KR102585145B1 - Surface-activated carbon fiber electrode, manufacturing method of the same, flexible fibrous supercapacitor comprising the same and manufacturing method of flexible fibrous supercapacitor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면활성화된 탄소섬유 전극, 이의 제조방법, 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터 및 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극은, 탄소섬유 표면 상에 산소 함유기(oxygen-containing groups)를 포함하고, 미세 기공(micropores)을 가진다.The present invention relates to a surface-activated carbon fiber electrode, a manufacturing method thereof, a flexible fiber-type supercapacitor, and a method of manufacturing a flexible fiber-type supercapacitor. The surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention is a carbon fiber electrode. It contains oxygen-containing groups on its surface and has micropores.

Description

표면활성화된 탄소섬유 전극, 이의 제조방법, 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터 및 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조 방법{SURFACE-ACTIVATED CARBON FIBER ELECTRODE, MANUFACTURING METHOD OF THE SAME, FLEXIBLE FIBROUS SUPERCAPACITOR COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD OF FLEXIBLE FIBROUS SUPERCAPACITOR}Surface-activated carbon fiber electrode, manufacturing method thereof, flexible fiber-type supercapacitor, and manufacturing method of flexible fiber-type supercapacitor FIBROUS SUPERCAPACITOR}

본 발명은 표면활성화된 탄소섬유 전극, 이의 제조방법, 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터 및 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a surface-activated carbon fiber electrode, a manufacturing method thereof, a flexible fiber-type supercapacitor, and a method of manufacturing a flexible fiber-type supercapacitor.

플렉시블 섬유 기반 전자 섬유는 웨어러블 기술에서 전자 응용 프로그램의 범위를 확장할 수 있는 실질적인 잠재력을 가진 미래의 지능형 플랫폼을 제공하는 것으로 간주된다. 이와 관련하여, 플렉시블 섬유으로 구성된 에너지 저장 장치는 구부러진 상태, 매듭 진 상태 및 말린 상태에서 웨어러블 전자 섬유의 효율적인 전원 공급 및 작동을 위한 핵심 기능이다.Flexible fiber-based e-textiles are considered to provide a future intelligent platform with substantial potential to expand the range of electronic applications in wearable technologies. In this regard, energy storage devices composed of flexible fibers are a key feature for efficient powering and operation of wearable electronic textiles in bent, knotted and rolled states.

최근에는 구부러진 상태, 매듭진 상태 및 말린 상태 등의 극한 상황을 견딜 수 있는 플렉시블 슈퍼커패시터에 적합한 전극 소재를 얻기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며, 플렉시블 섬유 기반 전자 섬유로 탄소섬유는, 뛰어난 유연성과 기계적 강도로 인해 플렉시블 슈퍼커패시터의 전극 재료에 이상적인 후보이다. 또한, 탄소섬유는, 활물질과 집전체 역할을 동시에 할 수 있으며, 여러 섬유를 꼬아서 높은 유연성, 착용성, 우수한 기계적 특성을 가진 섬유형 플렉시블 슈퍼커패시터 (FFS, Flexible fibrous supercapacitor)의 제작에 유리할 수 있다. 또한, EDLC (electrical double layer capacitors) 기반의 탄소섬유는, 손쉬운 제조 공정, 높은 전력 밀도 및 우수한 장기 안정성으로 인해 플렉시블 에너지 저장 시스템의 요구 사항을 더욱 충족시킬 수 있다. 따라서 이러한 장점은, 웨어러블 전자 시스템에 쉽게 적용될 수 있으므로 섬유형 슈퍼커패시터가 기존 슈퍼커패시터 및 LIB (lithium-ion batteries)에 대한 바람직한 대안이 될 수 있다.Recently, much research has been conducted to obtain electrode materials suitable for flexible supercapacitors that can withstand extreme situations such as bent, knotted, and rolled states. Carbon fiber, as a flexible fiber-based electronic fiber, has excellent flexibility and mechanical properties. Its strength makes it an ideal candidate for electrode material in flexible supercapacitors. In addition, carbon fiber can serve as an active material and a current collector at the same time, and can be advantageous in the production of a fibrous flexible supercapacitor (FFS) with high flexibility, wearability, and excellent mechanical properties by twisting several fibers. there is. Additionally, carbon fiber based on electrical double layer capacitors (EDLC) can further meet the requirements of flexible energy storage systems due to its easy manufacturing process, high power density, and excellent long-term stability. Therefore, these advantages can be easily applied to wearable electronic systems, making fiber-type supercapacitors a desirable alternative to existing supercapacitors and LIBs (lithium-ion batteries).

그러나, 탄소섬유 전극과 겔 전해질로 구성된 섬유형 슈퍼커패시터의 적용은 낮은 기계적 유연성 뿐만 아니라 전극 사이의 비효율적 계면 이용으로 인해 낮은 정전 용량, 낮은 속도 성능 및 낮은 수명 안정성이라는 단점을 보유하고 있다.However, the application of fibrous supercapacitors composed of carbon fiber electrodes and gel electrolytes has the disadvantages of low capacitance, low rate performance, and low lifetime stability due to inefficient use of the interface between electrodes as well as low mechanical flexibility.

따라서, 웨어러블 장치 시스템에 적용하기 위한 전기 화학적 성능과 기계적 특성을 향상시킬 수있는 플렉시블 섬유 기반 전자 섬유, 즉 탄소섬유의 개발 및 연구가 시급하다.Therefore, there is an urgent need for the development and research of flexible fiber-based electronic fibers, namely carbon fibers, that can improve electrochemical performance and mechanical properties for application to wearable device systems.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 표면적을 증가시키고, 비표면적, 산소 함유기의 증가 및 젖음성을 증가시켜 장기 사이클링 안정성, 향상된 에너지 저장 성능을 가지는 표면활성화된 탄소섬유 전극, 이의 제조방법, 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터 및 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조 방법을 제공하는 것이다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a surface-activated carbon fiber electrode with long-term cycling stability and improved energy storage performance by increasing the surface area, increasing the specific surface area, increasing the oxygen containing group, and increasing wettability, a manufacturing method thereof, and a flexible A method for manufacturing a fiber-type supercapacitor and a flexible fiber-type supercapacitor is provided.

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

본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극은, 탄소섬유 표면 상에 산소 함유기(oxygen-containing groups)를 포함하고, 미세 기공(micropores)을 가진다. The surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention includes oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber and has micropores.

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기는, 히드록실기 및 카르보닐기를 포함하고, 상기 표면활성화된 탄소섬유 전극 중 상기 산소 함유기의 함량은 10 at. % 내지 60 at. %인 것일 수 있다.In one embodiment, the oxygen-containing group includes a hydroxyl group and a carbonyl group, and the content of the oxygen-containing group in the surface-activated carbon fiber electrode is 10 at. % to 60 at. It may be %.

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기는 상기 탄소섬유 표면 상에서 탄소화 또는 흑연화된 고분자에 의해 형성된 것이고, 상기 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVAc), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(poly(n-butyl acrylate); PBA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리에스테르-아마이드(polyester-amides; PEA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride; PVDC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 폴리이소프렌(polyisoprene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the oxygen-containing group is formed by a carbonized or graphitized polymer on the surface of the carbon fiber, and the polymer is polyvinylpyrrolidone (PVP) or polyvinylidene fluoride. ; PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVAc), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), poly(n-butyl acrylate) )(poly(n-butyl acrylate); PBA), polyacrylonitrile (PAN), polyaniline (PANi), polyacrylic acid (PAA), polyester-amides (PEA) , polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVDC), polyurethane (PU), polychloroprene, polyisoprene and poly It may contain at least one selected from the group consisting of butadiene (polybutadiene).

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기는, C-O, -OH, O-C=O 및 -COOH 결합을 포함하고, 상기 C-O 결합은, 8 at. % 내지 15 at. %, 상기 -OH 결합은4 at. % 내지 10 at. %, 상기 O-C=O 결합은 4 at. % 내지 10 at. %, 및 상기 -COOH 결합은 2 at. % 내지 5 at. %인 것일 수 있다.In one embodiment, the oxygen-containing group includes C-O, -OH, O-C=O, and -COOH bonds, and the C-O bond is 8 at. % to 15 at. %, the -OH bond is 4 at. % to 10 at. %, the O-C=O bond is 4 at. % to 10 at. %, and the -COOH bond is 2 at. % to 5 at. It may be %.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유 전극은, 2 가닥 이상의 탄소섬유가 꼬여지거나 직조된 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber electrode may be made of two or more strands of carbon fiber twisted or woven.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유 전극은, Z형 꼬임 구조를 가지며, 꼬임 간격 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 및 꼬임 각도 25 ° 내지 75 °인 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber electrode may have a Z-shaped twist structure, with a twist spacing of 10 ㎛ to 50 ㎛ and a twist angle of 25 ° to 75 °.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유는, 1,000 개 내지 10,000 개의 필라멘트로 이루어진 다발이고, 상기 탄소섬유의 개별 섬유 직경은, 1 ㎛ 내지 50 ㎛인 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber is a bundle of 1,000 to 10,000 filaments, and the individual fiber diameter of the carbon fiber may be 1 ㎛ to 50 ㎛.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유는, 100 m2g-1 내지 300 m2g-1 비표면적, 0.01 cm3g-1 내지 0.20 cm3g-1 기공부피, 1 nm 내지 5 nm 의 기공크기 및 35 % 내지 40 % 기공 부피분율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber has a specific surface area of 100 m 2 g -1 to 300 m 2 g -1 , a pore volume of 0.01 cm 3 g -1 to 0.20 cm 3 g -1 , and pores of 1 nm to 5 nm. It may include at least one of size and pore volume fraction of 35% to 40%.

본 발명의 다른 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법은, 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계; 및 상기 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 단계;를 포함한다. A method of manufacturing a surface-activated carbon fiber electrode according to another embodiment of the present invention includes the steps of impregnating carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with a polymer; and heat-treating the polymer-coated carbon fiber.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계 이전에, 상기 탄소섬유를 산 용액에 침지하여 정제하는 단계;를 더 포함하고, 상기 산 용액은, 질산, 인산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, before the step of impregnating the carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with the polymer, the step of purifying the carbon fibers by immersing them in an acid solution, wherein the acid solution includes, It may contain at least one selected from the group consisting of nitric acid, phosphoric acid, and hydrofluoric acid.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 용액은, 고분자 및 용매를 포함하고, 상기 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVAc), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(poly(n-butyl acrylate); PBA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리에스테르-아마이드(polyester-amides; PEA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride; PVDC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 폴리이소프렌(polyisoprene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 용매는, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올 및 이소프로판올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the polymer solution includes a polymer and a solvent, and the polymer is polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyvinyl alcohol (polyvinyl alcohol). alcohol; PVA), polyvinyl acetate (PVAc), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), poly(n-butyl acrylate) ; PBA), polyacrylonitrile (PAN), polyaniline (PANi), polyacrylic acid (PAA), polyester-amides (PEA), polyethylene (PE), poly selected from the group consisting of polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVDC), polyurethane (PU), polychloroprene, polyisoprene, and polybutadiene It includes at least one, and the solvent may include at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, butanol, and isopropanol.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 단계는, 300 ℃ 내지 900 ℃ 온도; 및 공기, 또는 N2 내지 Ar 중 적어도 하나를 포함하는 분위기;에서 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment, the heat treatment of the polymer-coated carbon fiber is performed at a temperature of 300°C to 900°C; and air, or an atmosphere containing at least one of N 2 to Ar.

일 실시형태에 있어서, 상기 열처리된 탄소섬유를 꼬거나 직조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of twisting or weaving the heat-treated carbon fiber may be further included.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는, 본 발명의 일 실시예의 표면활성화된 탄소섬유 전극; 및 상기 표면활성화된 탄소섬유 전극 상에 코팅된 겔 전해질;을 포함한다. A flexible fiber-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention includes a surface-activated carbon fiber electrode of an embodiment of the present invention; and a gel electrolyte coated on the surface-activated carbon fiber electrode.

일 실시형태에 있어서, 상기 겔 전해질은, 폴리비닐알코올(PVA), 황상바나듐(VOSO4), 황산아연(ZnSO4), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gel electrolyte is polyvinyl alcohol (PVA), vanadium sulfate (VOSO 4 ), zinc sulfate (ZnSO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and sodium hydroxide. It may include at least one selected from the group consisting of (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ).

일 실시형태에 있어서, 상기 겔 전해질이 코팅된 표면활성화된 탄소섬유 전극은 적어도 두 개이고, 상기 두 개의 겔 전해질이 코팅된 표면활성화된 탄소섬유 전극은 S 형 꼬임 형태로 꼬아진 것일 수 있다.In one embodiment, there are at least two surface-activated carbon fiber electrodes coated with the gel electrolyte, and the two surface-activated carbon fiber electrodes coated with the gel electrolyte may be twisted into an S-shaped twist.

