KR102432004B1 - Star shaped electrode for supercapacitor - Google Patents

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안광순
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a star-shaped electrode for a supercapacitor, and provides an electrode comprising a tri-metal oxide of Cu-Mn-Co. The electrode includes a bundle of nanoneedles that are loosely interconnected while a plurality of nanoneedles are stacked in an orderly manner to form layers, wherein the bundle forms a star-shaped microstructure with a hole in the center.

Description

슈퍼커패시터용 별 모양 전극{Star shaped electrode for supercapacitor}Star shaped electrode for supercapacitor

본 발명은 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히 슈퍼커패시터용 별 모양 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode and a method for manufacturing the same, and more particularly to a star-shaped electrode for a supercapacitor and a method for manufacturing the same.

막대한 에너지 요구로 인한 화석 연료의 빠른 고갈 때문에, 지속 가능한 고-성능 전기화학 에너지 저장 장치(EESD)의 개발이 필요하다. EESD의 선두에서, Li-이온 전지(LIB)는 초-고 에너지 밀도와 같은 매혹적인 특성 때문에 연구자의 흥미를 자극하였다. 그러나, LIB는 낮은 출력 밀도, 열 발생 및 제한된 사이클 수명과 같은 한계를 또한 나타냈다. 따라서, LIB는 모든 전기 저장 과제를 배타적으로 해결할 수 없고, 충전 전파의 빠른 동역학, 높은 출력 밀도(P) 및 긴 수명과 같은 속성을 갖는 EESD의 개발을 필요로 한다. 이를 고려하면, 전기 차량 또는 고-출력(그리드-스케일 전기 주파수 조정)과 같은 적용에 요구되는 빠른 충전 속도는 고-출력 전기화학 슈도커패시터에 의해 해결될 수 있었다.Because of the rapid depletion of fossil fuels due to the enormous energy demand, there is a need for the development of sustainable high-performance electrochemical energy storage devices (EESDs). At the forefront of EESD, Li-ion batteries (LIBs) have aroused the interest of researchers because of fascinating properties such as ultra-high energy density. However, LIBs also exhibited limitations such as low power density, heat generation and limited cycle life. Therefore, LIB cannot exclusively solve all electrical storage challenges and requires the development of EESDs with properties such as fast kinetics of charge propagation, high power density (P) and long lifetime. Considering this, the fast charging speed required for applications such as electric vehicles or high-power (grid-scale electrical frequency regulation) could be solved by high-power electrochemical pseudocapacitors.

전하 저장 메커니즘에 근거하여, 슈퍼커패시터(SC)는 3개의 일반적인 부류, 즉 슈도커패시터, 전기 이중-층 커패시터(EDLC) 및 하이브리드 커패시터로 분류되었다. EDLC는 표면 전해질 계면에서 이온의 흡착/탈착에 의해 이중-층의 형태로 전기 전하를 저장한다. 슈도커패시터는 표면-제어된 빠른 산화환원 반응에 의해 제어되는 슈도커패시턴스 및 이온 삽입에 의해 지배되는 슈도커패시턴스로서 주로 분류될 수 있고, EDLC보다 훨씬 높은 비-용량(Sc)을 보유할 수 있다. 반대로, 비대칭 슈퍼커패시터(AS)는 EDLC 및 슈도커패시티브 전극 양쪽을 이용하여 조립된다. 양쪽 메커니즘의 기여 때문에, AS는 개선된 전기화학 성능을 나타낼 수 있다.Based on the charge storage mechanism, supercapacitors (SC) have been classified into three general classes: pseudocapacitors, electric double-layer capacitors (EDLCs), and hybrid capacitors. EDLC stores electrical charge in the form of a double-layer by adsorption/desorption of ions at the surface electrolyte interface. Pseudocapacitors can be mainly classified as pseudocapacitances controlled by surface-controlled fast redox reactions and pseudocapacitances governed by ion insertion, and can have a much higher specific-capacitance (S c ) than EDLCs. Conversely, an asymmetric supercapacitor (AS) is assembled using both EDLC and pseudocapacitive electrodes. Because of the contribution of both mechanisms, AS can exhibit improved electrochemical performance.

Co3O4, CuO 및 MnO2와 같은 나노구조 전이-금속 산화물은 높은 이론적 비-용량 및 장기간 사이클 안정성을 나타내는 측면에서 슈도커패시티브 재료로서 폭 넓게 연구되었다. 단일 금속 산화물과 비교하여, 2성분 금속 산화물은 개선적인 산화환원 특성을 갖는다. Liu 등은 Co3O4(664 F/g 및 68% 용량 유지율)와 비교하여, 향상된 Sc(1,131 F/g) 및 사이클링 안정성(5000 사이클에서 79.7%)을 나타내는 CuCo2O4를 합성하였다. Chang 등은 단일 Mn 산화물(75%)과 비교하여, 개선된 사이클 안정성(500 사이클에서 95% 용량 유지율)을 갖는 2성분 Mn-Co 산화물(MCO)을 합성하였다. Gomes 등은 Co-Mn 산화물을 합성하였고, 높은 Sc(20 mV /s에서 832 F/g)를 얻었다. 다중 산화환원 반응을 통해 전기화학 특성을 추가로 개선하기 위해, 3금속 스피넬 산화물이 최근에 또한 합성되었다. 예를 들어, Sahoo 등은 고-용량 Co 및 고-전도성 Ni 금속을 도입함으로써, Fe-계 금속 산화물의 전기화학 성능을 향상시키는 방법으로서, Fe-Ni-Co 산화물을 합성하였다. 제조된 산화물은 3 A/g에서 867 F/g의 Sc 그리고 10,000 사이클 후에도 92.3%의 뛰어난 사이클링 안정성을 나타냈다. Li 등은 이들이 제조한 Mn-Ni-Co 3성분 산화물이 1 A/g에서 638 F/g의 Sc 그리고 사이클링 안정성(6,000 사이클 후에 93.6%)을 나타냈음을 보고하였다. 이들 발견이 나타내듯이, 3금속 산화물에서 상이한 전이 금속 이온의 공존은 효율적인 다중 산화환원 반응을 향상시켜 전기화학 성능을 추가로 개선할 수 있었다.Nanostructured transition-metal oxides such as Co 3 O 4 , CuO and MnO 2 have been extensively studied as pseudocapacitive materials in terms of exhibiting high theoretical specific-capacitance and long-term cycle stability. Compared to single metal oxides, binary metal oxides have improved redox properties. Liu et al. synthesized CuCo 2 O 4 exhibiting improved Sc (1,131 F/ g ) and cycling stability (79.7% at 5000 cycles) compared to Co 3 O 4 (664 F/g and 68% capacity retention). . Chang et al. synthesized binary Mn-Co oxide (MCO) with improved cycle stability (95% capacity retention at 500 cycles) compared to single Mn oxide (75%). Gomes et al. synthesized Co-Mn oxide and obtained high S c (832 F/g at 20 mV/s). To further improve the electrochemical properties through multiple redox reactions, trimetallic spinel oxides have also been synthesized recently. For example, Sahoo et al. synthesized Fe-Ni-Co oxide as a method of improving the electrochemical performance of Fe-based metal oxides by introducing high-capacity Co and high-conductivity Ni metals. The prepared oxide exhibited a Sc of 867 F/g at 3 A/ g and excellent cycling stability of 92.3% even after 10,000 cycles. Li et al. reported that the Mn-Ni-Co ternary oxide prepared by them exhibited a Sc of 638 F/g at 1 A/ g and a cycling stability (93.6% after 6,000 cycles). As these findings indicate, the coexistence of different transition metal ions in trimetal oxides could enhance the efficient multiple redox reactions to further improve the electrochemical performance.

Mn 및 Co 산화물은 각각 ~1,370 F/g 및 3,560 F/g의 높은 이론적 용량 때문에 최근 연구자의 흥미를 끌었다. 또한, 최근 연구는 Co 산화물의 우수한 전기화학 기능 및 뛰어난 사이클 안정성, Mn 산화물의 넓은 작동 전위 범위, 및 Cu 산화물의 높은 전자 전도도를 나타냈다.Mn and Co oxides have recently attracted the interest of researchers because of their high theoretical capacities of ∼1370 F/g and 3,560 F/g, respectively. In addition, recent studies revealed the excellent electrochemical function and excellent cycle stability of Co oxide, the wide operating potential range of Mn oxide, and the high electronic conductivity of Cu oxide.

본 발명의 목적은 향상된 용량 및 뛰어난 사이클링 안정성 등의 전기화학적 특성을 나타내는 전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an electrode exhibiting electrochemical properties such as improved capacity and excellent cycling stability, and a method for manufacturing the same.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, Cu-Mn-Co의 3금속 산화물을 포함하는 전극을 제공한다.The present invention provides an electrode including a tri-metal oxide of Cu-Mn-Co in order to achieve the above object.

본 발명에서 3금속 산화물은 CuMnCoO4일 수 있다.In the present invention, the tri-metal oxide may be CuMnCoO 4 .

본 발명에서 3금속 산화물은 Co 산화물의 주 결정 격자에서 Co2+ 또는 Co3+ 중 일부가 Cu2+ 또는 Mn3+로 치환됨으로써 형성된 스피넬 구조를 가질 수 있다.In the present invention, the trimetal oxide may have a spinel structure formed by substituting a portion of Co 2+ or Co 3+ with Cu 2+ or Mn 3+ in the main crystal lattice of the Co oxide.

본 발명에 따른 전극은 다수의 나노니들이 질서정연하게 쌓여 층을 이루면서 느슨하게 상호 연결된 나노니들의 번들을 포함하되, 번들은 중앙에 구멍을 갖는 별-모양 마이크로구조를 형성할 수 있다.The electrode according to the present invention includes a bundle of loosely interconnected nanoneedles in which a plurality of nanoneedles are stacked in an orderly manner to form a layer, but the bundle may form a star-shaped microstructure having a hole in the center.

본 발명에서 각 나노니들은 3금속 산화물의 나노결정자로 구성될 수 있고, 나노결정자의 크기는 평균 9±3 nm일 수 있으며, 나노결정자는 단결정 구조를 가질 수 있다.In the present invention, each nanoneedle may be composed of tri-metal oxide nanocrystals, the size of the nanocrystals may be on average 9±3 nm, and the nanocrystals may have a single crystal structure.

본 발명에서 나노니들 사이에는 정돈된 터널 또는 기공이 형성될 수 있고, 나노결정자 사이에는 나노기공이 형성될 수 있다.In the present invention, ordered tunnels or pores may be formed between the nanoneedles, and nanopores may be formed between the nanocrystals.

