000 ml/h.
제 1항에 있어서,
상기 b) 단계의 탄화는 500 내지 2500 ℃의 온도에서 수행되는 것인 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbonization of step b) is a method for producing carbon nanofibers that is carried out at a temperature of 500 to 2500 ℃.
제 1항 내지 제 8항에서 선택되는 어느 한 항의 탄소나노섬유의 제조방법으로 제조된 탄소나노섬유.A carbon nanofiber produced by the method for producing the carbon nanofiber of any one of claims 1 to 8. 제 9항에 있어서,
상기 탄소나노섬유는 0.1 내지 10.0 원자%의 질소를 함유하는 것인 탄소나노섬유.
10. The method of claim 9,
The carbon nanofiber is a carbon nanofiber containing 0.1 to 10.0 atomic% of nitrogen.
제 9항에 있어서,
상기 탄소나노섬유는 비용량이 50 내지 500 F/g이고, 에너지밀도가 1 내지 900 Wh/kg이고, 전력밀도가 100 내지 50000 W/kg인 것인 탄소나노섬유.
10. The method of claim 9,
The carbon nanofiber has a specific capacity of 50 to 500 F/g, an energy density of 1 to 900 Wh/kg, and a power density of 100 to 50000 W/kg.
제 9항의 탄소나노섬유로 이루어진 것인 에너지 저장장치용 전극 소재.An electrode material for an energy storage device that is made of the carbon nanofibers of claim 9. 제 12항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지 및 연료전지인 것인 에너지 저장장치용 전극 소재.
13. The method of claim 12,
The energy storage device is an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a lithium secondary battery, a solar cell, and a fuel cell electrode material for an energy storage device.
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