일 실시형태에 있어서, 상기 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는, 50 μW cm-2 내지 500 μW cm-2 범위의 전류밀도에서 에너지 밀도 500 μW h cm-2 내지 1,000 μW h cm-2이고, 300 μW cm-2 내지 500 μW cm-2 범위의 전류밀도에서 정전용량 유지율 90 % 이상인 것일 수 있다.In one embodiment, the flexible fiber-type supercapacitor has an energy density of 500 μW h cm -2 to 1,000 μW h cm -2 at a current density ranging from 50 μW cm -2 to 500 μW cm -2 and 300 μW cm The capacitance retention rate may be 90% or more at a current density ranging from -2 to 500 μW cm -2 .

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조방법은, 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계; 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하여 표면활성화된 탄소섬유를 준비하는 단계; 및 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a flexible fiber-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention includes the steps of impregnating carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with a polymer; Preparing surface-activated carbon fiber by heat treating polymer-coated carbon fiber; and coating a gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber.

일 실시형태에 있어서, 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 단계는, 상기 표면활성화된 탄소섬유를 꼬거나 직조한 이후에 겔 전해질을 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 코팅하거나 또는 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 것이고, 상기 코팅은 브러쉬 페인팅(brush painting), 분사 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 또는 딥 코팅(dip coating) 방법을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the step of coating the gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber includes twisting or weaving the surface-activated carbon fiber and then coating the gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber, or A gel electrolyte is coated on surface-activated carbon fiber, and the coating may include brush painting, spray coating, spin coating, or dip coating. there is.

본 발명에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극은 열처리에 의한 고분자의 탈수소화 반응으로 인해 표면적이 증가하고, 표면적 증가와 탄소섬유 표면의 산소 함유기의 증가로 인해 각각 전기화학적 활성 부위의 수와 이온 확산이 개선될 수 있다. 또한, 탄소섬유 표면의 산소 함유기 수의 증가와 관련하여 향상된 젖음성을 가질 수 있다.The surface-activated carbon fiber electrode according to the present invention has an increased surface area due to the dehydrogenation reaction of the polymer by heat treatment, and the number of electrochemically active sites and ion diffusion are increased due to the increase in surface area and the oxygen-containing group on the surface of the carbon fiber, respectively. This can be improved. Additionally, improved wettability can be achieved in relation to the increase in the number of oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber.

본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는, 표면활성화된 탄소섬유 전극 및 산화환원 겔 전해질을 적용하여 높은 전기 화학적 성능 및 기계적 유연성과 함께 고성능 섬유형 플렉시블 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다. 열처리에 의한 고분자의 탈수소화 반응으로 인해 표면적이 증가하고, 표면적 증가와 탄소섬유 표면의 산소 함유기의 증가로 인해 각각 전기화학적 활성 부위의 수와 이온 확산이 개선될 수 있다. 또한, 탄소섬유 표면의 산소 함유기 수의 증가와 관련하여 향상된 젖음성으로 인해 더욱 조밀해진 전극과 전해질 사이의 계면을 효과적으로 활용하여 초고속 사이클링 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 산화환원 겔 전해질의 도입 및 산소 전달을 통한 탄소 표면의 히드록실기 및 카르보니기와 반응은 전하 저장 능력을 향상시켰다. The flexible fiber-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention can provide a high-performance fiber-type flexible supercapacitor with high electrochemical performance and mechanical flexibility by applying a surface-activated carbon fiber electrode and a redox gel electrolyte. The surface area increases due to the dehydrogenation reaction of the polymer by heat treatment, and the number of electrochemically active sites and ion diffusion can be improved by increasing the surface area and increasing the oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber, respectively. In addition, the enhanced wettability associated with the increase in the number of oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber can effectively utilize the interface between the denser electrode and the electrolyte to improve ultra-high-speed cycling stability. Additionally, the introduction of redox gel electrolyte and reaction with hydroxyl and carbonyl groups on the carbon surface through oxygen transfer improved the charge storage ability.

따라서, 표면활성화된 탄소섬유의 미세 다공성으로 뛰어난 전기 화학적 동역학 및 에너지 저장 성능뿐만 아니라, 우수한 기계적 유연성으로 인하여 스트레칭, 구부림, 매듭, 접힘, 말린 상태 등에서 뛰어난 정전 용량 유지율을 제공할 수 있다.Therefore, the microporosity of surface-activated carbon fiber not only provides excellent electrochemical dynamics and energy storage performance, but also provides excellent capacitance retention in stretching, bending, knotting, folding, and curling states due to excellent mechanical flexibility.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조공정의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극 및 산화환원 전해질을 포함하는 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터(FFS-SARE)의 제조공정을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 형태 및 구조적 특성을 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 화학 조성 및 습윤성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 표면 특성 및 열 특성을 나타낸 도면이다. (a) BET 방법, (b) 미세 기공 분석 및 (c) 시차 주사 열량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 탈이온수, H3PO4-PVA 겔 전해질 및 VOSO4-H3PO4-PVA 겔 전해질을 포함하는 바이알의 사진 및 (b) 라만 스펙트럼, (c) H3PO4-PVA VOSO4-H3PO4-PVA 겔 전해질의 이온 전도도, (d) 제조된 슈퍼커패시터의 사진, (e) 저배율 SEM 이미지 및 (f) 저배율 및 (g) FFS-SARE의 고배율 단면 SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3-전극 시스템을 사용하여 얻은 (a) H3PO4-PVA 및 (b) VOSO4-H3PO4-PVA 수성 전해질의 CV 곡선, (c) 충방전 과정에서 표면활성탄소섬유 표면의 수산기 및 카르보닐기와 VO2+/VO2 +의 산화환원 반응을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 동역학 분석 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 성능 테스트 결과이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 (a) FFS-SARE의 직선, 구부러짐, 매듭, 접힘 및 감긴 상태의 정전용량 유지율, (b) 평평하고 구부러진 상태에서 100회 반복하는 동안 FFS-SARE의 기계적 유연성, (c) 3개의 FFS-SARE 장치를 패브릭에 대규모로 짜는 것을 보여주는 사진, (d) 다른 패브릭 상태(직선 및 구겨진)에 대해 패브릭으로 짜여진 FFS-SARE 장치의 정전 용량 유지율을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 FFS-SARE의 전기화학적 활성 부위의 증가, 효율적인 이온 확산 및 가역적인 패러데이 반응을 포함하는 개략도이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of the manufacturing process of a surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram of a flexible fiber-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the manufacturing process of a flexible fiber supercapacitor (FFS-SARE) including a surface-activated carbon fiber electrode and a redox electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram showing the shape and structural characteristics of carbon fiber and surface-activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing the chemical composition and wettability of carbon fiber and surface-activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing the surface properties and thermal properties of carbon fiber and surface-activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the results of (a) BET method, (b) micropore analysis, and (c) differential scanning calorimetry.
Figure 8 is a photograph and (b) a Raman spectrum of a vial containing (a) deionized water, H 3 PO 4 -PVA gel electrolyte, and VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA gel electrolyte according to an embodiment of the present invention; c) Ionic conductivity of H 3 PO 4 -PVA VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA gel electrolyte, (d) photograph of fabricated supercapacitor, (e) low magnification SEM image and (f) low magnification and (g) FFS- This is a high-magnification cross-sectional SEM image of SARE.
9 shows CV curves, (c) charge of (a) H 3 PO 4 -PVA and (b) VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA aqueous electrolytes obtained using a three-electrode system according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the oxidation-reduction reaction between hydroxyl and carbonyl groups on the surface of surface-activated carbon fiber and VO 2+ /VO 2+ during the discharge process.
Figure 10 shows the results of electrochemical dynamics analysis according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the results of an energy storage performance test according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 shows (a) the capacitance retention rate of the straight, bent, knotted, folded, and wound states of the FFS-SARE, (b) the mechanical characteristics of the FFS-SARE during 100 repetitions in the flat and bent states, according to an embodiment of the present invention. Flexibility, (c) a photograph showing the large-scale weaving of three FFS-SARE devices into a fabric, (d) a diagram showing the capacitance retention of FFS-SARE devices woven into a fabric for different fabric states (straight and crumpled).
Figure 13 is a schematic diagram showing the increase in electrochemically active sites, efficient ion diffusion, and reversible Faraday reaction of FFS-SARE according to an embodiment of the present invention.

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

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

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

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

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.Additionally, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, and B may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term.

어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components including common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, the description given in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed description will be omitted to the extent of overlap.

본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극은, 탄소섬유 표면 상에 산소 함유기를 포함하고, 미세 기공(micropores)을 가진다. The surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention includes oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber and has micropores.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극의 개략도이다.Figure 1 is a schematic diagram of a surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극은 복수의 미세 기공을 포함하는 미세 다공성인 것일 수 있다.As shown in FIG. 1, the surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention may be microporous and include a plurality of micropores.

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기(oxygen-containing groups)는, 히드록실기 및 카르보닐기를 포함하고, 상기 표면활성화된 탄소섬유 전극 중 상기 산소 함유기의 함량은 10 at. % 내지 60 at. %인 것일 수 있다.In one embodiment, the oxygen-containing groups include a hydroxyl group and a carbonyl group, and the content of the oxygen-containing groups in the surface-activated carbon fiber electrode is 10 at. % to 60 at. It may be %.

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기는 상기 표면활성화된 탄소섬유의 젖음성을 향상시키는 것일 수 있다.In one embodiment, the oxygen-containing group may improve wettability of the surface-activated carbon fiber.

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기는 상기 탄소섬유 표면 상에서 탄소화 또는 흑연화된 고분자에 의해 형성된 것일 수 있다.In one embodiment, the oxygen-containing group may be formed by a carbonized or graphitized polymer on the surface of the carbon fiber.

일 실시형태에 있어서, 열처리에 의한 고분자의 탈수소화 반응으로 인해 표면적이 증가하고, 표면적 증가와 탄소섬유 표면의 산소 함유기의 증가로 인해 각각 전기화학적 활성 부위의 수와 이온 확산이 개선될 수 있다.In one embodiment, the surface area increases due to the dehydrogenation reaction of the polymer by heat treatment, and the number of electrochemically active sites and ion diffusion can be improved due to the increase in surface area and the increase in oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber, respectively. .

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVAc), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(poly(n-butyl acrylate); PBA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리에스테르-아마이드(polyester-amides; PEA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride; PVDC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 폴리이소프렌(polyisoprene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the polymer is polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinyl acetate (polyvinyl acetate). PVAc), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), poly(n-butyl acrylate) (PBA), polyacrylonitrile (PAN) ), polyaniline (PANi), polyacrylic acid (PAA), polyester-amides (PEA), polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene It may contain at least one selected from the group consisting of polyvinylidene chloride (PVDC), polyurethane (PU), polychloroprene, polyisoprene, and polybutadiene.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자는, 바람직하게는, 폴리비닐피롤리돈(PVP)인 것일 수 있다.In one embodiment, the polymer may be preferably polyvinylpyrrolidone (PVP).

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기는, C-O, -OH, O-C=O 및 -COOH 결합을 포함하고, 상기 C-O 결합은, 8 at. % 내지 15 at. %, 상기 -OH 결합은4 at. % 내지 10 at. %, 상기 O-C=O 결합은 4 at. % 내지 10 at. %, 및 상기 -COOH 결합은 2 at. % 내지 5 at. %인 것일 수 있다.In one embodiment, the oxygen-containing group includes C-O, -OH, O-C=O, and -COOH bonds, and the C-O bond is 8 at. % to 15 at. %, the -OH bond is 4 at. % to 10 at. %, the O-C=O bond is 4 at. % to 10 at. %, and the -COOH bond is 2 at. % to 5 at. It may be %.