본 발명에 따른 전극은 슈도커패시티브 재료로서 거동할 수 있고, 전극의 전하 저장 메커니즘은 표면 근처에서 이온 삽입/탈리 이외에 빠른 표면 산화환원 반응에 의해 지배될 수 있다.The electrode according to the present invention can behave as a pseudocapacitive material, and the charge storage mechanism of the electrode can be dominated by fast surface redox reactions in addition to ion insertion/desorption near the surface.

본 발명에서 3금속 산화물의 비-용량(Sc)은 3전극 시스템 및 1 A/g의 전류 밀도에서 1400 F/g 이상일 수 있고, 용량 유지량은 5,000 사이클 후에 90% 이상일 수 있다.In the present invention, the specific-capacitance (S c ) of the tri-metal oxide may be 1400 F/g or more at a three-electrode system and a current density of 1 A/g, and the capacity retention may be 90% or more after 5,000 cycles.

본 발명에서 3금속 산화물의 직렬 저항(RS) 및 전하 이동 저항(RCT)은 각각 0.5315 Ω 이하 및 1.0 Ω 이하일 수 있다.In the present invention, the series resistance (RS ) and the charge transfer resistance ( R CT ) of the tri-metal oxide may be 0.5315 Ω or less and 1.0 Ω or less, respectively.

본 발명에 따른 전극은 비대칭 슈퍼커패시터의 전극에 사용될 수 있고, 슈퍼커패시터의 비-용량과 에너지 밀도 및 출력 밀도는 1 A/g에서 각각 100 F/g 이상, 35 Wh/kg 이상 및 750 W/kg 이상일 수 있으며, 용량 유지율은 10,000 사이클 후에 90% 이상일 수 있다.The electrode according to the invention can be used in the electrode of an asymmetric supercapacitor, the specific capacity and energy density and power density of the supercapacitor being 100 F/g or more, 35 Wh/kg or more and 750 W/g at 1 A/g, respectively. kg or greater, and the capacity retention rate may be greater than or equal to 90% after 10,000 cycles.

또한, 본 발명은 Cu 전구체, Mn 전구체 및 Co 전구체를 혼합한 후 수열 공정을 수행하는 단계; 및 수열 공정을 거친 전구체 필름을 하소하는 단계를 포함하는 전극 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of performing a hydrothermal process after mixing the Cu precursor, the Mn precursor and the Co precursor; and calcining the precursor film that has undergone a hydrothermal process.

본 발명에서 Cu 전구체, Mn 전구체 및 Co 전구체는 각각 Mn(NO3)2, Cu(NO3)2 및 Co(NO3)2일 수 있다.In the present invention, the Cu precursor, the Mn precursor, and the Co precursor may be Mn(NO 3 ) 2 , Cu(NO 3 ) 2 and Co(NO 3 ) 2 , respectively.

본 발명에서 수열 공정은 150±30℃에서 8±3시간 동안 수행할 수 있다.In the present invention, the hydrothermal process may be performed at 150±30° C. for 8±3 hours.

본 발명에서 하소는 350±30℃에서 2±1시간 동안 2±1℃/min의 승온 속도로 수행할 수 있다.In the present invention, the calcination may be performed at 350±30° C. for 2±1 hours at a temperature increase rate of 2±1° C./min.

본 발명에 따라 수열 방법을 이용하여 합성한 새로운 별-모양 3금속 산화물(CMCO) 전극은 1금속(CO) 및 2금속(MCO) 산화물-계 전극과 비교하여 향상된 용량 및 뛰어난 사이클링 안정성을 나타낼 수 있다. 질서정연하게 층을 이룬 CMCO 나노니들의 구별되는 형태학적 특징은 중앙에 구멍을 갖는 별 모양을 형성함으로써, 전기화학적 활성 부위를 현저하게 증가시킬 수 있고, 물질 및 전하 이동을 용이하게 할 수 있다. 또한, 3금속 산화물에서 3개의 전이 금속 양이온은 다중 산화환원 반응에 기여할 수 있다. 또한, CMCO 전극을 이용한 비대칭 슈퍼커패시터는 개선된 용량 및 우수한 용량 유지율 그리고 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 나타낼 수 있다.The novel star-shaped trimetal oxide (CMCO) electrode synthesized using the hydrothermal method according to the present invention can exhibit improved capacity and superior cycling stability compared to monometal (CO) and bimetal (MCO) oxide-based electrodes. have. Distinctive morphological features of ordered layered CMCO nanoneedles can significantly increase electrochemically active sites and facilitate material and charge transfer by forming a star shape with a hole in the center. In addition, three transition metal cations in trimetal oxide can contribute to multiple redox reactions. In addition, an asymmetric supercapacitor using a CMCO electrode can exhibit improved capacity and excellent capacity retention, and high energy density and power density.

도 1은 CO, MCO 및 CMCO의 XRD 패턴이다.
도 2는 CMCO의 XPS 스펙트럼으로서, (a) Co 2p, (b) Mn 2p, (c) Cu 2p, 및 (d) O 1s이다.
도 3은 CMCO의 (a) EDX 원소 맵핑, (b) TEM, (c) HRTEM, (d) SAED 패턴이다.
도 4는 CMCO의 FESEM 이미지이다.
도 5는 빠른 이온 삽입 및 용이한 전자 이동의 개략도이다.
도 6은 (a) CV 및 (b) GCD 곡선의 측면에서 합성된 전극을 비교한 것이다. 상세하게는, CMCO의 (c) CV 및 (d) GCD 곡선이다.
도 7은 모든 전극의 (a) 사이클링 안정성, (b) Nyquist 플롯, 및 (c) GCD 전류 밀도에 따른 IR 강하를 나타낸다. (d)는 Nyquist 플롯의 피팅에 이용된 등가 회로를 나타낸다.
도 8은 AS(CMCO//AC)의 (a) 50 mV/s의 스캔 속도에서 상이한 전위 윈도우에서 CV 곡선; (b) 3 A/g에서 상이한 전위 윈도우에서 GCD 곡선; (c) 상이한 스캔 속도에서 CV 곡선; 및 (d) 상이한 전류 밀도에서 GCD 곡선을 나타낸다.
도 9는 AS의 (a) 속도 성능, (b) Ragone 플롯, (c) 사이클링 안정성, 및 (d) 사이클링 시험의 1번째 및 10,000번째 사이클에서 얻어진 CV 곡선을 나타낸다.
1 is an XRD pattern of CO, MCO and CMCO.
2 is an XPS spectrum of CMCO, (a) Co 2p, (b) Mn 2p, (c) Cu 2p, and (d) O 1s.
3 is (a) EDX element mapping, (b) TEM, (c) HRTEM, (d) SAED patterns of CMCO.
4 is a FESEM image of CMCO.
5 is a schematic diagram of fast ion insertion and facile electron transport.
6 shows a comparison of synthesized electrodes in terms of (a) CV and (b) GCD curves. Specifically, (c) CV and (d) GCD curves of CMCO.
7 shows (a) cycling stability, (b) Nyquist plot, and (c) IR drop with GCD current density of all electrodes. (d) shows the equivalent circuit used for fitting the Nyquist plot.
Figure 8 shows (a) CV curves in different potential windows at a scan rate of 50 mV/s of AS (CMCO//AC); (b) GCD curves at different potential windows at 3 A/g; (c) CV curves at different scan rates; and (d) GCD curves at different current densities.
9 shows (a) speed performance, (b) Ragone plot, (c) cycling stability, and (d) CV curves obtained at the 1st and 10,000th cycles of the cycling test of AS.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 전극은 Cu-Mn-Co의 3금속 산화물(CMCO)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 전극은 거의 대부분 CMCO로 이루어질 수 있고 미량의 다른 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 3금속 산화물은 CuMnCoO4일 수 있다. 특히, 3금속 산화물은 Co 산화물의 주 결정 격자에서 Co2+ 또는 Co3+ 중 일부가 Cu2+ 또는 Mn3+로 치환됨으로써 형성된 스피넬 구조를 가질 수 있다.The electrode according to the present invention is characterized in that it comprises a tri-metal oxide (CMCO) of Cu-Mn-Co. The electrode may consist almost entirely of CMCO and may contain traces of other materials. Specifically, the tri-metal oxide may be CuMnCoO 4 . In particular, the trimetal oxide may have a spinel structure formed by replacing a part of Co 2+ or Co 3+ with Cu 2+ or Mn 3+ in the main crystal lattice of the Co oxide.

도 4 및 5 등을 참고하면, 본 발명에 따른 전극은 다수의 나노니들이 질서정연하게 쌓여 층을 이루면서 느슨하게 상호 연결된 나노니들의 번들을 포함하되, 번들은 중앙에 구멍을 갖는 별-모양 마이크로구조를 형성할 수 있다.4 and 5, the electrode according to the present invention includes a bundle of loosely interconnected nanoneedles in which a plurality of nanoneedles are stacked in an orderly manner to form a layer, but the bundle is a star-shaped microstructure having a hole in the center can be formed

구체적으로, 전극은 다수의 별 모양 번들을 포함할 수 있고, 각각의 별 모양 번들은 상호 연결될 수 있다. 각각의 별 모양 번들은 다수의 나노니들로 이루어지되, 다수의 나노니들이 질서정연하게 수직방향으로 쌓여 층을 이루면서 느슨하게 상호 연결될 수 있고, 전체적으로 볼 때 별 모양을 형성할 수 있다.Specifically, the electrode may include a plurality of star-shaped bundles, and each star-shaped bundle may be interconnected. Each star-shaped bundle is composed of a plurality of nanoneedles, and the plurality of nanoneedles are stacked in an orderly vertical direction to form a layer and can be loosely interconnected, and when viewed as a whole, can form a star shape.

번들을 구성하는 각 나노니들은 3금속 산화물의 나노결정자로 구성될 수 있다. 이와 같이, 나노결정자가 상호 연결되어 나노니들을 형성할 수 있고, 나노니들이 수직방향으로는 적층되어 층 구조를 이루면서 수평방향으로는 5개의 갈래로 상호 연결되어 별 모양 번들을 형성할 수 있다. 나노결정자의 크기는 평균 9±3 nm, 바람직하게는 9±2 nm 또는 9±1 nm일 수 있다. 또한, 나노결정자는 단결정 구조를 가져서 전기 전도도 등을 개선할 수 있다.Each nanoneedle constituting the bundle may be composed of tri-metal oxide nanocrystals. In this way, the nanocrystals may be interconnected to form a nanoneedle, and the nanoneedles may be stacked in a vertical direction to form a layered structure, and may be interconnected in five horizontal directions to form a star-shaped bundle. The size of the nanocrystals may be on average 9±3 nm, preferably 9±2 nm or 9±1 nm. In addition, the nanocrystals may have a single crystal structure to improve electrical conductivity and the like.

별 모양 번들의 중앙에는 상대적으로 큰 구멍이 형성될 수 있고, 나노니들 사이에는 정돈된 터널 또는 기공이 형성될 수 있으며, 나노결정자 사이에는 나노기공이 형성될 수 있다. 이러한 정돈된 터널 및 기공은 이온의 빠른 흐름에 도움이 될 수 있고, 따라서 손쉬운 전하 저장이 가능하다.A relatively large hole may be formed in the center of the star bundle, an ordered tunnel or pores may be formed between the nanoneedles, and nanopores may be formed between the nanocrystals. These ordered tunnels and pores can help the fast flow of ions, thus allowing for easy charge storage.

본 발명에 따른 전극은 우수한 결정화도를 나타낼 수 있고, 큰 표면적 및 빠른 전하와 물질 이동 동역학에 기여할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극의 상술한 독특한 형태는 대량의 전기화학적 활성 부위, 중앙 구멍과 나노니들 사이의 터널 및 나노결정자 사이의 나노기공을 통한 빠른 이온 이동, 상호 연결된 나노니들을 통한 용이해진 전자 이동에 도움이 될 수 있다.The electrode according to the present invention can exhibit excellent crystallinity, and can contribute to a large surface area and fast charge and mass transfer kinetics. In addition, the above-described unique morphology of the electrode according to the present invention is characterized by a large number of electrochemically active sites, a tunnel between the central hole and the nanoneedles and rapid ion movement through the nanopores between the nanocrystals, and facilitated electrons through the interconnected nanoneedles. It can help with movement.

본 발명에 따른 전극은 슈도커패시티브 재료로서 거동할 수 있고, 전극의 전하 저장 메커니즘은 표면 근처에서 이온 삽입/탈리 이외에 빠른 표면 산화환원 반응에 의해 지배될 수 있다.The electrode according to the present invention can behave as a pseudocapacitive material, and the charge storage mechanism of the electrode can be dominated by fast surface redox reactions in addition to ion insertion/desorption near the surface.

본 발명에서 3금속 산화물의 비-용량(Sc)은 3전극 시스템 및 1 A/g의 전류 밀도에서 1400 F/g 이상, 바람직하게는 1500 F/g 이상, 1600 F/g 이상 또는 1700 F/g 이상일 수 있다. 그 상한 값은 예를 들어 1850 F/g 이하, 1800 F/g 이하 또는 1750 F/g 이하일 수 있다. 또한, 3금속 산화물의 용량 유지량은 5,000 사이클 후에 90% 이상, 바람직하게는 92% 이상, 94% 이상 또는 95% 이상일 수 있다. 그 상한 값은 예를 들어 99% 이하, 98% 이하, 97% 이하 또는 96% 이하일 수 있다.The specific-capacitance (S c ) of the trimetal oxide in the present invention is at least 1400 F/g, preferably at least 1500 F/g, at least 1600 F/g or at least 1700 F in a three-electrode system and a current density of 1 A/g. It can be greater than /g. The upper limit may be, for example, 1850 F/g or less, 1800 F/g or less, or 1750 F/g or less. In addition, the capacity retention amount of the trimetal oxide may be 90% or more, preferably 92% or more, 94% or more, or 95% or more after 5,000 cycles. The upper limit may be, for example, 99% or less, 98% or less, 97% or less, or 96% or less.

본 발명에서 3금속 산화물의 직렬 저항(RS)은 0.5315 Ω 이하, 바람직하게는 0.5310 Ω 이하 또는 0.5309 Ω 이하일 수 있다. 그 하한 값은 예를 들어 0.52 Ω 이상, 0.53 Ω 이상 또는 0.5305 Ω 이상일 수 있다. 또한, 3금속 산화물의 전하 이동 저항(RCT)은 1.0 Ω 이하, 바람직하게는 0.8 Ω 이하, 0.6 Ω 이하 또는 0.55 Ω 이하일 수 있다. 그 하한 값은 예를 들어 0.52 Ω 이상, 0.53 Ω 이상 또는 0.54 Ω 이상일 수 있다.In the present invention, the series resistance (RS ) of the tri-metal oxide may be 0.5315 Ω or less, preferably 0.5310 Ω or less or 0.5309 Ω or less. The lower limit may be, for example, 0.52 Ω or more, 0.53 Ω or more, or 0.5305 Ω or more. In addition, the charge transfer resistance (R CT ) of the tri-metal oxide may be 1.0 Ω or less, preferably 0.8 Ω or less, 0.6 Ω or less, or 0.55 Ω or less. The lower limit value may be, for example, 0.52 Ω or more, 0.53 Ω or more, or 0.54 Ω or more.

본 발명에 따른 전극은 슈퍼커패시터, 특히 비대칭 슈퍼커패시터용 전극으로 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전극이 적용된 슈퍼커패시터의 비-용량은 1 A/g에서 100 F/g 이상, 바람직하게는 105 F/g 이상, 110 F/g 이상 또는 111 F/g 이상일 수 있다. 그 상한 값은 예를 들어 130 F/g 이하, 120 F/g 이하 또는 115 F/g 이하일 수 있다.The electrode according to the present invention can be usefully used as an electrode for a supercapacitor, particularly an asymmetric supercapacitor. The specific-capacitance of the supercapacitor to which the electrode according to the present invention is applied may be 100 F/g or more at 1 A/g, preferably 105 F/g or more, 110 F/g or more, or 111 F/g or more. The upper limit may be, for example, 130 F/g or less, 120 F/g or less, or 115 F/g or less.

본 발명에 따른 전극이 적용된 슈퍼커패시터의 에너지 밀도는 1 A/g에서 35 Wh/kg 이상, 바람직하게는 36 Wh/kg 이상, 38 Wh/kg 이상 또는 40 Wh/kg 이상일 수 있다. 그 상한 값은 예를 들어 45 Wh/kg 이하, 43 Wh/kg 이하 또는 41 Wh/kg 이하일 수 있다.The energy density of the supercapacitor to which the electrode according to the present invention is applied may be 35 Wh/kg or more at 1 A/g, preferably 36 Wh/kg or more, 38 Wh/kg or more, or 40 Wh/kg or more. The upper limit value may be, for example, 45 Wh/kg or less, 43 Wh/kg or less, or 41 Wh/kg or less.

본 발명에 따른 전극이 적용된 슈퍼커패시터의 출력 밀도는 1 A/g에서 750 W/kg 이상, 바람직하게는 760 W/kg 이상, 780 W/kg 이상 또는 790 W/kg 이상일 수 있다. 그 상한 값은 예를 들어 820 W/kg 이하, 810 W/kg 이하 또는 800 W/kg 이하일 수 있다.The power density of the supercapacitor to which the electrode according to the present invention is applied may be 750 W/kg or more at 1 A/g, preferably 760 W/kg or more, 780 W/kg or more, or 790 W/kg or more. The upper limit value may be, for example, 820 W/kg or less, 810 W/kg or less, or 800 W/kg or less.

본 발명에 따른 전극이 적용된 슈퍼커패시터의 용량 유지율은 10,000 사이클 후에 90% 이상, 바람직하게는 91% 이상, 92% 이상 또는 93% 이상일 수 있다. 그 상한 값은 예를 들어 97% 이하, 96% 이하, 95% 이하 또는 94% 이하일 수 있다.The capacity retention rate of the supercapacitor to which the electrode according to the present invention is applied may be 90% or more, preferably 91% or more, 92% or more, or 93% or more after 10,000 cycles. The upper limit may be, for example, 97% or less, 96% or less, 95% or less, or 94% or less.

또한, 본 발명은 Cu 전구체, Mn 전구체 및 Co 전구체를 혼합한 후 수열 공정을 수행하는 단계; 및 수열 공정을 거친 전구체 필름을 하소하는 단계를 포함하는 전극 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of performing a hydrothermal process after mixing the Cu precursor, the Mn precursor and the Co precursor; and calcining the precursor film that has undergone a hydrothermal process.

Cu 전구체, Mn 전구체 및 Co 전구체는 각각 Mn(NO3)2, Cu(NO3)2 및 Co(NO3)2일 수 있다. 각 전구체의 농도는 40 mL의 증류수에서 1±0.5 mmol일 수 있다. 또한, 전구체 혼합 용액에는 우레아 및 NH4F를 추가로 첨가할 수 있다. 우레아 및 NH4F의 농도는 40 mL의 증류수에서 각각 4±1 mmol 및 8±2 mmol일 수 있다. 용액은 자석 교반으로 30±10분 동안 공기 중에서 혼합될 수 있다.The Cu precursor, the Mn precursor, and the Co precursor may be Mn(NO 3 ) 2 , Cu(NO 3 ) 2 and Co(NO 3 ) 2 , respectively. The concentration of each precursor may be 1±0.5 mmol in 40 mL of distilled water. In addition, urea and NH 4 F may be additionally added to the precursor mixture solution. The concentrations of urea and NH 4 F may be 4±1 mmol and 8±2 mmol, respectively, in 40 mL of distilled water. The solution can be mixed in air for 30±10 minutes with magnetic stirring.

전구체 필름을 형성하기 위한 기판으로는 Ni-폼(NF) 등을 사용할 수 있다. 기판은 HCl, 에탄올 및 탈이온(DI)수로 전-처리된 후 진공 건조될 수 있다.As a substrate for forming the precursor film, Ni-form (NF) or the like may be used. The substrate may be pre-treated with HCl, ethanol and deionized (DI) water and then vacuum dried.

전구체 용액에 기판을 담근 후, 수열 공정을 통해 전구체 필름을 형성할 수 있다. 수열 공정의 온도는 150±30℃, 바람직하게는 150±20℃, 150±10℃ 또는 150±5℃일 수 있다. 수열 공정의 시간은 8±3시간, 바람직하게는 8±2시간, 8±1시간 또는 8±0.5시간일 수 있다.After the substrate is immersed in the precursor solution, the precursor film may be formed through a hydrothermal process. The temperature of the hydrothermal process may be 150±30°C, preferably 150±20°C, 150±10°C or 150±5°C. The time of the hydrothermal process may be 8±3 hours, preferably 8±2 hours, 8±1 hours or 8±0.5 hours.