일 실시형태에 있어서, 상기 산소 함유기 중 C-O, -OH, O-C=O 및 -COOH 결합 원자 백분율이 상기 범위를 벗어나는 경우 표면활성화가 효과적으로 되지 않아 산화환원 전해질을 도입하여도 산화 환원 반응을 촉진하지 못하고 에너지 저장 능력이 저하될 수 있다.In one embodiment, when the percentage of C-O, -OH, O-C=O and -COOH bond atoms among the oxygen-containing groups is outside the above range, surface activation is not effective and the redox reaction is not promoted even when a redox electrolyte is introduced. This may result in a decrease in energy storage ability.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유 전극은, 꼬임 구조를 갖는 실 형태이거나 상기 탄소섬유들이 직조된 원단일 수 있다. 상기 원단은, 상기 탄소섬유 단독 또는 다른 섬유과 함께 직조될 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber electrode may be in the form of a yarn with a twisted structure or may be a fabric in which the carbon fibers are woven. The fabric may be woven with the carbon fiber alone or with other fibers.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유 전극은, 2 가닥 이상의 탄소섬유가 꼬여지거나 직조된 것일 수 있다. In one embodiment, the carbon fiber electrode may be made of two or more strands of carbon fiber twisted or woven.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유 전극은, Z형 꼬임 구조로 꼬여질 수 있다. 또한, 상기 직조는, 탄소섬유 또는 상기 꼬여진 탄소섬유로 직조될 수 있고, 필요 시 본 발명에 의한 탄소섬유 외에 다른 섬유가 더 포함될 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber electrode may be twisted into a Z-shaped twist structure. Additionally, the weave may be made of carbon fiber or the twisted carbon fiber, and if necessary, other fibers other than the carbon fiber according to the present invention may be further included.

일 실시형태에 있어서, Z 꼬임 형태를 가지며, 예를 들어, 꼬임 간격 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 및 꼬임 각도 25 ° 내지 75 °일 수 있다. 상기 꼬임 간격 및 꼬임 각도 범위 내에 포함되면 기계적 특성 및 유연성을 유지하면서 탄소섬유의 개선된 전기화학적 발현 및 활용에 유리할 수 있다.In one embodiment, it has a Z twist configuration, for example, the twist spacing may be 10 μm to 50 μm and the twist angle may be 25° to 75°. If the twist interval and twist angle are within the range, it may be advantageous for improved electrochemical development and utilization of carbon fiber while maintaining mechanical properties and flexibility.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유는, 1,000 개 내지 10,000 개의 필라멘트로 이루어진 다발인 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber may be a bundle of 1,000 to 10,000 filaments.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유는, 1,000 개 내지 8,000 개, 1,000 개 내지 5,000 개, 1,000 개 내지 3,000 개, 2,000 개 내지 10,000 개, 2,000 개 내지 8,000 개, 2,000 개 내지 5,000 개, 3,000 개 내지 10,000 개, 3,000 개 내지 5,000 개의 필라멘트로 이루어진 다발인 것일 수 있다.In one embodiment, the number of carbon fibers is 1,000 to 8,000, 1,000 to 5,000, 1,000 to 3,000, 2,000 to 10,000, 2,000 to 8,000, 2,000 to 5,000, and 3,000 to 3,000. It may be a bundle of 10,000, 3,000 to 5,000 filaments.

바람직하게는, 상기 탄소섬유는, 3,000 개 이상의 필라멘트로 이루어진 다발이인 것일 수 있다.Preferably, the carbon fiber may be a bundle of 3,000 or more filaments.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유의 개별 섬유 직경은, 1 ㎛ 내지 50 ㎛인 것일 수 있다. 상기 직경 범위 내에 포함되면 기계적 유연성을 유지하면서 탄소섬유의 개선된 전기화학적 성능을 제공할 수 있다. 즉, 다공성 구조의 조정을 통해서 전기 화학적 반응 영역을 확장시켜 전기 화학적 활성 부위와 이온 확산 능력을 향상시킬 수 있다.In one embodiment, the individual fiber diameter of the carbon fiber may be 1 ㎛ to 50 ㎛. If the diameter is within the above range, improved electrochemical performance of carbon fiber can be provided while maintaining mechanical flexibility. In other words, by adjusting the porous structure, the electrochemical reaction area can be expanded to improve the electrochemical active site and ion diffusion ability.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유는, 100 m2g-1 내지 300 m2g-1 비표면적, 0.01 cm3g-1 내지 0.20 cm3g-1 기공부피, 1 nm 내지 5 nm 의 기공크기 및 35 % 내지 40 % 기공 부피분율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 크기는, 형태에 따라 길이, 직경, 두께 등일 수 있다. 즉, 다공성 조정을 통해 비표면적을 증가시키고, 메조 다공성을 형성하여 기공크기, 부피 분율 등을 제어할 수 있다. 상기 언급한 범위 내에 포함되면 전기 화학적 활성 부위와 이온 확산 능력을 개선시켜 용량, 고율속 성능 등을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber has a specific surface area of 100 m 2 g -1 to 300 m 2 g -1 , a pore volume of 0.01 cm 3 g -1 to 0.20 cm 3 g -1 , and pores of 1 nm to 5 nm. It may include at least one of size and pore volume fraction of 35% to 40%. The size may be length, diameter, thickness, etc. depending on the shape. In other words, the specific surface area can be increased by adjusting the porosity, and the pore size, volume fraction, etc. can be controlled by forming mesoporosity. If it is contained within the above-mentioned range, the electrochemical active site and ion diffusion ability can be improved, thereby improving capacity, high-rate performance, etc.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유 전극은, 양극 및/또는 음극으로 사용될 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber electrode may be used as an anode and/or a cathode.

본 발명의 다른 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법은, 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계; 및 상기 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 단계;를 포함한다. A method of manufacturing a surface-activated carbon fiber electrode according to another embodiment of the present invention includes the steps of impregnating carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with a polymer; and heat-treating the polymer-coated carbon fiber.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조공정의 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram of the manufacturing process of a surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 초기 탄소섬유를 준비하고, 상기 탄소섬유에 고분자, 예를 들어, PVP를 코팅하고, 열처리하여 활성화된 탄소섬유를 제조한다.Referring to Figure 2, initial carbon fiber is prepared, a polymer such as PVP is coated on the carbon fiber, and heat treatment is performed to produce activated carbon fiber.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계 이전에, 상기 탄소섬유를 산 용액에 침지하여 정제하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, before the step of impregnating the carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with the polymer, the step of purifying the carbon fibers by immersing them in an acid solution may be further included.

일 실시형태에 있어서, 상기 산 용액은, 질산, 인산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the acid solution may include at least one selected from the group consisting of nitric acid, phosphoric acid, and hydrofluoric acid.

바람직하게는, 상기 산 용액은 질산인 것일 수 있다.Preferably, the acid solution may be nitric acid.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 용액은, 고분자 및 용매를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the polymer solution may include a polymer and a solvent.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVAc), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(poly(n-butyl acrylate); PBA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리에스테르-아마이드(polyester-amides; PEA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride; PVDC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 폴리이소프렌(polyisoprene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the polymer is polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinyl acetate (polyvinyl acetate). PVAc), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), poly(n-butyl acrylate) (PBA), polyacrylonitrile (PAN) ), polyaniline (PANi), polyacrylic acid (PAA), polyester-amides (PEA), polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene It may contain at least one selected from the group consisting of polyvinylidene chloride (PVDC), polyurethane (PU), polychloroprene, polyisoprene, and polybutadiene.

바람직하게는, 상기 고분자는 폴리비닐피롤리돈(PVP)인 것일 수 있다.Preferably, the polymer may be polyvinylpyrrolidone (PVP).

일 실시형태에 있어서, 상기 용매는, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올 및 이소프로판올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the solvent may include at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, butanol, and isopropanol.

바람직하게는, 상기 용매는 에탄올인 것일 수 있다.Preferably, the solvent may be ethanol.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 단계는, 300 ℃ 내지 900 ℃ 온도; 30분 이상; 1 시간 이상; 2 시간 이상; 4 시간 이상; 4 시간 내지 10 시간; 또는 4 시간 내지 6 시간 및 공기, 또는 N2 내지 Ar 중 적어도 하나를 포함하는 분위기;에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면 메조기공 형성과 이원자 공동 도핑에 의한 시너지 효과의 발현에 유리하여 표면활성화된 탄소섬유의 전기화학적, 기계적 특성 및 유연성 개선뿐만 아니라 에너지저장 성능을 개선시키는데 유리할 수 있다.In one embodiment, the heat treatment of the polymer-coated carbon fiber is performed at a temperature of 300°C to 900°C; More than 30 minutes; More than 1 hour; 2 hours or more; 4 hours or more; 4 to 10 hours; Alternatively, it may be performed for 4 to 6 hours and in an atmosphere containing at least one of air or N 2 to Ar. If it is within the above range, it is advantageous for the expression of a synergistic effect due to mesopore formation and diatomic co-doping, which may be advantageous for improving the electrochemical and mechanical properties and flexibility of surface-activated carbon fibers as well as improving energy storage performance.

바람직하게는, 상기 열처리는 300 ℃ 내지 500 ℃ 온도; 및 공기 분위기에서 수행되는 것일 수 있다.Preferably, the heat treatment is performed at a temperature of 300°C to 500°C; And it may be performed in an air atmosphere.

일 실시형태에 있어서, 상기 열처리에 의해 고분자의 탈수소화로 인한 수소와 산소가 손실될 수 있으며, 탄소 소모를 수반하는 탈수소화 과정에서 표면이 미세 기공 구조로 형성될 수 있다.In one embodiment, hydrogen and oxygen may be lost due to dehydrogenation of the polymer due to the heat treatment, and the surface may be formed into a fine pore structure during the dehydrogenation process involving carbon consumption.

일 실시형태에 있어서, 상기 열처리된 탄소섬유를 꼬거나 직조하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리하는 단계 이후에 열처리된 탄소섬유를 꼬거나 직조할 수 있으며, 2개 이상의 탄소섬유를 다양한 꼬임 형태로 꼬우거나 매듭지거나 일반적으로 알려진 섬유의 직조 방식을 이용하여 원단을 형성할 수 있다. 상기 직조 방식은, 필요 시 꼬여진 탄소섬유와 다른 섬유와 함께 직조되거나 상기 꼬여진 탄소섬유들로 직조될 수 있다.In one embodiment, the step of twisting or weaving the heat-treated carbon fiber may be further included. For example, after the heat treatment step, the heat-treated carbon fibers can be twisted or woven, and two or more carbon fibers can be twisted or knotted in various twisted forms, or fabric can be formed using a generally known fiber weaving method. You can. The weaving method can be woven with the twisted carbon fibers and other fibers, or with the twisted carbon fibers, if necessary.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는, 본 발명의 일 실시예의 표면활성화된 탄소섬유 전극; 및 상기 표면활성화된 탄소섬유 전극 상에 코팅된 겔 전해질;을 포함한다. A flexible fiber-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention includes a surface-activated carbon fiber electrode of an embodiment of the present invention; and a gel electrolyte coated on the surface-activated carbon fiber electrode.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram of a flexible fiber-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터(100)는, 표면활성화된 탄소섬유 전극(110) 및 겔 전해질(120)을 포함한다.Referring to FIG. 3, the flexible fiber-type supercapacitor 100 according to an embodiment of the present invention includes a surface-activated carbon fiber electrode 110 and a gel electrolyte 120.

일 실시형태에 있어서, 상기 표면활성화된 탄소섬유 전극(110)은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극 또는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법에 의해 제조된 표면활성화된 탄소섬유 전극인 것일 수 있다.In one embodiment, the surface-activated carbon fiber electrode 110 is manufactured by using a surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention or a method of manufacturing a surface-activated carbon fiber electrode according to an embodiment of the present invention. It may be a surface-activated carbon fiber electrode manufactured by.

일 실시형태에 있어서, 상기 겔 전해질은, 폴리비닐알코올(PVA), 황상바나듐(VOSO4), 황산아연(ZnSO4), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gel electrolyte is polyvinyl alcohol (PVA), vanadium sulfate (VOSO 4 ), zinc sulfate (ZnSO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and sodium hydroxide. It may include at least one selected from the group consisting of (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ).

일 실시형태에 있어서, 상기 겔 전해질이 코팅된 표면활성화된 탄소섬유 전극은 적어도 두 개이고, 상기 두 개의 겔 전해질이 코팅된 표면활성화된 탄소섬유 전극은 S 형 꼬임 형태로 꼬아진 것일 수 있다.In one embodiment, there are at least two surface-activated carbon fiber electrodes coated with the gel electrolyte, and the two surface-activated carbon fiber electrodes coated with the gel electrolyte may be twisted into an S-shaped twist.

일 실시형태에 있어서, 상기 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는, 50 μW cm-2 내지 500 μW cm-2 범위의 전류밀도에서 에너지 밀도 500 μW h cm-2 내지 1,000 μW h cm-2이고, 300 μW cm-2 내지 500 μW cm-2 범위의 전류밀도에서 정전용량 유지율 90 % 이상이고, 5,000 회 이상, 10,000회의 우수한 초고속 싸이클링 안정성을 제공할 수 있다. In one embodiment, the flexible fiber-type supercapacitor has an energy density of 500 μW h cm -2 to 1,000 μW h cm -2 at a current density ranging from 50 μW cm -2 to 500 μW cm -2 and 300 μW cm It has a capacitance retention rate of more than 90% at a current density ranging from -2 to 500 μW cm -2 and can provide excellent ultra-high-speed cycling stability of more than 5,000 cycles and 10,000 cycles.