수열 공정이 완료되면, 전구체 필름을 냉각하고 세척한 후, 60±20℃에서 12±3시간 동안 진공-건조할 수 있다.After the hydrothermal process is completed, the precursor film may be cooled and washed, and then vacuum-dried at 60±20° C. for 12±3 hours.

마지막으로, 전구체 필름을 하소하여 CMCO 3성분 산화물 전극을 형성할 수 있다. 하소 온도는 350±30℃, 바람직하게는 350±20℃, 350±10℃ 또는 350±5℃일 수 있다. 하소 시간은 2±1시간, 바람직하게는 2±0.5시간일 수 있다. 또한, 하소는 2±1℃/min, 바람직하게는 2±0.5℃/min의 승온 속도로 수행할 수 있다.Finally, the precursor film can be calcined to form the CMCO three-component oxide electrode. The calcination temperature may be 350±30° C., preferably 350±20° C., 350±10° C. or 350±5° C. The calcination time may be 2±1 hours, preferably 2±0.5 hours. In addition, the calcination may be performed at a temperature increase rate of 2±1° C./min, preferably 2±0.5° C./min.

슈퍼커패시터의 음극으로는 상업적 활성탄(AC) 등을 이용할 수 있고, 양극으로는 본 발명에 따른 CMCO를 이용할 수 있다. 분리기로는 필터 종이 등을 이용할 수 있고, 전해질로는 3±1 M KOH 등을 이용할 수 있다. 음극은 예를 들어 8±0.5:1±0.5:1의 질량 비율의 AC, 카본 블랙 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)의 슬러리를 NF 상에 드롭-캐스팅함으로써 제조할 수 있다.Commercial activated carbon (AC) or the like may be used as the negative electrode of the supercapacitor, and the CMCO according to the present invention may be used as the positive electrode. Filter paper or the like may be used as the separator, and 3±1 M KOH may be used as the electrolyte. The negative electrode can be prepared, for example, by drop-casting onto NF a slurry of AC, carbon black and polyvinylidene difluoride (PVDF) in a mass ratio of 8±0.5:1±0.5:1.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples.

[실시예][Example]

본 발명에서는 상이한 전이 금속들의 상승적 효과로부터 얻을 수 있는 최대 이점을 조합하기 위해, 그리고 이들의 한계를 완화하기 위해, 수열 합성 및 이후 하소를 이용하여, 새로운 별-모양 3금속 화합물(스피넬 Cu-Mn-Co 산화물, CMCO)을 설계 및 제조하였다. 또한, 이의 전기화학 성능을 MCO 및 Co 산화물(CO)과 비교하였다. 관측에 따르면, 3개의 전이 금속을 수반하는 다중 산화환원 반응은 CMCO의 전기화학 특성에 큰 영향을 주었다. CMCO는 MCO 및 CO에 비해 최고 Sc, 최고 전기 전도도 및 가장 뛰어난 사이클 수명을 가졌다. 또한, CMCO//활성탄(AC) 비대칭 HS는 높은 에너지(40.1 Wh/kg) 및 출력 밀도(799 W/kg)를 달성함으로써, 전극 재료로서 CMCO의 우수한 성능을 나타냈다.In the present invention, in order to combine the maximum benefit from the synergistic effect of different transition metals, and to alleviate their limitations, using hydrothermal synthesis and subsequent calcination, a new star-shaped trimetal compound (Spinel Cu-Mn -Co oxide, CMCO) was designed and prepared. In addition, its electrochemical performance was compared with MCO and Co oxide (CO). According to the observations, multiple redox reactions involving three transition metals have a significant effect on the electrochemical properties of CMCO. CMCO had the highest S c , the highest electrical conductivity and the best cycle life compared to MCO and CO. In addition, the CMCO//activated carbon (AC) asymmetric HS achieved high energy (40.1 Wh/kg) and power density (799 W/kg), thereby demonstrating the superior performance of CMCO as an electrode material.

1. 실험1. Experiment

1.1 재료의 제조1.1 Manufacture of materials

CO, MCO 및 CMCO 나노구조를 손쉬운 수열 방법에 의해 다음의 단계에 따라 합성하였다: 40 mL의 증류수에서 1 mmol Mn(NO3)2, 1 mmol Cu(NO3)2, 1 mmol Co(NO3)2, 4 mmol 우레아 및 8 mmol NH4F를 자석 교반으로 30분 동안 공기 중에서 혼합함으로써 CMCO 반응 용액을 얻었다. Ni-폼(NF)(1cm×4cm) 기판을 3 M HCl, 에탄올 및 탈이온(DI)수로 전-처리한 후, 밤새 진공-건조하여 표면으로부터 오염물질 및 원래 있던 산화물 층을 제거하였다. 얻어진 CMCO 용액을 50 mL 테플론-라이닝된 스테인리스-스틸 오토클레이브로 옮기고, NF 기판을 그 안에 담갔다. 수열 공정을 150℃에서 8시간 동안 유지하였다. 반응 시간의 완료 시에, 오토클레이브를 20-25℃에서 점차로 냉각시켰다. NF/CMCO 전구체를 조심스럽게 제거한 후, DI수로 수 차례 세척하여 잔류 반응물질을 제거한 다음, 60℃에서 12시간 동안 진공-건조하였다. 마지막으로, 전구체 필름을 350℃에서 2시간 동안 2℃/min의 승온 속도로 하소함으로써, 전구체의 CMCO 3성분 산화물로의 완전한 상 전환을 가능하게 하였다.CO, MCO and CMCO nanostructures were synthesized by a facile hydrothermal method according to the following steps: 1 mmol Mn(NO 3 ) 2 , 1 mmol Cu(NO 3 ) 2 , 1 mmol Co(NO 3 ) in 40 mL of distilled water. ) 2 , 4 mmol urea and 8 mmol NH 4 F were mixed in air for 30 min with magnetic stirring to obtain a CMCO reaction solution. Ni-foam (NF) (1 cm×4 cm) substrates were pre-treated with 3 M HCl, ethanol and deionized (DI) water and then vacuum-dried overnight to remove contaminants and native oxide layers from the surface. The resulting CMCO solution was transferred to a 50 mL Teflon-lined stainless-steel autoclave, and the NF substrate was immersed therein. The hydrothermal process was maintained at 150° C. for 8 hours. At the completion of the reaction time, the autoclave was cooled gradually at 20-25 °C. After carefully removing the NF/CMCO precursor, it was washed several times with DI water to remove residual reactants, and then vacuum-dried at 60° C. for 12 hours. Finally, the precursor film was calcined at 350° C. for 2 hours at a heating rate of 2° C./min, allowing complete phase conversion of the precursor to CMCO ternary oxide.

또한, 40 mL의 DI수에서 2 mmol Co(NO3)2, 1 mmol Mn(NO3)2, 4 mmol 우레아 및 8 mmol NH4F를 자석 교반으로 30분 동안 공기 중에서 혼합함으로써 MCO 반응 용액을 얻었다. 다음, 40 mL의 DI수에서 3 mmol Co(NO3)2, 4 mmol 우레아 및 8 mmol NH4F를 자석 교반으로 30분 동안 공기 중에서 혼합함으로써 CO 반응 용액을 얻었다. MCO 및 CMCO 전극의 제조는 CMCO와 동일 단계를 따랐다.Further, the MCO reaction solution was prepared by mixing 2 mmol Co(NO 3 ) 2 , 1 mmol Mn(NO 3 ) 2 , 4 mmol urea and 8 mmol NH 4 F in 40 mL of DI water in air for 30 min with magnetic stirring. got it Then, a CO reaction solution was obtained by mixing 3 mmol Co(NO 3 ) 2 , 4 mmol urea and 8 mmol NH 4 F in 40 mL of DI water in air for 30 minutes with magnetic stirring. The fabrication of MCO and CMCO electrodes followed the same steps as for CMCO.

1.2. 특성 평가1.2. characterization

제조된 전극의 결정학적 구조는 Cu-Kα 방사선원을 갖는 X-선 회절(XRD, PAN 분석 및 X'Pert-PRO)을 이용하여 조사하였다. 표면 화학 조성은 Al-Kα 단색화된 방사선원을 갖는 X-선 광전자 현미경(XPS, Thermo Scientific)으로 검사하였다. 필름의 구조 및 형태는 전계-방출 주사 전자 현미경(FE-SEM; Hitachi, S-4800)으로 조사하였다. 상세 구조 분석은 200 kV의 가속 전압에서 고-해상도 투과 전자 현미경(HRTEM; CM-200, Philips)을 이용하여 수행하였다.The crystallographic structure of the prepared electrode was investigated using X-ray diffraction (XRD, PAN analysis and X'Pert-PRO) with a Cu-Kα radiation source. The surface chemical composition was examined by X-ray photoelectron microscopy (XPS, Thermo Scientific) with an Al-Kα monochromated radiation source. The structure and morphology of the films were investigated with a field-emission scanning electron microscope (FE-SEM; Hitachi, S-4800). Detailed structural analysis was performed using a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM; CM-200, Philips) at an accelerating voltage of 200 kV.

1.3. 전기화학 측정1.3. electrochemical measurement

합성된 전극의 전기화학 성능은 전기화학 워크스테이션(WonA Tech., WBCS3000)에서 이들의 순환 전압전류(CV) 곡선 및 정전류 충전-방전(GCD) 곡선을 측정함으로써 평가하였다. 전기화학 특성은 KCl에 잠긴 Ag/AgCl 및 Pt 전극을 각각 기준 및 상대 전극으로서 이용한 3-전극 시스템을 이용하여 3 M KOH 전해질에서 조사하였다. CV는 0-0.5 V의 전위 범위 내에서 상이한 스캔 속도(5, 10, 20, 30, 50 및 100 mV/s)로 수행하였다. GCD는 0-0.4 V의 안정된 전위 윈도우 내에서 상이한 전류 밀도(1, 2, 3, 4, 5 및 10 A/g)로 수행하였다. CO, MCO 및 CMCO 전극의 질량 부하(mg)는 각각 1.32, 1.3 및 1.31 mg이었다.The electrochemical performance of the synthesized electrodes was evaluated by measuring their cyclic voltammetry (CV) curves and constant current charge-discharge (GCD) curves at an electrochemical workstation (WonA Tech., WBCS3000). Electrochemical properties were investigated in 3 M KOH electrolyte using a three-electrode system using Ag/AgCl and Pt electrodes immersed in KCl as reference and counter electrodes, respectively. CV was performed at different scan rates (5, 10, 20, 30, 50 and 100 mV/s) within the potential range of 0-0.5 V. GCD was performed with different current densities (1, 2, 3, 4, 5 and 10 A/g) within a stable potential window of 0-0.4 V. The mass loads (mg) of the CO, MCO and CMCO electrodes were 1.32, 1.3 and 1.31 mg, respectively.

Sc는 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였다.S c was calculated using Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Sc = IΔt / mΔVS c = IΔt / mΔV

여기서, I/m(A/g)는 전류 밀도를 나타내고, Δt(s)는 방전 시간이며, ΔV(V)는 전위 윈도우이다.where I/m(A/g) represents the current density, Δt(s) is the discharge time, and ΔV(V) is the potential window.

2-전극 완전-셀 구성을 위해, 음극으로서 상업적 AC 및 양극으로서 CMCO를 이용하여 CMCO//AC AS를 조립하였다. 추가적으로, 필터 종이 및 3 M KOH를 각각 분리기 및 전해질로서 이용하였다. 음극은 8:1:1의 질량 비율의 AC, 카본 블랙 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)의 슬러리를 NF 상에 드롭-캐스팅함으로써 제조하였다. 얻어진 전극을 이후 70℃에서 밤새 진공-건조하였다.For a two-electrode full-cell configuration, a CMCO//AC AS was assembled using commercial AC as the negative electrode and CMCO as the positive electrode. Additionally, filter paper and 3 M KOH were used as separator and electrolyte, respectively. The negative electrode was prepared by drop-casting onto NF a slurry of AC, carbon black and polyvinylidene difluoride (PVDF) in a mass ratio of 8:1:1. The obtained electrode was then vacuum-dried at 70° C. overnight.

AC의 질량 부하는 하기 수학식 2를 이용하여 각 전극에서 전하 균형을 맞춤으로써 결정하였다.The mass load of AC was determined by balancing the charge at each electrode using Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

m+/m- = (C-×ΔV-) / (C+×ΔV+)m + /m - = (C - ×ΔV - ) / (C + ×ΔV + )

여기서, C+ 및 C-는 각각 CMCO 및 AC 전극의 Sc이고; ΔV- 및 ΔV+는 각각 양극 및 음극의 전위 윈도우를 나타내며; m+ 및 m-는 각각 양극 및 음극의 활성 재료의 질량이다.where C + and C are S c of the CMCO and AC electrodes, respectively; ΔV - and ΔV + represent the potential windows of the positive and negative electrodes, respectively; m + and m are the masses of the active materials of the positive and negative electrodes, respectively.

완전-셀의 에너지 밀도(E, Wh/kg) 및 P(W/kg)는 각각 하기 수학식 3 및 4를 이용하여 2-전극 셀의 GCD 곡선으로부터 계산하였다.The energy density (E, Wh/kg) and P (W/kg) of the full-cell were calculated from the GCD curve of the two-electrode cell using Equations 3 and 4, respectively.

[수학식 3][Equation 3]

E = (C×ΔV2) / 2E = (C×ΔV 2 ) / 2

[수학식 4][Equation 4]

P = E/ΔtP = E/Δt

2. 결과 및 토의2. Results and Discussion

합성된 CO, MCO 및 CMCO의 결정 상은 도 1에 나타낸 바와 같이 XRD로 분석하였다. 45°, 52.5° 및 79°에서의 강한 회절 피크는 NF 기판으로 판독될 수 있었다. CO는 스피넬 상 Co3O4(JCPDS# 00-042-1467)에서 (220), (311), (511), (440) 및 (531) 평면으로 판독될 수 있는 명확한 회절 피크를 나타냈다. 주목할만하게는, MCO 및 CMCO의 회절 피크는 CO와 일치하였다. 이 결과가 확인해 주듯이, MCO 및 CMCO의 결정 구조는 Co3O4와 같았다. 또한, 이 결과가 나타내듯이, MCO 및 CMCO는 CO 주 결정 격자에서 Co2+ 또는 Co3+ 중 일부가 Cu2+ 또는 Mn3+로 치환됨으로써 형성되었다. MCO 및 CMCO 양쪽의 회절 피크는 CO와 비교하여 약간 이동한 것이 주목되었다. 이것은 Cu, Mn 및 Co의 금속-이온 반경에서의 차이 때문이고, Co 원자가 CO 결정 격자에서 다른 원자(Cu 및 Mn)로 부분적으로 치환됨으로써 MCO 및 CMCO의 스피넬 구조를 형성한 것을 확인시켜 주었다.The crystalline phases of the synthesized CO, MCO and CMCO were analyzed by XRD as shown in FIG. 1 . The strong diffraction peaks at 45°, 52.5° and 79° could be read with the NF substrate. CO showed clear diffraction peaks that can be read in the (220), (311), (511), (440) and (531) planes in Co 3 O 4 on spinel (JCPDS# 00-042-1467). Notably, the diffraction peaks of MCO and CMCO were consistent with CO. As confirmed by this result, the crystal structures of MCO and CMCO were the same as Co 3 O 4 . Also, as these results show, MCO and CMCO were formed by replacing some of Co 2+ or Co 3+ with Cu 2+ or Mn 3+ in the CO main crystal lattice. It was noted that the diffraction peaks of both MCO and CMCO shifted slightly compared to CO. This is due to the difference in the metal-ion radius of Cu, Mn and Co, and it was confirmed that the Co atoms were partially substituted with other atoms (Cu and Mn) in the CO crystal lattice to form the spinel structures of MCO and CMCO.

CMCO의 3성분 스피넬 구조의 형성을 추가로 확인하기 위해, 그 화학 조성 및 산화 상태를 XPS로 조사하였다. CMCO의 저-해상도 XPS 스펙트럼에 따르면, 검출된 피크는 Co, Mn, Cu, O, Ni 및 C의 것이었는데, 이들은 CMCO에서의 원소들을 나타낸다. 주 표준으로서 C 원소는 피크 위치 교정을 위해 추가되었고, Ni 원소는 Ni-폼 기판 때문이었다. 도 2a에 나타낸 Co 2p 스펙트럼은 각각 ~781.87 및 797.98 eV의 결합 에너지에서 2개의 스핀-궤도 성분인 Co 2p3/2 및 Co 2p1/2를 나타냈고, 따라서 Co2+ 및 Co3+의 존재를 암시하였다. Mn 2p 스펙트럼(도 2b)에서, Mn 2p3/2 및 Mn 2p1/2에 잘 해당하는 2개의 피크가 각각 642.69 및 654.29 eV 부근에서 관측되었는데, 이는 Mn3+의 존재를 나타내는 것이다. Cu 2p 스펙트럼(도 2c)에서, 934.4 및 954.2 eV 부근에서 세이크-업 위성 피크 및 2개의 피크가 있었는데, 이는 Cu2+의 Cu 2p3/2 및 Cu 2p1/2에 해당하였다. O 1s 스펙트럼(도 2d)에서, 529.7 및 531.1 eV에서의 2개 피크는 금속(Cu, Co 및 Mn) 원소 및 OH-의 산소를 각각 갖는 O2-함유 산화물에 관련된 격자 O2에 할당될 수 있었다.To further confirm the formation of the ternary spinel structure of CMCO, its chemical composition and oxidation state were investigated by XPS. According to the low-resolution XPS spectrum of CMCO, the detected peaks were of Co, Mn, Cu, O, Ni and C, which represent the elements in CMCO. As the main standard, element C was added for peak position correction, and element Ni was due to the Ni-foam substrate. The Co 2p spectrum shown in Fig. 2a showed two spin-orbital components, Co 2p 3/2 and Co 2p 1/2 , at binding energies of ˜781.87 and 797.98 eV, respectively, and thus the presence of Co 2+ and Co 3+ implied. In the Mn 2p spectrum (FIG. 2b), two peaks corresponding to Mn 2p 3/2 and Mn 2p 1/2 were observed around 642.69 and 654.29 eV, respectively, indicating the presence of Mn 3+ . In the Cu 2p spectrum (FIG. 2c), there were a shake-up satellite peak and two peaks near 934.4 and 954.2 eV, which corresponded to Cu 2p 3/2 and Cu 2p 1/2 of Cu 2+ . In the O 1s spectrum (Fig. 2d), the two peaks at 529.7 and 531.1 eV can be assigned to the lattice O 2 associated with the O 2 -containing oxides with the metal (Cu, Co and Mn) elements and oxygen of OH respectively. there was.

도 3a는 CMCO 필름의 에너지-분산형 X-선 분광법(EDX) 원소 매핑을 나타낸다(도 3a). Cu, Mn, Co 및 O가 필름에 존재하였는데, 이는 CMCO의 성공적인 제조를 확인시켜 주었다. CO 및 MCO 전극의 EDX 원소 매핑이 또한 나타내듯이, CO에는 Co 및 O만이 존재하였고, MCO에는 Co, Mn 및 O가 존재하였다.Figure 3a shows energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) elemental mapping of a CMCO film (Figure 3a). Cu, Mn, Co and O were present in the film, confirming the successful preparation of CMCO. As the EDX elemental mapping of the CO and MCO electrodes also shows, only Co and O were present in CO and Co, Mn and O were present in MCO.

CMCO 나노구조의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지가 도 3b 및 3c에 나타나 있다. CMCO는 나노니들의 번들을 나타냈다. 각 나노니들은 작은 CMCO 나노결정자로 구성되었고, 결정자 크기는 평균 약 9 nm이었다. 주목할만하게는, 나노니들의 번들은 나노니들 사이의 정돈된 기공 및 터널과 함께, 질서정연하게 쌓인 구조를 가졌다. 정돈된 터널 및 기공은 전해질 이온의 빠른 흐름에 도움이 되었고, 따라서 손쉬운 전하 저장이 가능하였다. 선택 영역 전자 회절(SAED) 패턴(도 3d)은 회절 점을 나타냈는데, 이는 CMCO 나노입자의 단결정 구조를 나타내는 것이다. 단결정 구조는 CMCO 나노입자에서 결정립 경계의 부재를 나타냈는데, 이는 전하 이동을 위해 산란 중심을 감소시키고 CMCO의 3성분 스피넬 구조의 전기 전도도(또는 전하 이동도)를 개선하였다. 도 3c에 나타낸 바와 같이, CMCO의 HRTEM 이미지는 0.24 nm의 평면간 d 간격을 갖는 명확한 격자 줄무늬를 나타냈는데, 이는 스피넬 CO(JCPDS 00-042-1467)의 (311) 평면과 잘 일치하였다. 상술한 토의에 근거하여, CMCO는 수많은 정돈된 터널 및 기공을 가졌고, 우수한 결정화도를 나타냈는데, 이는 큰 표면적 및 빠른 전하와 물질 이동 동역학에 기여할 수 있다.Transmission electron microscopy (TEM) images of CMCO nanostructures are shown in FIGS. 3b and 3c. CMCO showed bundles of nanoneedles. Each nanoneedle was composed of small CMCO nanocrystals, with an average crystallite size of about 9 nm. Notably, the bundles of nanoneedles had an orderly stacked structure, with ordered pores and tunnels between the nanoneedles. The well-ordered tunnels and pores aided in the rapid flow of electrolyte ions, thus allowing for easy charge storage. The selected area electron diffraction (SAED) pattern ( FIG. 3d ) showed diffraction points, indicating the single crystal structure of the CMCO nanoparticles. The single crystal structure revealed the absence of grain boundaries in the CMCO nanoparticles, which reduced the scattering centers for charge transfer and improved the electrical conductivity (or charge mobility) of the three-component spinel structure of CMCO. As shown in Fig. 3c, the HRTEM image of CMCO showed clear lattice fringes with an interplanar d spacing of 0.24 nm, which was in good agreement with the (311) plane of spinel CO (JCPDS 00-042-1467). Based on the above discussion, CMCO had numerous ordered tunnels and pores and exhibited excellent crystallinity, which may contribute to large surface area and fast charge and mass transfer kinetics.