일 실시형태에 있어서, 상기 겔 전해질 코팅된 표면활성화된 탄소섬유 전극은, 양극, 음극 및 집전체의 기능을 갖는 것으로, 상기 겔 전해질의 코팅을 통해 탄소섬유들이 전기화학적으로 분리되고, 이는 양극 및 음극이 전해질에 의해서 분리된 것을 의미할 수 있다.In one embodiment, the surface-activated carbon fiber electrode coated with the gel electrolyte has the functions of an anode, a cathode, and a current collector, and the carbon fibers are electrochemically separated through coating of the gel electrolyte, which leads to the anode and the anode. This may mean that the cathode is separated by the electrolyte.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는, 비정전 용량, 율속 성능, 정전용량 유지율, 싸이클링 안정성 등과 같은 개선된 전기화학적 성능을 제공할 수 있다.The flexible fiber-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention can provide improved electrochemical performance such as specific capacitance, rate performance, capacitance maintenance, and cycling stability.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조방법은, 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계; 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하여 표면활성화된 탄소섬유를 준비하는 단계; 및 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a flexible fiber-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention includes the steps of impregnating carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with a polymer; Preparing surface-activated carbon fiber by heat treating polymer-coated carbon fiber; and coating a gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면활성화된 탄소섬유 전극 및 산화환원 전해질을 포함하는 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터(FFS-SARE)의 제조공정을 나타낸 개략도이다.Figure 4 is a schematic diagram showing the manufacturing process of a flexible fiber supercapacitor (FFS-SARE) including a surface-activated carbon fiber electrode and a redox electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 4의 (a)는 탄소섬유, (b)는 고분자 코팅된 탄소섬유, (c) 표면활성화된 탄소섬유, (d) 섬유 표면의 VOSO4 겔 전해질 코팅 및 (e) 제조된 FFS-SARE이다.Figure 4 shows (a) carbon fiber, (b) polymer-coated carbon fiber, (c) surface-activated carbon fiber, (d) VOSO 4 gel electrolyte coating on the fiber surface, and (e) prepared FFS-SARE. .

일 실시형태에 있어서, 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 단계는, 상기 표면활성화된 탄소섬유를 꼬거나 직조한 이후에 겔 전해질을 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 코팅하거나 또는 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 것일수 있다.In one embodiment, the step of coating the gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber includes twisting or weaving the surface-activated carbon fiber and then coating the gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber, or The gel electrolyte may be coated on the surface-activated carbon fiber.

일 실시형태에 있어서, 상기 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계 이전에, 상기 탄소섬유를 산 용액에 침지하여 정제하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, before the step of impregnating the carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with the polymer, the step of purifying the carbon fibers by immersing them in an acid solution may be further included.

일 실시형태에 있어서, 상기 산 용액은, 질산, 인산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the acid solution may include at least one selected from the group consisting of nitric acid, phosphoric acid, and hydrofluoric acid.

바람직하게는, 상기 산 용액은 질산인 것일 수 있다.Preferably, the acid solution may be nitric acid.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 용액은, 고분자 및 용매를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the polymer solution may include a polymer and a solvent.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVAc), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(poly(n-butyl acrylate); PBA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리에스테르-아마이드(polyester-amides; PEA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride; PVDC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 폴리이소프렌(polyisoprene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the polymer is polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinyl acetate (polyvinyl acetate). PVAc), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), poly(n-butyl acrylate) (PBA), polyacrylonitrile (PAN) ), polyaniline (PANi), polyacrylic acid (PAA), polyester-amides (PEA), polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene It may contain at least one selected from the group consisting of polyvinylidene chloride (PVDC), polyurethane (PU), polychloroprene, polyisoprene, and polybutadiene.

바람직하게는, 상기 고분자는 폴리비닐피롤리돈(PVP)인 것일 수 있다.Preferably, the polymer may be polyvinylpyrrolidone (PVP).

일 실시형태에 있어서, 상기 용매는, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올 및 이소프로판올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the solvent may include at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, butanol, and isopropanol.

바람직하게는, 상기 용매는 에탄올인 것일 수 있다.Preferably, the solvent may be ethanol.

일 실시형태에 있어서, 상기 코팅은 브러쉬 페인팅(brush painting), 분사 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 또는 딥 코팅(dip coating) 방법을 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the coating may include brush painting, spray coating, spin coating, or dip coating.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 용액을 이용하여 다양한 코팅 방법으로 상기 탄소섬유의 표면 및/또는 내부까지 고분자 용액을 코팅할 수 있으며, 예를 들어, 스프레이 분사 공정, 함침(또는, 침지) 공정 등을 이용할 수 있다.In one embodiment, the polymer solution can be coated to the surface and/or interior of the carbon fiber using various coating methods, for example, a spray injection process, an impregnation (or immersion) process, etc. can be used.

일 실시형태에 있어서, 상기 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 단계는, 300 ℃ 내지 900 ℃ 온도; 30분 이상; 1 시간 이상; 2 시간 이상; 4 시간 이상; 4 시간 내지 10 시간; 또는 4 시간 내지 6 시간 및 공기, 또는 N2 내지 Ar 중 적어도 하나를 포함하는 분위기;에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면 메조기공 형성과 이원자 공동 도핑에 의한 시너지 효과의 발현에 유리하여 표면활성화된 탄소섬유의 전기화학적, 기계적 특성 및 유연성 개선뿐만 아니라 에너지저장 성능을 개선시키는데 유리할 수 있다.In one embodiment, the heat treatment of the polymer-coated carbon fiber is performed at a temperature of 300°C to 900°C; More than 30 minutes; More than 1 hour; 2 hours or more; 4 hours or more; 4 to 10 hours; Alternatively, it may be performed for 4 to 6 hours and in an atmosphere containing at least one of air or N 2 to Ar. If it is within the above range, it is advantageous for the expression of a synergistic effect due to mesopore formation and diatomic co-doping, which may be advantageous for improving the electrochemical and mechanical properties and flexibility of surface-activated carbon fibers as well as improving energy storage performance.

바람직하게는, 상기 열처리는 300 ℃ 내지 500 ℃ 온도; 및 공기 분위기에서 수행되는 것일 수 있다.Preferably, the heat treatment is performed at a temperature of 300°C to 500°C; And it may be performed in an air atmosphere.

일 실시형태에 있어서, 상기 열처리에 의해 고분자의 탈수소화로 인한 수소와 산소가 손실될 수 있으며, 탄소 소모를 수반하는 탈수소화 과정에서 표면이 미세 기공 구조로 형성될 수 있다.In one embodiment, hydrogen and oxygen may be lost due to dehydrogenation of the polymer due to the heat treatment, and the surface may be formed into a fine pore structure during the dehydrogenation process involving carbon consumption.

상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 단계에서, 상기 코팅은 브러쉬 페인팅(brush painting), 분사 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 또는 딥 코팅(dip coating) 방법을 포함하는 것일 수 있다. In the step of coating the gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber, the coating includes brush painting, spray coating, spin coating, or dip coating. It may be.

일 실시형태에 있어서, 상기 겔 전해질을 이용하여 다양한 코팅 방법으로 상기 표면활성화된 탄소섬유의 표면 및/또는 내부까지 고분자 용액을 코팅할 수 있으며, 예를 들어, 스프레이 분사 공정, 함침(또는, 침지) 공정 등을 이용할 수 있다.In one embodiment, the gel electrolyte can be used to coat the surface and/or the inside of the surface-activated carbon fiber with a polymer solution using various coating methods, for example, a spray process, impregnation (or immersion). ) process, etc. can be used.

일 실시형태에 있어서, 상기 겔 전해질은, 폴리비닐알코올(PVA), 황상바나듐(VOSO4), 황산아연(ZnSO4), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gel electrolyte is polyvinyl alcohol (PVA), vanadium sulfate (VOSO 4 ), zinc sulfate (ZnSO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and sodium hydroxide. It may include at least one selected from the group consisting of (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ).

바람직하게는, 상기 코팅은 브러쉬 페인팅(brush painting) 방법으로, 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 것일 수 있다.Preferably, the coating may be done by coating the gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber using a brush painting method.

일 실시형태에 있어서, 상기 열처리된 탄소섬유를 꼬거나 직조하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리하는 단계 이후에 열처리된 탄소섬유를 꼬거나 직조할 수 있으며, 2개 이상의 탄소섬유를 다양한 꼬임 형태로 꼬우거나 매듭지거나 일반적으로 알려진 섬유의 직조 방식을 이용하여 원단을 형성할 수 있다. 상기 직조 방식은, 필요 시 꼬여진 탄소섬유와 다른 섬유와 함께 직조되거나 상기 꼬여진 탄소섬유들로 직조될 수 있다.In one embodiment, the step of twisting or weaving the heat-treated carbon fiber may be further included. For example, after the heat treatment step, the heat-treated carbon fibers can be twisted or woven, and two or more carbon fibers can be twisted or knotted in various twisted forms, or fabric can be formed using a generally known fiber weaving method. You can. The weaving method can be woven with the twisted carbon fibers and other fibers, or with the twisted carbon fibers, if necessary.

본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는, 표면활성화된 탄소섬유 전극 및 산화환원 겔 전해질을 적용하여 높은 전기 화학적 성능 및 기계적 유연성과 함께 고성능 섬유형 플렉시블 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다. 즉, 고분자의 탈수소화 반응으로 인해 표면적이 증가하고, 이는 표면적 증가와 탄소섬유 표면의 산소 함유기의 증가로 인해 각각 전기화학적 활성 부위의 수와 이온 확산이 개선될 수 있다. 또한, 탄소섬유 표면의 산소 함유기 수의 증가와 관련하여 향상된 젖음성으로 인해 더욱 조밀해진 전극과 전해질 사이의 계면을 효과적으로 활용하여 초고속 사이클링 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 산화환원 겔 전해질의 도입 및 산소 전달을 통한 탄소 표면의 히드록실기 및 카르보니기와 반응은 전하 저장 능력을 향상시켰다. The flexible fiber-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention can provide a high-performance fiber-type flexible supercapacitor with high electrochemical performance and mechanical flexibility by applying a surface-activated carbon fiber electrode and a redox gel electrolyte. In other words, the surface area increases due to the dehydrogenation reaction of the polymer, which can improve the number of electrochemically active sites and ion diffusion due to the increase in surface area and oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber, respectively. In addition, the enhanced wettability associated with the increase in the number of oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber can effectively utilize the interface between the denser electrode and the electrolyte to improve ultra-high-speed cycling stability. Additionally, the introduction of redox gel electrolyte and reaction with hydroxyl and carbonyl groups on the carbon surface through oxygen transfer improved the charge storage ability.

따라서, 표면활성화된 탄소섬유의 미세 다공성으로 뛰어난 전기 화학적 동역학 및 에너지 저장 성능뿐만 아니라, 우수한 기계적 유연성으로 인하여 스트레칭, 구부림, 매듭, 접힘, 말린 상태 등에서 뛰어난 정전 용량 유지율을 제공할 수 있다.Therefore, the microporosity of surface-activated carbon fiber not only provides excellent electrochemical dynamics and energy storage performance, but also provides excellent capacitance retention in stretching, bending, knotting, folding, and curling states due to excellent mechanical flexibility.

이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and comparative examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

섬유형 플렉시블 슈퍼커패시터 제조Manufacturing of fiber-type flexible supercapacitors

탄소섬유의 표면 활성화를 위해 먼저 탄소섬유를 질산에 침지하여 정제했다. 코팅용액은 에탄올에 2g의 PVP를 사용하여 제조하였으며, 브러쉬 페인팅 방식으로 섬유에 균일하게 도포하였다. 그런 다음, PVP 코팅된 탄소섬유를 공기 중에서 500 ℃로 가열하여 탈수소화를 유도하고 높은 표면적을 갖는 미세 다공성 구조를 구현하였다. 이러한 방식으로 탄소섬유의 표면이 성공적으로 활성화되었다. To activate the surface of carbon fiber, the carbon fiber was first purified by immersing it in nitric acid. The coating solution was prepared using 2g of PVP in ethanol, and was uniformly applied to the fiber using a brush painting method. Then, the PVP-coated carbon fiber was heated to 500 °C in air to induce dehydrogenation and create a microporous structure with a high surface area. In this way, the surface of carbon fiber was successfully activated.

표면활성화된 탄소섬유 및 산화환원 전해질로 구성된 플렉시블 섬유상 슈퍼커패시터 (flexible fibrous supercapacitors comprising surface-activated carbon fibers and a redox electrolyte; FFSs-SARE)의 제조를 위해 0.8 M 황산아연(ZnSO4), 2.0 M 인산(H3PO4) 및 2 g의 폴리비닐알코올(PVA)을 탈이온수(DI water)에 혼합하여 겔 전해질을 제조했다. 겔 전해질을 탄소섬유 실에 브러쉬 페인팅 방식으로 천천히 코팅한 후, 코팅된 섬유를 Z형태로 꼬아 각 전극 (양극 및 음극)에서 활물질과 집전체로 사용하기 위해 촘촘하게 꼬아 넣었다. 마지막으로 꼬인 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터를 겔 전해질로 코팅하고 건조시켰다. 표면 활성화와 산화 환원 전해질 사용에 따른 전기화학적 특성의 비교를 위해, 표면 활성화 없는 탄소섬유(carbon fibers without surface activation; FSS), 표면활성화된 탄소섬유(surface-activated carbon fibers; FFS-SA) 및 산화 환원-전해질-코팅된 탄소섬유(redox-electrolyte-coated carbon fibers; FFS-RE)로 구성된 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터를 제조했다.For the manufacture of flexible fibrous supercapacitors comprising surface-activated carbon fibers and a redox electrolyte (FFSs-SARE), 0.8 M zinc sulfate (ZnSO 4 ) and 2.0 M phosphoric acid were used. A gel electrolyte was prepared by mixing (H 3 PO4) and 2 g of polyvinyl alcohol (PVA) in deionized water (DI water). After slowly coating the gel electrolyte on the carbon fiber thread using a brush painting method, the coated fiber was twisted into a Z shape and tightly twisted to be used as an active material and current collector in each electrode (anode and cathode). Finally, the twisted flexible fiber supercapacitor was coated with gel electrolyte and dried. For comparison of electrochemical properties according to surface activation and redox electrolyte use, carbon fibers without surface activation (FSS), surface-activated carbon fibers (FFS-SA), and oxidation A flexible fibrous supercapacitor composed of redox-electrolyte-coated carbon fibers (FFS-RE) was fabricated.

특성 측정Characteristic measurements

탄소섬유와 섬유상 슈퍼커패시터의 구조적 특성과 형태를 전계방출 주사전자현미경(field-emission scanning electron microscopy; FESEM, 경상국립대학교 핵심시설센터)으로 조사하였다. 탄소섬유의 성분은 공기 중 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 열중량 분석(thermogravimetric analysis; TGA)에 의해 결정되었다. 탄소섬유의 결정 구조와 화학적 결합 상태는 X선 회절법(X-ray diffractometry; XRD)과 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)으로 조사하였고, 탄소섬유의 젖음성(wettability)은 접촉각 측정을 통해 측정하였다.The structural characteristics and morphology of carbon fiber and fibrous supercapacitors were investigated using field-emission scanning electron microscopy (FESEM, Gyeongsang National University Core Facility Center). The composition of the carbon fiber was determined by thermogravimetric analysis (TGA) at temperatures ranging from 100° C. to 900° C. in air. The crystal structure and chemical bonding state of carbon fiber were investigated by X-ray diffractometry (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the wettability of carbon fiber was measured by contact angle measurement. It was measured through.

제조된 탄소섬유의 비표면적, 평균 기공 크기 및 총 기공 부피는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법과 N2 가스를 이용한 미세 기공(micropore; MP) 분석을 통해 평가되었다. 겔 전해질의 화학적 성질은 532.1 nm의 레이저 여기 파장에서 라만 분광법(Raman spectroscopy)에 의해 측정되었고, 겔 전해질의 이온 전도도는 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy; EIS)에 의해 평가되었다. 포텐셔스탯/갈바노스탯(potentiostat/galvanostat)을 사용하여 순환 전압전류법(Cyclic voltammetry; CV)을 수행했다. 전기화학적 동역학 조사를 위해 EIS 측정을 수행하였다. 속도 성능 테스트는 70 μA cm-2 내지 400 μA cm-2의 전류 밀도에서 0.0 V 내지 1.0 V의 전위 범위에서 수행되었다. 장기 사이클링 테스트는 최대 5,000사이클 동안 400.0 μA cm-2의 전류 밀도에서 수행되었다.The specific surface area, average pore size, and total pore volume of the manufactured carbon fiber were evaluated through Brunauer-Emmett-Teller (BET) method and micropore (MP) analysis using N 2 gas. The chemical properties of the gel electrolyte were measured by Raman spectroscopy at a laser excitation wavelength of 532.1 nm, and the ionic conductivity of the gel electrolyte was evaluated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Cyclic voltammetry (CV) was performed using a potentiostat/galvanostat. EIS measurements were performed to investigate the electrochemical dynamics. Speed performance tests were performed in a potential range of 0.0 V to 1.0 V at current densities from 70 μA cm -2 to 400 μA cm -2 . Long-term cycling tests were performed at a current density of 400.0 μA cm -2 for up to 5,000 cycles.

결과 및 토의Results and Discussion

표면활성화된 탄소섬유와 산화환원 전해질을 포함하는 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조공정은 도 4에 개략적으로 나타내었다.The manufacturing process of a flexible fiber-type supercapacitor containing surface-activated carbon fiber and a redox electrolyte is schematically shown in FIG. 4.

먼저 높은 유연성과 높은 전기 전도성으로 인해 전극과 집전체로 사용하기 위해, 3,000개의 탄소섬유 필라멘트 (도 4의 (a))를 준비하였다. 도 4의 (b)와 같이 브러쉬 페인팅 방법을 이용하여 탄소섬유에 PVP를 코팅하였다. 건조 후 섬유가 탈수소화되었고, 온도 상승으로 PVP가 분해되어 산소가 형성되었다.First, 3,000 carbon fiber filaments (Figure 4(a)) were prepared to be used as electrodes and current collectors due to their high flexibility and high electrical conductivity. PVP was coated on carbon fiber using a brush painting method, as shown in Figure 4 (b). After drying, the fiber was dehydrogenated, and the PVP decomposed as the temperature increased to form oxygen.

산소는 탄소와 결합하여 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 생성물을 형성하여 높은 표면적을 갖는 미세 기공 구조가 형성되었다 (도 4의 (c)). 표면 활성탄소섬유 표면에 겔 전해질을 브러쉬 페인팅 방법으로 코팅하여 활성 영역과 리드(lead) 영역을 분리했다 (도 4의 (d)). 그런 다음 도 4의 (e)와 같이 슈퍼커패시터 내부의 빈 공간을 줄이기 위해 양극과 음극을 분리하여 두 개의 전해질이 코팅된 섬유를 S 형태로 꼬았다.Oxygen combined with carbon to form products such as carbon monoxide and carbon dioxide, resulting in the formation of a micropore structure with a high surface area (Figure 4(c)). A gel electrolyte was coated on the surface of the surface activated carbon fiber using a brush painting method to separate the active area and the lead area (Figure 4(d)). Then, as shown in Figure 4(e), the anode and cathode were separated to reduce the empty space inside the supercapacitor, and the two electrolyte-coated fibers were twisted into an S shape.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 형태 및 구조적 특성을 나타낸 도면이다. 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 저배율(a 및 b) 및 고배율 (c 및 d) SEM 이미지, (e) XRD 패턴 및 (f) 두 유형의 탄소섬유의 TGA 곡선을 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the shape and structural characteristics of carbon fiber and surface-activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention. This diagram shows low-magnification (a and b) and high-magnification (c and d) SEM images of carbon fiber and surface-activated carbon fiber, (e) XRD pattern, and (f) TGA curves of two types of carbon fiber.

탄소섬유 (도 5의 (a))와 표면활성화된 탄소섬유(도 5의 (b))의 저배율 SEM 이미지는 직경이 약 7 ㎛-9 ㎛인 개별 섬유의 1차원 구조를 보여준다. 각 섬유의 비표면적 형태는 도 5의 (c) 및 도 5의 (d)에 명확히 나타난다. 탄소섬유 (도 5의 (c))는 흠집이 없고 매끄러운 표면을 가지고 있는 반면, 표면활성화된 탄소섬유 (도 5의 (d))는 기공의 존재를 암시하는 고르지 않은 표면을 가졌다. 이러한 결과는 PVP의 탈수소화를 통한 표면 활성화가 높은 비표면적을 갖는 기공의 형성을 유도하여 전기화학적 활성 부위의 수를 직접적으로 증가시키고 이온 확산 능력을 향상시킬 수 있음을 보여준다. Low-magnification SEM images of carbon fiber (Figure 5(a)) and surface-activated carbon fiber (Figure 5(b)) show the one-dimensional structure of individual fibers with a diameter of approximately 7 ㎛-9 ㎛. The specific surface area shape of each fiber is clearly shown in Figure 5 (c) and Figure 5 (d). While the carbon fiber (Figure 5(c)) had a smooth surface without flaws, the surface-activated carbon fiber (Figure 5(d)) had an uneven surface suggesting the presence of pores. These results show that surface activation through dehydrogenation of PVP can induce the formation of pores with high specific surface area, directly increasing the number of electrochemically active sites and improving ion diffusion ability.

도 5의 (e)의 XRD 패턴은 약 26°와 43°에서 두 개의 넓은 피크를 나타내며, 이는 각각 비정질 탄소의 (002) 및 (100) 평면에 기인할 수 있다. TGA 분석 결과는 도 5의 (g)에 나타나 있으며, 모든 섬유의 100 % 중량 손실은 탄소의 하나의 상(phase)만이 존재함을 보여준다. 또한, 표면활성화된 탄소섬유의 중량 감소 곡선은 탄소섬유의 중량 감소 곡선과 비교하여 명백히 이동되어 표면에 산소 함유기가 도입되었음을 나타낸다.The XRD pattern in Figure 5(e) shows two broad peaks at approximately 26° and 43°, which can be attributed to the (002) and (100) planes of amorphous carbon, respectively. The TGA analysis results are shown in Figure 5(g), and the 100% weight loss of all fibers shows that only one phase of carbon is present. Additionally, the weight loss curve of the surface-activated carbon fiber was clearly shifted compared to that of the carbon fiber, indicating that oxygen-containing groups were introduced to the surface.

도 6는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 화학 조성 및 습윤성을 나타낸 도면이다. (a 및 b) C 1s XPS 스펙트럼, (c) C 1s 피크에서 산소 함유기의 백분율, (d 및 e) O 1s XPS 스펙트럼, (f) O 1s 원자 백분율의 변화, (g 및 h) 접촉각 측정. (i) 탄소 격자 구조의 산소 함유기의 개략도이다.Figure 6 is a diagram showing the chemical composition and wettability of carbon fiber and surface-activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention. (a and b) C 1s XPS spectra, (c) percentage of oxygen-containing groups in the C 1s peak, (d and e) O 1s . (i) Schematic diagram of the oxygen-containing group in the carbon lattice structure.