FE-SEM은 합성된 전극(CO, MCO 및 CMCO)의 형태학적 특성을 분석하는데 이용되었다. CO는 밀집된 나노와이어로 성장하였고, 반면에 MCO는 조밀한 나노시트와 함께 나노와이어로 성장하였다. 도 4(a 및 b)가 나타내듯이, CMCO는 질서정연하게 층을 이루고 느슨하게 상호 연결된 나노니들의 번들로 구성되었다. 특히, 번들은 중앙에 구멍을 갖는 별-모양 마이크로구조를 형성하였다. CMCO 전극의 이 독특한 형태는 다음의 것들에 도움이 될 수 있다: (1) 대량의 전기화학적 활성 부위; (2) 중앙 구멍, 나노니들 사이의 터널, 및 나노결정자 사이의 나노기공을 통한 빠른 이온 이동; 및 (3) 상호 연결된 나노니들을 통한 용이해진 전자 이동. 이들 특징은 도 5에 개략적으로 나타나 있다.FE-SEM was used to analyze the morphological properties of the synthesized electrodes (CO, MCO and CMCO). CO grew into dense nanowires, whereas MCO grew into nanowires with dense nanosheets. As shown in Fig. 4(a and b), the CMCO was composed of bundles of orderedly layered and loosely interconnected nanoneedles. In particular, the bundles formed a star-shaped microstructure with a hole in the center. This unique shape of the CMCO electrode can help: (1) a large number of electrochemically active sites; (2) rapid ion migration through central pores, tunnels between nanoneedles, and nanopores between nanocrystals; and (3) facilitated electron transport through interconnected nanoneedles. These features are schematically shown in FIG. 5 .

합성된 전극 재료의 전기화학적 거동은 3 M KOH 전해질을 이용한 3-전극 시스템에서 연구되었다.The electrochemical behavior of the synthesized electrode material was studied in a three-electrode system using 3 M KOH electrolyte.

CV 및 GCD 시험을 수행하여 Co, Mn-Co 2성분 및 Cu-Mn-Co 3성분 산화물-계 전극의 전하-저장 성능을 조사하였다. 도 6a는 20 mV/s의 스캔 속도에서 CO, MCO 및 CMCO 전극의 CV 프로파일의 비교를 나타낸다. 모든 전극의 CV 곡선의 형상은 명백한 산화환원 피크를 나타내지 않았고 넓은 전위 범위에서 넓었는데, 이는 전하 저장이 RuO2 및 MnO2처럼 표면 산화환원 반응에 의한 슈도커패시티브 메커니즘을 따른 것을 나타낸다. CMCO 전극의 CV 프로파일은 MCO 및 CO보다 훨씬 넓은 CV 면적을 나타내서, 전기화학 활성의 현저한 향상을 입증하였다.CV and GCD tests were performed to investigate the charge-storage performance of Co, Mn-Co binary and Cu-Mn-Co ternary oxide-based electrodes. 6A shows a comparison of CV profiles of CO, MCO and CMCO electrodes at a scan rate of 20 mV/s. The shape of the CV curves of all electrodes did not show obvious redox peaks and were broad in a wide potential range, indicating that charge storage followed a pseudocapacitive mechanism by surface redox reaction like RuO 2 and MnO 2 . The CV profile of the CMCO electrode showed a much larger CV area than that of MCO and CO, demonstrating a significant improvement in electrochemical activity.

전하 저장 메커니즘을 상세하게 조사하기 위해, CMCO(도 6c), CO 및 MCO의 CV 곡선을 상이한 스캔 속도에서 측정하였다. 일반적으로, Co, Cu 및 Mn 양이온은 산화환원 반응에서 상이한 원자가 때문에 상이한 전기화학 활성을 갖고, 따라서 화합물의 전기화학 성능에 대한 기여가 상이하게 된다. CV 전류에 대한 전극의 스캔 속도 의존성을 이용함으로써, 전기화학 성능이 확산-제한적 패러데이 전류에 의해 또는 커패시티브 전류에 의해 지배되었는지를 결정할 수 있다. 커패시티브 재료의 전류는 스캔 속도에 비례적이고(i ∝ ν), 그 전극은 EDLC-타입 및 슈도커패시티브 재료를 포함하여 표면 산화환원 반응 메커니즘을 따른다. 반대로, 벌크로의/로부터의 이온 삽입/탈리 메커니즘을 따르는 전지-타입 전극은 스캔 속도의 제급근에 비례적인(i ∝ ν1/2) 확산-제한적 산화환원 반응 전류를 나타낸다. 커패시티브 및 확산-제한적 전류의 기여를 식에 의해 평가하고 플로팅 하였다. CV 곡선에서 음영 처리된 엔벨로프는 순전히 커패시티브 전류 프로파일을 나타내고, 전류 기여는 표에 요약하였다. 이들 결과가 명확하게 나타내듯이, CO, MCO 및 CMCO는 확산-제한적이라기보다는 주로 커패시티브이었다. 그러므로, 이 전하 저장 메커니즘은 다음과 같은 표면-제어된 산화환원 반응에 의해 주로 지배되었다:To investigate the charge storage mechanism in detail, the CV curves of CMCO (Fig. 6c), CO and MCO were measured at different scan rates. In general, Co, Cu and Mn cations have different electrochemical activities due to different valences in the redox reaction, thus resulting in different contributions to the electrochemical performance of the compounds. By using the dependence of the scan rate of the electrode on the CV current, it is possible to determine whether the electrochemical performance is dominated by the diffusion-limiting Faraday current or by the capacitive current. The current of the capacitive material is proportional to the scan rate (i ∝ ν), and its electrode follows a surface redox mechanism, including EDLC-type and pseudocapacitive materials. Conversely, cell-type electrodes that follow an ion insertion/desorption mechanism to/from bulk exhibit diffusion-limited redox currents proportional to the square root of the scan rate (i ∝ ν 1/2 ). The contributions of capacitive and diffusion-limiting currents were evaluated and plotted by the equations. The shaded envelope in the CV curve represents a purely capacitive current profile, and the current contribution is summarized in the table. As these results clearly indicate, CO, MCO and CMCO were primarily capacitive rather than diffusion-limiting. Therefore, this charge storage mechanism was mainly governed by the following surface-controlled redox reactions:

[반응식 1][Scheme 1]

MO + OH- ↔ MOOH + e- MO + OH - ↔ MOOH + e -

특히, CMCO는 그 중에서 최고 백분율의 커패시티브 거동을 나타냈다. CMCO의 별-모양 형태는 나노니들의 번들로 구성되었고, 각 나노니들은 나노크기 결정자의 상호 연결로 구성되었다. 그러므로, 그 구별되는 형태는 표면 산화환원 반응 및 고체-상태 확산의 효과적인 억제를 용이하게 하였다.In particular, CMCO showed the highest percentage of capacitive behavior among them. The star-shaped morphology of CMCO consisted of bundles of nanoneedles, each composed of interconnections of nanoscale crystallites. Therefore, its distinct morphology facilitated effective inhibition of surface redox reactions and solid-state diffusion.

에너지-저장 메커니즘을 확인하고 CV 곡선을 논의하기 위해, CO, MCO 및 CMCO의 GCD 곡선을 1 A/g의 전류 밀도에서 측정하였다(도 6b). 제한적인 안정된 전위 윈도우(0-0.4 V)가 높은 전위에서 O2 발생 부반응 때문에 GCD 시험을 위해 선택되었다. (GCD에서) 방전 곡선은 완전히 선형적이지 않았지만, 정체기 영역을 나타내지 않았다. 게다가, CV 곡선은 명백한 산화환원 피크 없이 대략 사각형이었다. 이는 전극이 슈도커패시티브 재료로서 거동하였고, 전하-저장 메커니즘이 표면 근처에서 이온 삽입/탈리 이외에 빠른 표면-산화환원 반응에 의해 주로 지배되었음을 나타낸다. 추가적으로, CMCO 전극은 최장의 방전 시간을 나타내서, 최고의 전하-저장 용량을 입증하였다. CO, MCO 및 CMCO 전극의 Sc 값을 GCD 곡선 및 수학식 1을 이용하여 계산하였다. 1 A/g의 전류 밀도에서 Sc(F/g) 값은 CO, MCO 및 CMCO에 대해 각각 742, 1305 및 1715 F/g이었다. CMCO의 이론적인 비-용량을 가능한 산화환원 반응을 이용하여 또한 계산하였다. CMCO의 이론적인 Sc 값은 대략 3003 F/g이었고, CMCO의 실험적인 Sc 값(1715 F/g)은 CMCO의 우수한 에너지 저장 용량을 암시하였다. 상이한 전류 밀도에서 CMCO(도 6d), CO 및 MCO 전극의 GCD 곡선을 또한 평가하였다.To confirm the energy-storage mechanism and discuss the CV curves, the GCD curves of CO, MCO and CMCO were measured at a current density of 1 A/g (Fig. 6b). A limited stable potential window (0–0.4 V) was chosen for the GCD test because of the O 2 evolution side reaction at high potentials. The discharge curve (in GCD) was not completely linear, but did not show a plateau region. Moreover, the CV curve was approximately square with no apparent redox peaks. This indicates that the electrode behaved as a pseudocapacitive material, and the charge-storage mechanism was mainly dominated by fast surface-redox reactions in addition to ion insertion/desorption near the surface. Additionally, the CMCO electrode exhibited the longest discharge time, demonstrating the highest charge-storage capacity. The S c values of the CO, MCO and CMCO electrodes were calculated using the GCD curve and Equation 1. The S c (F/g) values at a current density of 1 A/g were 742, 1305 and 1715 F/g for CO, MCO and CMCO, respectively. The theoretical specific-dose of CMCO was also calculated using possible redox reactions. The theoretical S c value of CMCO was approximately 3003 F/g, and the experimental S c value of CMCO (1715 F/g) suggested the superior energy storage capacity of CMCO. The GCD curves of the CMCO ( FIG. 6d ), CO and MCO electrodes at different current densities were also evaluated.