도 6의 (a) 내지 4의 (f)에 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유에 대한 XPS 결과가 나와 있다. 탄소섬유 (도 6의 (a)) 및 표면활성화된 탄소섬유 (도 6의 (b))의 C 1s 스펙트럼의 경우 284.5 eV, 285.6 eV, 287.1 eV 및 288.5 eV에서의 신호는 C-C, C-O, C=O 및 O-C=O 그룹에 귀속된다. 또한, 표면 활성화 후 표면의 히드록실기 및 카르보닐기와 같은 산소 함유기의 비율은 탄소섬유의 경우 25.1 %에서 표면활성화된 탄소섬유의 경우 35.1 %로 증가했다 (도 6의 (c)). 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 O 1s 스펙트럼은 도 6의 (d) 및 도 6의 (e)에 표시되어 있으며 531.1 eV, 532.1 eV, 533.2 eV 및 535.2 eV의 신호는 C-O, -OH, O-C=O 및 -COOH 결합에 기인한다. 이러한 O 1s 피크의 정량적 분석은 도 6의 (f)에 나와 있다. 표면활성화된 탄소섬유에서 C-O, -OH, O-C=O 및 -COOH 결합의 원자 백분율은 표면 활성화 후에 명백하게 증가했으며, 값은 9.6 at. %, 5.5 at. %, 5.6 at. % 및 2.9 at. %이었다; 반면, 탄소섬유에 대한 값은 각각 7.6 at.%, 3.6 at.%, 3.8 at.% 및 1.7 at.%이었다. 탄소섬유와 표면활성화된 탄소섬유의 젖음성은 각각 도 6의 (g)와 도 6의 (h)의 접촉각 측정으로 알 수 있다. 표면활성화된 탄소섬유 (도 6의 (g))의 접촉각은 72°로 탄소섬유 (도 6의 (h))의 접촉각(104°)보다 낮았다. 이러한 XPS 및 접촉각 결과는 표면 활성화가 탄소 표면에 히드록실기 및 카르보닐기를 효율적으로 도입한다는 것을 보여준다. 또한, 도 6의 (i)의 결과에 따르면, 탄소 표면에 산소 함유 작용기를 도입하면 산화 환원 전해질로 인한 산화 환원 반응을 촉진하여 에너지 저장 능력이 향상됨을 보여준다.Figures 6 (a) to 4 (f) show XPS results for carbon fiber and surface-activated carbon fiber. In the case of the C 1s spectrum of carbon fiber (Figure 6(a)) and surface activated carbon fiber (Figure 6(b)), the signals at 284.5 eV, 285.6 eV, 287.1 eV and 288.5 eV are C-C, C-O, C =O and O-C=O belong to the group. Additionally, after surface activation, the proportion of oxygen-containing groups such as hydroxyl and carbonyl groups on the surface increased from 25.1% for carbon fiber to 35.1% for surface-activated carbon fiber (Figure 6(c)). The O 1s spectra of carbon fiber and surface-activated carbon fiber are shown in Figure 6 (d) and Figure 6 (e), and the signals at 531.1 eV, 532.1 eV, 533.2 eV, and 535.2 eV are C-O, -OH, and O-C. =O and -COOH bonds. Quantitative analysis of these O 1s peaks is shown in (f) of Figure 6. The atomic percentages of C-O, -OH, O-C=O and -COOH bonds in surface-activated carbon fibers increased obviously after surface activation, with a value of 9.6 at. %, 5.5 at. %, 5.6 at. % and 2.9 at. % was; On the other hand, the values for carbon fiber were 7.6 at.%, 3.6 at.%, 3.8 at.%, and 1.7 at.%, respectively. The wettability of carbon fiber and surface-activated carbon fiber can be determined by contact angle measurements in Figures 6(g) and 6(h), respectively. The contact angle of the surface-activated carbon fiber ((g) in Figure 6) was 72°, which was lower than the contact angle (104°) of the carbon fiber ((h) in Figure 6). These XPS and contact angle results show that surface activation efficiently introduces hydroxyl and carbonyl groups to the carbon surface. In addition, according to the results in Figure 6 (i), the introduction of oxygen-containing functional groups on the carbon surface promotes redox reactions caused by redox electrolytes, thereby improving energy storage ability.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 및 표면활성화된 탄소섬유의 표면 특성 및 열 특성을 나타낸 도면이다. (a) BET 방법, (b) 미세 기공 분석 및 (c) 시차 주사 열량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 7 is a diagram showing the surface properties and thermal properties of carbon fiber and surface-activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the results of (a) BET method, (b) micropore analysis, and (c) differential scanning calorimetry.

탄소섬유와 표면활성화된 탄소섬유가 가지는 다공성 구조의 종류는 BET법을 이용한 N2 흡탈착 측정과 미세기공 분석을 통해 측정하였으며, 그 결과를 도 7의 (a)와 도 7의 (b)에 나타내었다.The type of porous structure of carbon fiber and surface-activated carbon fiber was measured through N 2 adsorption/desorption measurement and micropore analysis using the BET method, and the results are shown in Figure 7 (a) and Figure 7 (b). indicated.

탄소섬유와 표면활성화된 탄소섬유의 등온선은 I형 특성을 나타내어 국제 순수 응용 화학연합(International Union of Pure and Applied Chemistry)에 따르면 미세기공 (기공 폭 < 2 nm)의 존재를 의미한다. 전체 압력 범위에서 표면활성화된 탄소섬유의 흡착 부피가 탄소섬유의 흡착 부피보다 크게 나타났으며, 이는 N2 가스가 더 넓은 면적에 걸쳐 흡착되었음을 의미한다. 도 7의 (b)는 미세 기공 측정에서 얻은 기공 부피 및 기공 크기 분포를 보여준다.The isotherms of carbon fiber and surface-activated carbon fiber show type I characteristics, which means the presence of micropores (pore width < 2 nm) according to the International Union of Pure and Applied Chemistry. In the entire pressure range, the adsorption volume of surface-activated carbon fiber was larger than that of carbon fiber, meaning that N 2 gas was adsorbed over a larger area. Figure 7(b) shows the pore volume and pore size distribution obtained from micropore measurements.

표면활성화된 탄소섬유는 SEM 결과와 일치하는 0.8 nm~1.8 nm의 크기 범위에서 향상된 기공 부피를 보였다. 구체적인 BET 결과는 하기 표 1과 같다. Surface-activated carbon fibers showed improved pore volume in the size range of 0.8 nm to 1.8 nm, consistent with SEM results. The specific BET results are shown in Table 1 below.

비고note S BET
[m2 g-1]
S BET
[m 2 g -1 ]
총 기공 부피
(Total pore volume)
(p/p 0 = 0.990)
[cm3 g-1]
total pore volume
(Total pore volume)
( p / p 0 = 0.990)
[ cm3 g -1 ]
평균 기공 직경
(Average pore
Diameter)
[nm]
average pore diameter
(Average pores
Diameter)
[nm]
탄소섬유carbon fiber 2.22.2 0.0090.009 15.715.7 표면활성화된 탄소섬유Surface activated carbon fiber 107.0107.0 0.0660.066 2.42.4

표면활성화된 탄소섬유의 비표면적이 높을수록 전기화학적 활성 부위의 수가 증가하고 유리한 이온 확산 능력이 제공되어 섬유형 슈퍼커패시터의 에너지 저장성능이 향상될 것으로 기대된다. 가열 공정에서 PVP의 열 반응은 공기 중에서 30 ℃내지 400 ℃의 온도 범위에서 시차 주사 열량 분석(differential scanning calorimetry analysis)을 수행하여 조사하였고, 그 결과를 도 7의 (c)에 나타내었다. 탄소섬유는 표면에 PVP가 없기 때문에 용융 피크를 나타내지 않았다. 반면, 순수 PVP와 PVP 코팅된 탄소섬유는 80 ℃-90 ℃에서 감소된 열 흐름을 나타내어 PVP의 용융을 나타낸다. 또한 흡열 피크는 PVP의 탈수소화로 인한 수소와 산소의 손실로 인해 390 ℃에서 시작되었다. 따라서, 탄소 소모를 수반하는 탈수소화 과정에서 표면이 미세 기공 구조로 형성되었을 수 있다.The higher specific surface area of surface-activated carbon fiber increases the number of electrochemically active sites and provides favorable ion diffusion ability, which is expected to improve the energy storage performance of fibrous supercapacitors. The thermal response of PVP in the heating process was investigated by performing differential scanning calorimetry analysis in the temperature range of 30 ℃ to 400 ℃ in air, and the results are shown in Figure 7 (c). Carbon fiber did not show a melting peak because there was no PVP on the surface. On the other hand, pure PVP and PVP-coated carbon fibers showed reduced heat flow at 80 °C-90 °C, indicating melting of PVP. Additionally, the endothermic peak started at 390 °C due to the loss of hydrogen and oxygen due to dehydrogenation of PVP. Therefore, the surface may have formed into a microporous structure during the dehydrogenation process involving carbon consumption.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 탈이온수, H3PO4-PVA 겔 전해질 및 VOSO4-H3PO4-PVA 겔 전해질을 포함하는 바이알의 사진 및 (b) 라만 스펙트럼, (c) H3PO4-PVA VOSO4-H3PO4-PVA 겔 전해질의 이온 전도도, (d) 제조된 슈퍼커패시터의 사진, (e) 저배율 SEM 이미지 및 (f) 저배율 및 (g) FFS-SARE의 고배율 단면 SEM 이미지이다.Figure 8 is a photograph and (b) a Raman spectrum of a vial containing (a) deionized water, H 3 PO 4 -PVA gel electrolyte, and VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA gel electrolyte according to an embodiment of the present invention; c) Ionic conductivity of H 3 PO 4 -PVA VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA gel electrolyte, (d) photograph of fabricated supercapacitor, (e) low magnification SEM image and (f) low magnification and (g) FFS- This is a high-magnification cross-sectional SEM image of SARE.

탈이온수(DI water), 균질 H3PO4-PVA 전해질 및 VOSO4-H3PO4-PVA 전해질을 보여주는 사진이 도 8의 (a)에 표시되어 있고, 도 8의 (b)에 이러한 겔의 라만 스펙트럼을 보여주고 있다. 두 전해질 모두에서 약 891.3cm-1의 뚜렷한 라만 피크는 P(OH)3에 할당될 수 있다. VOSO4-H3PO4-PVA 전해질에서 추가 피크는 985.6 cm-1에서 명백하며 이는 SO4 2에 기인한다. 이러한 결과는 VOSO4가 겔 전해질에서 산화환원 매개체로서 존재함을 확인하며, 이 화합물이 존재하면 섬유형 슈퍼커패시터의 개선된 전기화학적 성능으로 이어질 수 있다.A photograph showing DI water, homogeneous H 3 PO 4 -PVA electrolyte and VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA electrolyte is shown in Figure 8 (a), and Figure 8 (b) shows this gel. It shows the Raman spectrum. In both electrolytes, a distinct Raman peak at approximately 891.3 cm -1 can be assigned to P(OH) 3 . In the VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA electrolyte an additional peak is evident at 985.6 cm -1 and is attributed to SO 4 2 . These results confirm that VOSO 4 exists as a redox mediator in the gel electrolyte, and the presence of this compound can lead to improved electrochemical performance of fibrous supercapacitors.

또한, 겔 전해질의 VOSO4는 전극-전해질 계면에서 이온 전도도를 뚜렷하게 증가시켜 사이클링 중 이온 확산 동역학을 향상시킬 수 있다 (도 8의 (c) 참조). 따라서 VOSO4는 섬유형 슈퍼커패시터의 산화환원 매개체로 좋은 후보이다. 에너지 저장 기능을 위한 활성 영역과 전기 작동을 위한 리드 영역을 포함하는 조립된 섬유형 슈퍼커패시터의 사진을 도 8의 (d)에 나타내었다. FFS-SARE의 직경은 약 1.1 mm로 측정되었다 (도 8의 (e) 참조). FFS-SARE의 구조적 특성 조사를 위해 단면 SEM 분석을 수행했으며 얻은 SEM 이미지는 도 8의 (f) 및 도 8의 (g)에 나타나 있다. 섬유형 슈퍼커패시터의 각 전극은 직경이 550 ㎛ 내지 600 ㎛였다 (도 8의 (f)). 또한, 도 8의 (g)의 SEM 이미지는 겔 전해질과 전극 물질이 빈 공간 없이 조밀하게 밀착되어 있어 우수한 기계적 물성을 효과적으로 유도할 수 있음을 보여준다.Additionally, VOSO 4 in the gel electrolyte can significantly increase ionic conductivity at the electrode-electrolyte interface, thereby improving ion diffusion dynamics during cycling (see (c) in Figure 8). Therefore, VOSO 4 is a good candidate as a redox mediator for fiber-type supercapacitors. A photograph of the assembled fiber-type supercapacitor containing an active region for energy storage function and a lead region for electrical operation is shown in Figure 8 (d). The diameter of FFS-SARE was measured to be approximately 1.1 mm (see Figure 8(e)). Cross-sectional SEM analysis was performed to investigate the structural properties of FFS-SARE, and the obtained SEM images are shown in Figure 8 (f) and Figure 8 (g). Each electrode of the fiber-type supercapacitor had a diameter of 550 ㎛ to 600 ㎛ (FIG. 8(f)). In addition, the SEM image in Figure 8 (g) shows that the gel electrolyte and electrode material are in close contact with no empty space, effectively leading to excellent mechanical properties.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3-전극 시스템을 사용하여 얻은 (a) H3PO4-PVA 및 (b) VOSO4-H3PO4-PVA 수성 전해질의 CV 곡선, (c) 충방전 과정에서 표면활성탄소섬유 표면의 수산기 및 카르보닐기와 VO2+/VO2 +의 산화환원 반응을 나타낸 도면이다.9 shows CV curves, (c) charge of (a) H 3 PO 4 -PVA and (b) VOSO 4 -H 3 PO 4 -PVA aqueous electrolytes obtained using a three-electrode system according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the oxidation-reduction reaction between hydroxyl and carbonyl groups on the surface of surface-activated carbon fiber and VO 2+ /VO 2+ during the discharge process.