긴 사이클 수명은 에너지 저장 셀에 필수적인 요소이다. 도 7a는 5 A/g에서 시험된 GCD 사이클링 안정성을 나타낸다. CO, MCO 및 CMCO는 각각 85.7, 89 및 95%의 용량 유지율을 나타냈다. CMCO의 개선된 사이클링 안정성은 빠른 표면-산화환원 반응에 의한 더욱 발전된 용량 기여에 기인할 수 있었는데, 이는 표면-산화환원 반응이 벌크 격자로의 고체-상태 확산을 필요로 하지 않기 때문이고, 따라서 부피 팽창 및 격자 내부의 상 전이를 억제하였다.Long cycle life is essential for energy storage cells. 7A shows the GCD cycling stability tested at 5 A/g. CO, MCO and CMCO showed capacity retention of 85.7, 89 and 95%, respectively. The improved cycling stability of CMCO could be attributed to the more advanced capacity contribution by the fast surface-redox reaction, since the surface-redox reaction does not require solid-state diffusion into the bulk lattice, and thus the volume The expansion and phase transition inside the lattice were suppressed.

샘플의 전하-이동 동역학을 상세하게 비교하기 위해, 그 저항 파라미터를 전기 등가 회로(도 7d)로 분석하여 표 1에 열거한 샘플의 Nyquist 플롯을 측정하였다(도 7b). RS는 직렬 저항을 나타내고, RCT(전하-이동 저항)는 산화환원 반응의 패러데이 저항을 나타내며, W는 확산 과정에 대한 Warburg 임피던스이고, 그리고 CPE는 정수 위상 요소이다. 명백하게, CMCO의 RCT 값(0.54188 Ω)은 1금속(CO) 및 2금속(MCO) 산화물보다 훨씬 작았다. 이는 독특한 별-모양 형태가 큰 표면적을 제공하고 전하 이동을 용이하게 하였기 때문이다. 더구나, CMCO에서 3개의 전이 금속 양이온은 이로운 다중 산화환원 반응을 개시하였다. 실제 임피던스 축에 대한 곡선의 교점은 RS 값을 나타내는데, 이는 전해질 저항 및 내부 전극 저항으로부터 유래하였다. CMCO는 모든 전극 중에서 최저의 RS 값(0.53089 Ω)을 가졌는데, 이는 CMCO의 양호한 전기 전도도를 나타낸다. 도 7c는 IR(전압) 강하를 나타내는데, 이는 (GCD 사이클에서) 인가된 전류 세기 대 충전 종료와 방전 시작 사이의 체류 시간으로부터 계산하였다. 이는 CMCO가 최저 RS를 가짐을 추가로 확인시켰다. 그러므로, CMCO의 현저하게 개선된 슈퍼커패시티브 성능은 많은 전기화학적 활성 부위에 도움이 되고 물질 및 전하 이동을 용이하게 한 별-모양 형태; 뿐만 아니라 다중 산화환원 반응에 기여한 3개의 전이 금속 양이온; 및 양호한 전기 전도도에 기인할 수 있었다.To compare the charge-transfer kinetics of the samples in detail, their resistance parameters were analyzed with an electrical equivalent circuit (Fig. 7d) to measure the Nyquist plot of the samples listed in Table 1 (Fig. 7b). R S represents the series resistance, R CT (charge-transfer resistance) represents the Faraday resistance of the redox reaction, W is the Warburg impedance to the diffusion process, and CPE is the integer phase component. Obviously, the R CT value (0.54188 Ω) of CMCO was much smaller than that of monometal (CO) and dimetal (MCO) oxides. This is because the unique star-shaped morphology provided a large surface area and facilitated charge transfer. Moreover, three transition metal cations in CMCO initiated beneficial multiple redox reactions. The intersection of the curves on the actual impedance axis represents the R S value, which is derived from the electrolyte resistance and the internal electrode resistance. CMCO had the lowest R S value (0.53089 Ω) among all electrodes, indicating good electrical conductivity of CMCO. Figure 7c shows the IR (voltage) drop, calculated from the applied current strength (in the GCD cycle) versus the dwell time between the end of charge and the start of discharge. This further confirmed that CMCO had the lowest R S . Therefore, the remarkably improved supercapacitive performance of CMCOs is conducive to many electrochemically active sites and has a star-shaped morphology that facilitates material and charge transfer; as well as three transition metal cations contributing to multiple redox reactions; and good electrical conductivity.

표 1은 Zview 소프트웨어에 의해 얻어진 합성된 전극의 EIS에 대한 피팅된 파라미터를 나타낸다.Table 1 shows the fitted parameters for the EIS of the synthesized electrodes obtained by Zview software.

샘플Sample RS R S RCT R CT COCO 0.531980.53198 1.151.15 MCOMCO 0.553770.55377 1.0571.057 CMCOCMCO 0.530890.53089 0.541880.54188

3. 비대칭 슈퍼커패시터(AS)3. Asymmetric Supercapacitor (AS)

CMCO의 실제 적용을 점검하기 위해, 양극 및 음극으로서 각각 CMCO 및 AC를 이용하여 비대칭 AS를 조립하였다. SC 2-전극 완전-셀을 위한 작동 전압 윈도우를 결정하기 위해, 작동 전압을 변경시킴으로써 일련의 CV 및 GCD 곡선을 연구하였다(도 8a 및 8b). CV 곡선의 면적은 작동 전위 윈도우에서의 증가와 함께 증가하였는데, 이는 향상된 E를 나타낸다. 그러나, 작동 전압 > 1.6 V는 O2 가스의 방출을 초래하였다. 그러므로, 1.6 V가 작동 전압 윈도우로서 선택되어 AS의 전기화학 성능을 조사하였다. 도 8c는 0-1.6 V의 전위 범위에서 상이한 스캔 속도에서 CMCO//AC의 CV 곡선을 나타낸다. CV 곡선의 형상은 증가된 스캔 속도에 의해 크게 영향을 받지 않았고, 따라서 SC 셀의 고속 성능 및 양호한 가역성을 입증하였다.To check the practical application of CMCO, an asymmetric AS was assembled using CMCO and AC as anode and cathode, respectively. To determine the operating voltage window for the SC two-electrode full-cell, a series of CV and GCD curves were studied by varying the operating voltage ( FIGS. 8A and 8B ). The area of the CV curve increased with an increase in the operating potential window, indicating an improved E. However, an operating voltage >1.6 V resulted in the release of O 2 gas. Therefore, 1.6 V was chosen as the operating voltage window to investigate the electrochemical performance of the AS. Figure 8c shows the CV curves of CMCO//AC at different scan rates in the potential range of 0-1.6 V. The shape of the CV curve was not significantly affected by the increased scan rate, thus demonstrating the high-speed performance and good reversibility of the SC cell.

도 8은 다양한 전류 밀도(A/g)에서 AS의 GCD 곡선을 나타낸다. 시간에 대해 거의 대칭적인 충전 및 방전 삼각 곡선이 관측되었는데, 이는 AS의 커패시티브 특성 및 우수한 전기화학적 가역성을 나타낸다. AS는 1 A/g에서 111 F/g의 높은 Sc를 얻었다(도 9a). 10 A/g의 높은 전류 밀도에서도 59 F/g의 비-용량을 유지할 수 있었는데, 이는 우수한 속도 성능을 입증하였다. 용량은 CuO//AC(1 A/g에서 83 F/g), CuO@MnO2(0.25 A/g에서 49.2 F/g), CuCo2O4/CuO//rGO/Fe2O3(0.25 A/g에서 93 F/g), NiO//rGO(1 mA/㎠에서 50 F/g), NiCo2O4//AC(1 A/g에서 49.3 F/g), 및 MnNiCoO4(1 A/g에서 86.7 F/g)를 포함하여, 기존에 보고된 산화물-계 HS와 유리하게 비교될 수 있었다. 도 9b는 제작된 비대칭 에너지 저장 셀(CMCO//AC)의 Ragone 플롯을 나타낸다. 이는 1 A/g의 전류 밀도에서 799 W/kg의 P와 함께 40.1 Wh/kg의 높은 E를 나타냈다. 10 A/g의 증가된 전류 밀도에서도, 20 Wh/kg의 E와 함께, P는 여전히 8,208 W/kg에 근접하였는데, 이는 MnO2//GHCS(100 KW/kg에서 22.1 Wh/kg), CuO//AC(892 KW/kg에서 31.47 Wh/kg), Co3O4@MnO2/NGO(200 W/kg에서 34.83 Wh/kg), NiCo2O4//AC(163 W/kg에서 37.4 Wh/kg), NiCo2O4-rGO//AC(320 W/kg에서 23.3 Wh/kg), ZnNiCoO4//AC(150 W/kg에서 35.6 Wh/kg), 및 FeNiCoO4//RGO(750 W/kg에서 40 Wh/kg)와 같은 다른 1성분, 2성분 및 3성분 금속 산화물-계 AS보다 높았다. 더구나, 10 A/g에서 CMCO//AC AS의 사이클링 안정성을 연속적인 충전-방전 사이클에 의해 시험하였다. 도 9c가 명확하게 나타내듯이, CMCO//AC AS는 10,000 사이클링 시험 후에도 93%의 매우 안정된 사이클링 안정성을 입증하였고, 거의 97% 쿨롱 효율(CE)을 유지하였다. 1번째 및 10,000번째 사이클에서 CV 곡선(도 9d)은 거의 동일한 CV 형상을 나타냈는데, 이는 CMCO의 빠른 표면-산화환원 반응 커패시티브 특성으로 인한 CMCO//AC AS의 우수한 사이클링 안정성을 확인시켰다. 이들 결과가 암시하듯이, CMCO는 실제 AS 적용을 위한 전극 재료로서 유망한 후보이다.8 shows the GCD curves of AS at various current densities (A/g). An almost symmetrical charge and discharge triangular curve with respect to time was observed, indicating the capacitive properties of the AS and good electrochemical reversibility. AS obtained a high S c of 111 F/g at 1 A/g (FIG. 9a). A specific capacity of 59 F/g could be maintained even at a high current density of 10 A/g, demonstrating good rate performance. Capacity is CuO//AC (83 F/g at 1 A/g), CuO@MnO 2 (49.2 F/g at 0.25 A/g), CuCo 2 O 4 /CuO//rGO/Fe 2 O 3 (0.25 93 F/g at A/g), NiO//rGO (50 F/g at 1 mA/cm2), NiCo 2 O 4 //AC (49.3 F/g at 1 A/g), and MnNiCoO 4 (1 86.7 F/g at A/g), which could be compared favorably with the previously reported oxide-based HS. Figure 9b shows a Ragone plot of the fabricated asymmetric energy storage cell (CMCO//AC). It exhibited a high E of 40.1 Wh/kg with a P of 799 W/kg at a current density of 1 A/g. Even at an increased current density of 10 A/g, with an E of 20 Wh/kg, P was still close to 8,208 W/kg, which was MnO 2 //GHCS (22.1 Wh/kg at 100 KW/kg), CuO //AC (31.47 Wh/kg at 892 KW/kg), Co 3 O 4 @MnO 2 /NGO (34.83 Wh/kg at 200 W/kg), NiCo 2 O 4 //AC (37.4 at 163 W/kg) Wh/kg), NiCo 2 O 4 -rGO//AC (23.3 Wh/kg at 320 W/kg), ZnNiCoO 4 //AC (35.6 Wh/kg at 150 W/kg), and FeNiCoO 4 //RGO ( 40 Wh/kg at 750 W/kg) higher than other one-, two- and three-component metal oxide-based ASs. Moreover, the cycling stability of CMCO//AC AS at 10 A/g was tested by continuous charge-discharge cycles. As Figure 9c clearly shows, CMCO//AC AS demonstrated a very stable cycling stability of 93% even after 10,000 cycling tests and maintained a nearly 97% Coulombic efficiency (CE). The CV curves at the 1st and 10,000th cycles (Fig. 9d) showed almost identical CV shapes, confirming the excellent cycling stability of CMCO//AC AS due to the fast surface-redox capacitive nature of CMCO. As these results suggest, CMCO is a promising candidate as an electrode material for practical AS applications.