표면활성화된 탄소섬유와 VOSO4 사이의 가역적인 패러데이 산화 환원 메커니즘을 조사하기 위해 5 mV s-1 내지 50 mV s-1의 스캔 속도에서 0.0 V에서 1.0 V의 전위 범위에 대한 3-전극 시스템에 의해 CV 곡선이 얻어졌다. 도 9의 (a)에서 보는 바와 같이 표면활성화된 탄소섬유는 H3PO4 수용액을 전해질로 사용했을 때 평평하고 둥근 산화환원 피크를 보였으며, 이는 섬유 표면에 히드록실기와 카르보닐기가 존재하는 상태에서 산화환원 반응이 발생했음을 의미한다. 또한, VO2+/VO2 +의 가역적인 패러데이 산화환원 반응을 유발시키기 위해서는 표면에 히드록실기와 카르보닐기가 존재하는 것이 매우 중요한다. VOSO4-H3PO4 수용액의 경우 전류 밀도가 증가함에 따라 날카로운 산화환원 쌍이 관찰되었으며 (도 9의 (b)), 이는 개선된 전기화학적 거동을 의미한다. 산화 및 환원 피크의 전위는 VO2+/VO2 +의 산화환원 반응과 잘 일치한다.To investigate the reversible Faradaic redox mechanism between surface-activated carbon fibers and VOSO 4, a three-electrode system was used for the potential range from 0.0 V to 1.0 V at a scan rate of 5 mV s -1 to 50 mV s -1 . A CV curve was obtained. As shown in Figure 9 (a), the surface-activated carbon fiber showed a flat and round redox peak when an aqueous H 3 PO 4 solution was used as an electrolyte, which indicates the presence of hydroxyl and carbonyl groups on the fiber surface. It means that an oxidation-reduction reaction occurred. In addition, in order to induce a reversible Faradaic redox reaction of VO 2+ / VO 2+ , it is very important that hydroxyl groups and carbonyl groups exist on the surface. In the case of VOSO 4 -H 3 PO 4 aqueous solution, sharp redox pairs were observed as the current density increased (Figure 9(b)), indicating improved electrochemical behavior. The potentials of the oxidation and reduction peaks correspond well to the redox reaction of VO 2+ / VO 2+ .

CV 결과에 기초하여, 표면활성화된 탄소섬유와 VOSO4 사이의 가역적인 패러데이 산화환원 메커니즘은 하기 식 1 및 도 9의 (c)로 설명할 수 있다.Based on the CV results, the reversible Faradaic redox mechanism between surface-activated carbon fiber and VOSO 4 can be explained by Equation 1 below and (c) in Figure 9.

[식 1][Equation 1]

VO2+ + H2O ↔ VO2 + + 2H+ + e- VO 2+ + H 2 O ↔ VO 2 + + 2H + + e -

또한, VO2+/VO2 +와 표면의 히드록실기 및 카르보닐기와의 패러데이 산화환원 반응은 산소 전달을 통해 발생했다. 특히, 히드록실기의 충전 과정에서 전극 표면에 흡착된 VO2+는 수산기의 H+와 상호작용하여 결합을 형성한다. 다음으로, 산소 원자가 재배치되고 H+와 e-의 자유화(liberating)에 의해 전극 표면에 VO2 +를 형성한다. 결국, VO2 +는 벌크 용액에서 H+를 대체하여 벌크 용액으로 확산된다. 반대로, 카르보닐기의 경우 흡착된 VO2+는 카르보닐기와 전이상태를 형성한다. 그런 다음 VO2 +가 벌크 전해질로 다시 확산되는 동안 H2O와 상호 작용한다. 또한 방전 과정은 충전 과정의 역방향이기 때문에 VOSO4 전해질이 있는 전극 표면의 기능적 히드록실기와 카르보닐기가 VO2+/VO2 +의 가역적 패러데이 산화 환원 반응에 참여할 수 있어 섬유형 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능이 향상된다. Additionally, the Faradaic redox reaction between VO 2+ /VO 2+ and the hydroxyl and carbonyl groups on the surface occurred through oxygen transfer . In particular, during the charging process of the hydroxyl group, VO 2+ adsorbed on the electrode surface interacts with H + of the hydroxyl group to form a bond. Next, the oxygen atoms are rearranged and form VO 2 + on the electrode surface by liberating H + and e - . Eventually, VO 2+ diffuses into the bulk solution, displacing H + from the bulk solution. Conversely, in the case of a carbonyl group, the adsorbed VO 2+ forms a transition state with the carbonyl group. VO 2+ then interacts with H 2 O while diffusing back into the bulk electrolyte. Additionally, because the discharging process is the reverse of the charging process, the functional hydroxyl and carbonyl groups on the surface of the electrode with VOSO 4 electrolyte can participate in the reversible Faradaic redox reaction of VO 2+ /VO 2 + , thereby improving the energy storage performance of the fiber-type supercapacitor. This improves.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 동역학 분석 결과이다. (a) 섬유 슈퍼커패시터의 전기적 이중층 및 산화환원 거동을 포함하는 개략도, (b) 전기화학적 임펜던스 스펙트럼, (c) Bode 플롯, (d) CV 곡선 및 (e) 충전/방전 곡선이다.Figure 10 shows the results of electrochemical dynamics analysis according to an embodiment of the present invention. (a) Schematic diagram including the electrical double layer and redox behavior of the fiber supercapacitor, (b) electrochemical impendance spectrum, (c) Bode plot, (d) CV curve, and (e) charge/discharge curve.

FFS-SARE의 에너지 저장 거동은 기능적 전기 이중층 및 가역적인 패러데이 산화환원 반응 측면에서 도 10의 (a)에 개략적으로 나타내었다. 중요한 것은, 산소 함유기 및 산화환원 매개체의 도입은 유사 정전용량 패러데이 반응을 유도하여 비정전용량을 향상시킬 수 있다. FSS, FSS-SA, FSS-RE 및 FSS-SARE의 EIS 나이퀴스트(Nyquist) 플롯을 도 10의 (b)에 나타내었다. 여기서 저주파 영역의 선형 경향은 전극과 겔 전해질 사이의 계면에서의 이온 확산 거동을 반영한다 (Warburg 임피던스라고 함).The energy storage behavior of FFS-SARE is schematically shown in Figure 10(a) in terms of functional electric double layer and reversible Faradaic redox reaction. Importantly, the introduction of oxygen-containing groups and redox mediators can improve the specific capacitance by inducing a quasi-capacitance Faradaic reaction. The EIS Nyquist plot of FSS, FSS-SA, FSS-RE and FSS-SARE is shown in (b) of Figure 10. Here the linear trend in the low-frequency region reflects the ion diffusion behavior at the interface between the electrode and the gel electrolyte (referred to as Warburg impedance).

따라서, 도 10의 (b)에서 FSS와 FSS-RE의 기울기와 비교하여 FSS-SA와 FSS-SARE의 가파른 기울기는 표면활성화된 탄소섬유가 더 낮은 Warburg 임피던스를 호위함을 보여준다. 이것은 전극 물질의 향상된 젖음성으로 인해 섬유형 슈퍼커패시터의 뛰어난 이온 확산 속도를 유도한다. 이 거동은 도 10의 (c)의 주파수 의존 위상각 플롯(Bode 플롯)을 기반으로 추가 조사되었으며, 여기서 저주파에서의 용량성 거동은 이온 확산과 연관된다. 또한 -90°에 근접하는 위상각은 이상적인 정전용량 동작을 나타낸다. τ0 = 1/f0 식에서 이완 시정수(τ0)를 계산하면 FSS-SARE (2.4s)의 τ0가 FSS (17.8 s), FSS-SA (4.0 s) 및 FSS-RE(8.3 s)보다 짧은 것으로 나타나, 빠른 응답 시간이 산화환원 매개체의 도입과 전극 표면의 개선된 젖음성으로 인한 빠른 전하 수송을 나타냄을 보여준다.Therefore, compared to the slopes of FSS and FSS-RE in Figure 10 (b), the steeper slopes of FSS-SA and FSS-SARE show that the surface-activated carbon fibers have lower Warburg impedance. This leads to superior ion diffusion rates in the fibrous supercapacitor due to the improved wettability of the electrode material. This behavior was further investigated based on the frequency dependent phase angle plot (Bode plot) in Figure 10(c), where the capacitive behavior at low frequencies is associated with ion diffusion. Additionally, a phase angle approaching -90° indicates ideal capacitive operation. Calculating the relaxation time constant (τ 0 ) from the equation τ 0 = 1/f 0 , τ 0 of FSS-SARE (2.4 s) is similar to that of FSS (17.8 s), FSS-SA (4.0 s), and FSS-RE (8.3 s). shorter, showing that the faster response time indicates faster charge transport due to the introduction of redox mediators and improved wettability of the electrode surface.

또한, 10 mV s-1의 스캔 속도에서 0.0 V~1.0V의 전압 범위에서 FSS, FSS-SA, FSS-RE 및 FSS-SARE의 전기 화학적 거동을 조사하기 위해 CV 측정을 수행했다 (도 10의 (d)). FSS-SA의 밀폐된 CV 면적은 FSS 및 FSS-RE의 밀폐된 CV 면적보다 더 컸으며, 이는 증가된 비표면적이 충방전 과정에서 더 많은 전기활성 부위를 제공했음을 나타낸다. FSS-SARE에서 둥근 산화환원 피크가 관찰되었으며, 이는 산소 함유기가 있는 탄소 전극의 높은 비표면적과 관련된 가역적인 패러데이 산화 환원 거동으로 인해 추가 전하 저장 능력을 의미한다.Additionally, CV measurements were performed to investigate the electrochemical behavior of FSS, FSS-SA, FSS-RE and FSS-SARE in the voltage range from 0.0 V to 1.0 V at a scan rate of 10 mV s -1 (Figure 10 (d)). The confined CV area of FSS-SA was larger than that of FSS and FSS-RE, indicating that the increased specific surface area provided more electroactive sites during the charge and discharge process. A round redox peak was observed in FSS-SARE, implying additional charge storage capacity due to the reversible Faradaic redox behavior associated with the high specific surface area of the carbon electrode with oxygen-containing groups.

도 10의 (e)는 제조된 슈퍼커패시터의 갈바닉 충방전 곡선을 나타낸다. 모든 장치는 70.0 μA cm-2의 전류 밀도에서 유사한 정전류 충전 및 방전을 보여 유사한 속도와 우수한 가역성을 나타낸다. FSS-SARE의 충방전 곡선은 모든 장치 중에서 상당한 산화 환원 혹(humps)과 가장 긴 시간을 보였다. 이 결과는 히드록실기 및 카르보닐기와 VOSO4의 가역적인 패러데이 산화환원 반응으로 인한 추가 의사 용량 기여와 전기 이중층 용량 특성에 의한 일반적인 용량 기여의 결과일 수 있다.Figure 10(e) shows the galvanic charge/discharge curve of the manufactured supercapacitor. All devices show similar galvanostatic charge and discharge at a current density of 70.0 μA cm -2 , indicating similar rates and excellent reversibility. The charge/discharge curve of FSS-SARE showed significant redox humps and the longest time among all devices. This result may be the result of an additional pseudocapacitance contribution due to the reversible Faradaic redox reaction of VOSO 4 with the hydroxyl and carbonyl groups and a general capacitance contribution due to the electric double layer capacitance properties.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 성능 테스트 결과이다. (a) 속도 성능, (b) 이전에 보고된 섬유 슈퍼커패시터와 속도 성능 비교, (c) 에너지 및 전력 밀도와 관련된 FFS-SARE의 Ragone 플롯 126 ~ 720 μW cm-2 범위 및 (d) 400 μA cm-2의 고전류 밀도에서 최대 5,000사이클에 대한 주기 안정성을 나타낸 도면이다.Figure 11 shows the results of an energy storage performance test according to an embodiment of the present invention. (a) Speed performance, (b) comparison of speed performance with previously reported fiber supercapacitors, (c) Ragone plot of FFS-SARE with respect to energy and power density in the range 126 to 720 μW cm -2 and (d) 400 μA. This is a diagram showing the cycle stability for up to 5,000 cycles at a high current density of cm -2 .

70 μA cm-2 -400 μA cm-2의 전류 밀도 범위에서 0.0 V-1.0 V 범위의 전위에서 제조된 슈퍼커패시터의 속도 성능은 도 11의 (a)에 나와 있다. FSS-SARE는 각각 70 μA cm-2, 100 μA cm-2, 150 μA cm-2, 200 μA cm-2, 300 μA cm-2 및 400 μA cm-2의 전류 밀도에서 891 mF cm-2, 658 mF cm-2, 550 mF cm-2, 454 mF cm-2, 410 mF cm-2 및 399 mF cm-2의 놀라운 비정전용량을 나타냈다. 이 장치의 속도 성능은 이전에 보고된 섬유형 슈퍼커패시터 (도 11의 (b))와 비교할 때 훨씬 더 놀랍다.The speed performance of the fabricated supercapacitor at potentials ranging from 0.0 V to 1.0 V at a current density range of 70 μA cm -2 to 400 μA cm -2 is shown in Figure 11 (a). FSS-SARE was 891 mF cm -2 at current densities of 70 μA cm -2 , 100 μA cm -2 , 150 μA cm -2 , 200 μA cm -2 , 300 μA cm -2 and 400 μA cm -2 , respectively. It showed surprising specific capacitances of 658 mF cm -2 , 550 mF cm -2 , 454 mF cm -2 , 410 mF cm -2 and 399 mF cm -2 . The speed performance of this device is even more remarkable when compared to previously reported fiber-type supercapacitors (Figure 11(b)).