4. 결론4. Conclusion

새로운 별-모양 3금속 산화물(CMCO)을 수열 방법을 이용하여 합성하였다. 1금속(CO) 및 2금속(MCO) 산화물-계 전극과 유리하게 비교하였고, 향상된 용량(1 A/g의 전류 밀도에서 1715 F/g) 및 뛰어난 사이클링 안정성(10 A/g에서 5,000 사이클 후에 95%의 용량 유지율)을 나타냈다. 이 결과가 나타내듯이, 질서정연하게 층을 이룬 CMCO 나노니들의 구별되는 형태학적 특징은 중앙에 구멍을 갖는 별 모양을 형성함으로써, 전기화학적 활성 부위를 현저하게 증가시켰고, 물질 및 전하 이동을 용이하게 하였다. 또한, 3금속 산화물에서 3개의 전이 금속 양이온은 다중 산화환원 반응에 기여하였다. CMCO//AC AS는 1 A/g에서 111 F/g의 Sc 및 10,000 사이클 후에도 우수한 용량 유지율(93%)을 나타냈다. 또한, 1 A/g의 전류 밀도에서 799 W/kg의 P와 함께 40.1 Wh/kg의 높은 E를 나타냈는데, 이는 실제 적용을 입증하였다. 본 연구는 스피넬 3금속 화합물로서 새로운 전이 금속의 연구에 길을 열어주어 이들의 이점을 조합하고 에너지 저장 용도에서 원하는 전기화학적 특성을 이용할 수 있었다.A novel star-shaped trimetal oxide (CMCO) was synthesized using a hydrothermal method. Comparison favorably with monometallic (CO) and bimetallic (MCO) oxide-based electrodes, improved capacity (1715 F/g at current density of 1 A/g) and superior cycling stability (after 5,000 cycles at 10 A/g) 95% capacity retention). As these results indicate, the distinct morphological features of the ordered layered CMCO nanoneedles are by forming a star shape with a hole in the center, which significantly increases the electrochemically active sites and facilitates material and charge transfer. did. In addition, three transition metal cations in the trimetal oxide contributed to multiple redox reactions. CMCO//AC AS showed good capacity retention (93%) even after 10,000 cycles with an Sc of 111 F/ g at 1 A/g. It also exhibited a high E of 40.1 Wh/kg with a P of 799 W/kg at a current density of 1 A/g, demonstrating practical application. This study paved the way for the study of novel transition metals as spinel trimetal compounds, combining their advantages and exploiting the desired electrochemical properties in energy storage applications.

Claims (14)

Cu-Mn-Co의 3금속 산화물을 포함하고,
전극은 다수의 나노니들이 질서정연하게 쌓여 층을 이루면서 느슨하게 상호 연결된 나노니들의 번들을 포함하되, 번들은 중앙에 구멍을 갖는 별-모양 마이크로구조를 형성하는 전극.
It contains a trimetal oxide of Cu-Mn-Co,
An electrode comprising a bundle of loosely interconnected nanoneedles in which a plurality of nanoneedles are stacked in an orderly manner to form a layer, wherein the bundle forms a star-shaped microstructure with a hole in the center.
제1항에 있어서,
3금속 산화물은 CuMnCoO4인 전극.
According to claim 1,
3 The metal oxide is CuMnCoO 4 electrode.
제1항에 있어서,
3금속 산화물은 Co 산화물의 주 결정 격자에서 Co2+ 또는 Co3+ 중 일부가 Cu2+ 또는 Mn3+로 치환됨으로써 형성된 스피넬 구조를 갖는 전극.
The method of claim 1,
The tri-metal oxide is an electrode having a spinel structure formed by replacing a part of Co 2+ or Co 3+ with Cu 2+ or Mn 3+ in the main crystal lattice of the Co oxide.
삭제delete 제1항에 있어서,
각 나노니들은 3금속 산화물의 나노결정자로 구성되고, 나노결정자의 크기는 평균 9±3 nm이며, 나노결정자는 단결정 구조를 갖는 전극.
The method of claim 1,
Each nanoneedle is composed of tri-metal oxide nanocrystals, the average size of the nanocrystals is 9±3 nm, and the nanocrystals have a single crystal structure.
제1항에 있어서,
나노니들 사이에는 정돈된 터널 또는 기공이 형성되고, 나노결정자 사이에는 나노기공이 형성되는 전극.
The method of claim 1,
An electrode in which ordered tunnels or pores are formed between nanoneedles and nanopores are formed between nanocrystals.
제1항에 있어서,
전극은 슈도커패시티브 재료로서 거동하고, 전극의 전하 저장 메커니즘은 표면 근처에서 이온 삽입/탈리 이외에 빠른 표면 산화환원 반응에 의해 지배되는 전극.
According to claim 1,
The electrode behaves as a pseudocapacitive material, and the charge storage mechanism of the electrode is governed by a fast surface redox reaction in addition to ion insertion/desorption near the surface.
제1항에 있어서,
3금속 산화물의 비-용량(Sc)은 3전극 시스템 및 1 A/g의 전류 밀도에서 1400 F/g 이상이고, 용량 유지량은 5,000 사이클 후에 90% 이상인 전극.
The method of claim 1,
The specific-capacitance (S c ) of the tri-metal oxide is greater than or equal to 1400 F/g at a three-electrode system and a current density of 1 A/g, and the capacity retention is greater than or equal to 90% after 5,000 cycles.
제1항에 있어서,
3금속 산화물의 직렬 저항(RS) 및 전하 이동 저항(RCT)은 각각 0.5315 Ω 이하 및 1.0 Ω 이하인 전극.
The method of claim 1,
The series resistance (RS ) and charge transfer resistance ( R CT ) of the tri-metal oxide are 0.5315 Ω or less and 1.0 Ω or less, respectively.
제1항에 있어서,
전극은 비대칭 슈퍼커패시터의 전극에 사용되고, 슈퍼커패시터의 비-용량과 에너지 밀도 및 출력 밀도는 1 A/g에서 각각 100 F/g 이상, 35 Wh/kg 이상 및 750 W/kg 이상이며, 용량 유지율은 10,000 사이클 후에 90% 이상인 전극.
According to claim 1,
The electrode is used for the electrode of an asymmetric supercapacitor, and the specific capacity and energy density and power density of the supercapacitor are 100 F/g or more, 35 Wh/kg or more, and 750 W/kg or more, respectively, at 1 A/g, the capacity retention rate The electrode is more than 90% silver after 10,000 cycles.
Cu 전구체, Mn 전구체 및 Co 전구체를 혼합한 후 수열 공정을 수행하는 단계; 및
수열 공정을 거친 전구체 필름을 하소하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 전극 제조방법.
performing a hydrothermal process after mixing the Cu precursor, the Mn precursor, and the Co precursor; and
The method for manufacturing an electrode according to claim 1, comprising calcining the precursor film that has undergone a hydrothermal process.
제11항에 있어서,
Cu 전구체, Mn 전구체 및 Co 전구체는 각각 Mn(NO3)2, Cu(NO3)2 및 Co(NO3)2인 전극 제조방법.
12. The method of claim 11,
Cu precursor, Mn precursor, and Co precursor are each Mn(NO 3 ) 2 , Cu(NO 3 ) 2 and Co(NO 3 ) 2 An electrode manufacturing method.
제11항에 있어서,
수열 공정은 150±30℃에서 8±3시간 동안 수행하는 전극 제조방법.
12. The method of claim 11,
The hydrothermal process is an electrode manufacturing method performed at 150±30° C. for 8±3 hours.
제11항에 있어서,
하소는 350±30℃에서 2±1시간 동안 2±1℃/min의 승온 속도로 수행하는 전극 제조방법.
12. The method of claim 11,
An electrode manufacturing method in which calcination is performed at 350±30° C. for 2±1 hours at a temperature increase rate of 2±1° C./min.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
인용발명 1: I.Hussain et al.,"Preserved crystal and morphology:Electrochemical influence of copper and iron co-doped cobalt oxide and its supercapactior applicantions", 2020.01.24., Electrochimica acta Volume 340, pp.1-11(11pages) 1부.* *
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