다른 슈퍼커패시터에 비해 FSS-SARE의 비정전용량이 증가한 것은 (ⅰ) 미세 다공성 탄소섬유의 가공된 표면이 많은 전기화학적 활성 부위를 제공하고 이온 확산 능력을 향상시켰고 (ⅱ) VOSO4와 히드록실기 및 카르보닐기의 가역적인 패러데이 산화환원 반응으로 인한 추가적인 유사 용량성 기여는 에너지 저장 성능을 향상시켰다. 섬유형 슈퍼커패시터로 실제 적용하기 위한 FSS-SARE의 적절한 전력 및 에너지 밀도는 도 11의 (c)에 나타내었다. 이 장치는 각각 126 μW cm-2 및 720 μW cm-2의 전력 밀도에서 110 47 μW h cm-2 및 47 47 μW h cm-2의 최대 에너지 밀도를 나타내었으며, 둘 다 이전에 보고된 섬유형 슈퍼커패시터보다 상당히 높다. 또한, FSS-SARE는 전극 표면의 젖음성이 향상되어 이온 확산이 개선되어 5,000 사이클 후에도 정전 용량 유지율이 91 %로 우수한 사이클링 안정성을 보였다.The increased specific capacitance of FSS-SARE compared to other supercapacitors is due to (i) the machined surface of microporous carbon fiber providing many electrochemically active sites and improving ion diffusion ability, and (ii) VOSO 4 and hydroxyl groups and Additional pseudocapacitive contribution due to the reversible Faradaic redox reaction of the carbonyl group improved the energy storage performance. The appropriate power and energy density of FSS-SARE for actual application as a fiber-type supercapacitor are shown in Figure 11 (c). The device exhibited maximum energy densities of 110 47 μW h cm -2 and 47 47 μW h cm -2 at power densities of 126 μW cm -2 and 720 μW cm -2 , respectively, both of which were similar to those of the previously reported fiber-type devices. It is considerably higher than a supercapacitor. In addition, FSS-SARE showed excellent cycling stability with a capacitance retention rate of 91% even after 5,000 cycles due to improved ion diffusion due to improved electrode surface wettability.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 (a) FFS-SARE의 직선, 구부러짐, 매듭, 접힘 및 감긴 상태의 정전용량 유지율, (b) 평평하고 구부러진 상태에서 100회 반복하는 동안 FFS-SARE의 기계적 유연성, (c) 3개의 FFS-SARE 장치를 패브릭에 대규모로 짜는 것을 보여주는 사진, (d) 다른 패브릭 상태(직선 및 구겨진)에 대해 패브릭으로 짜여진 FFS-SARE 장치의 정전 용량 유지율을 나타낸 도면이다.Figure 12 shows (a) the capacitance retention rate of the straight, bent, knotted, folded, and wound states of the FFS-SARE, (b) the mechanical characteristics of the FFS-SARE during 100 repetitions in the flat and bent states, according to an embodiment of the present invention. Flexibility, (c) a photograph showing the large-scale weaving of three FFS-SARE devices into a fabric, (d) a diagram showing the capacitance retention of FFS-SARE devices woven into a fabric for different fabric states (straight and crumpled).

섬유형 슈퍼커패시터의 기계적 유연성은 웨어러블 에너지 저장 장치로 사용하기에 적합성을 결정하는 핵심 요소이다. FSS-SARE의 굽힘, 매듭, 접힘 및 말림 상태에서 뛰어난 기계적 유연성이 도 12의 (a)에서와 같이 명확하게 관찰되었다. 도 12의 (b)는 직선 및 구부러진 상태에서 400.0 μA cm-2의 전류 밀도에서 100회 반복한 후 FSS-SARE의 정전 용량 유지를 보여준다. 그것은 장치의 뛰어난 기계적 성능과 높은 유연성을 보여준다. FSS-SARE의 실제 적용 가능성에 대한 추가 조사를 위해 3개의 대규모(

Figure 112021107806740-pat00001
35 cm) 슈퍼커패시터를 제조했다 (도 12의 (c)). 도 12의 (c)의 사진은 준비된 슈퍼커패시터가 일반 스웨터와 같은 직물로 쉽게 짜여질 수 있음을 명확하게 보여준다. 또한, FSS-SARE는 구겨진 경우에도 우수한 정전 용량 유지를 보였다 (도 12의 (d)).The mechanical flexibility of fibrous supercapacitors is a key factor determining their suitability for use as wearable energy storage devices. The excellent mechanical flexibility of FSS-SARE in the bent, knotted, folded, and rolled states was clearly observed, as shown in Figure 12 (a). Figure 12 (b) shows the capacitance maintenance of FSS-SARE after 100 repetitions at a current density of 400.0 μA cm -2 in straight and bent states. It shows the excellent mechanical performance and high flexibility of the device. To further investigate the practical applicability of FSS-SARE, three large-scale (
Figure 112021107806740-pat00001
35 cm) supercapacitor was manufactured (FIG. 12(c)). The photo in Figure 12(c) clearly shows that the prepared supercapacitor can be easily woven into a fabric such as a regular sweater. Additionally, FSS-SARE showed excellent capacitance maintenance even when crumpled (Figure 12(d)).

전반적으로, 본 발명의 결과는 탄소 전극의 표면 튜닝과 가역적인 패러데이 반응의 발생이 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능에 미치는 호환 가능한 효과를 보여주었다. Overall, our results demonstrate the compatible effects of surface tuning of carbon electrodes and generation of reversible Faradaic reactions on the electrochemical performance of flexible fiber supercapacitors.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 FFS-SARE의 전기화학적 활성 부위의 증가, 효율적인 이온 확산 및 가역적인 패러데이 반응을 포함하는 개략도이다.Figure 13 is a schematic diagram including increase in electrochemically active sites, efficient ion diffusion, and reversible Faraday reaction of FFS-SARE according to an embodiment of the present invention.

도 13에 개략적으로 나타낸 바와 같이, PVP의 탈수소화 반응으로 표면적이 증가하였고, 이는 표면적 증가와 탄소섬유 표면의 산소 함유기의 증가로 인해 각각 전기화학적 활성 부위의 수와 이온 확산이 개선되었다. 탄소섬유 표면의 산소 함유기 수의 증가와 관련하여 향상된 젖음성으로 인해 더욱 조밀해진 전극과 전해질 사이의 계면을 효과적으로 활용하여 초고속 사이클링 안정성을 향상시키는 데 기여했다. 마지막으로, VOSO4를 포함하는 산화 환원 전해질의 도입은 산소 전달을 통해 탄소 표면의 히드록실기 및 카르보닐기와 VO2+/VO2 +의 가역적인 패러데이 반응을 유발함으로써 에너지 저장 성능을 향상시켰다. 이러한 다중 시너지 효과로 인해 FSS-SARE는 우수한 비정전용량, 탁월한 사이클링 안정성 및 뛰어난 에너지 밀도를 나타냈다. 또한, 에너지 저장 성능이 향상되고 기계적 특성이 우수한 웨어러블 에너지 저장 장치에 실용화 가능성이 확인되었다. 특히, 직물로 짜여질 수 있는 잠재력이 입증되었다.As schematically shown in Figure 13, the surface area increased due to the dehydrogenation reaction of PVP, which improved the number of electrochemically active sites and ion diffusion due to the increase in surface area and oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber, respectively. The improved wettability associated with the increase in the number of oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber effectively utilized the interface between the denser electrode and the electrolyte, contributing to improved ultra-high-speed cycling stability. Finally, the introduction of a redox electrolyte containing VOSO 4 improved energy storage performance by inducing a reversible Faradaic reaction of VO 2+ /VO 2+ with hydroxyl and carbonyl groups on the carbon surface through oxygen transfer. Due to these multiple synergistic effects, FSS-SARE exhibited excellent specific capacitance, excellent cycling stability, and excellent energy density. In addition, the possibility of practical application in a wearable energy storage device with improved energy storage performance and excellent mechanical properties was confirmed. In particular, its potential to be woven into textiles has been demonstrated.

결과result

표면활성화된 탄소섬유와 산화 환원 전해질로 구성된 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터(FFS-SARE)는 웨어러블 에너지 저장 장치에 사용하기 위해 제조되었다. 탄소 전극의 표면 튜닝과 가역적 패러데이 반응의 도입에 따른 다중 시너지 효과가 명확하게 나타난다. FFS-SARE는 각각 70.0 μA cm-2 및 400 μA cm-2의 전류 밀도에서 891 mF cm-2 및 399 mF cm-2 의 놀라운 비정전용량을 포함하여 뛰어난 전기화학적 성능을 보여주었고, 400.0 μA cm-2의 전류밀도에서 92 % 정전용량 유지율로 5,000사이클 동안 우수한 초고속 사이클링 안정성을 제공한다.A flexible fibrous supercapacitor (FFS-SARE) composed of surface-activated carbon fiber and redox electrolyte was fabricated for use in wearable energy storage devices. Multiple synergistic effects resulting from surface tuning of the carbon electrode and introduction of the reversible Faradaic reaction are clearly evident. FFS-SARE demonstrated excellent electrochemical performance, including remarkable specific capacitances of 891 mF cm -2 and 399 mF cm -2 at current densities of 70.0 μA cm -2 and 400 μA cm -2 , respectively, and 400.0 μA cm -2 It provides excellent ultra-fast cycling stability for 5,000 cycles with 92% capacitance retention at a current density of 2 .

이러한 결과는 다음과 같은 요인에 기인한다: (i) PVP의 탈수소화는 탄소섬유 표면의 표면적과 산소 함유기를 증가시켰고, 따라서 전기 화학적 활성 부위의 수와 젖음성을 증가시켜, 결과적으로 전체 비정전용량이 증가하였다. (ⅱ) VO2+/VO2 +를 포함하는 산화환원 전해질의 도입 및 산소 전달을 통한 탄소 표면의 히드록실기 및 카르보닐기와의 반응은 전하 저장 능력을 향상시켰다. (ⅲ) 효율적인 이온 확산으로 인해 전극과 전해질 사이의 계면의 효과적인 활용함으로써 초고속 사이클링 안정성을 나타낸다. FFS-SARE의 우수한 기계적 유연성과 현실적인 적용 가능성은 전극을 직물로 짜고 충방전 테스트를 수행하여 입증되었다. 따라서, 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터용 겔 전해질에서 전극으로 표면 활성탄을 사용하고 산화환원 전해질로 VOSO4를 사용하는 것이 웨어러블 에너지 저장 장치의 고급 설계를 위한 경로와 전략을 제시할 수 있다는 것을 본 발명의 실시예에서 입증되었다.These results are due to the following factors: (i) dehydrogenation of PVP increased the surface area and oxygen-containing groups of the carbon fiber surface, thus increasing the number and wettability of electrochemically active sites, resulting in a lower overall specific capacitance; increased. (ii) Introduction of a redox electrolyte containing VO 2+ /VO 2+ and reaction with hydroxyl and carbonyl groups on the carbon surface through oxygen transfer improved the charge storage ability. (iii) It exhibits ultra-fast cycling stability by effective utilization of the interface between the electrode and electrolyte due to efficient ion diffusion. The excellent mechanical flexibility and realistic applicability of FFS-SARE were demonstrated by weaving the electrodes and performing charge-discharge tests. Therefore, the implementation of the present invention shows that using surface activated carbon as an electrode and VOSO 4 as a redox electrolyte in a gel electrolyte for flexible fiber-type supercapacitors can present a path and strategy for advanced design of wearable energy storage devices. This has been proven in examples.

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

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

100: 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터
110: 표면활성화된 탄소섬유 전극
120: 겔 전해질
100: Flexible fiber supercapacitor
110: Surface activated carbon fiber electrode
120: Gel electrolyte

Claims (19)

탄소섬유 표면 상에 산소 함유기(oxygen-containing groups)를 포함하고,
미세 기공(micropores)을 가지는 탄소섬유 전극으로서,
상기 탄소섬유는, 1,000 개 내지 10,000 개의 필라멘트로 이루어진 다발이고,
상기 탄소섬유 전극은, 2 가닥 이상의 탄소섬유가 꼬여지거나 직조된 것이고,
상기 탄소섬유 전극은, Z형 꼬임 구조를 가지며, 꼬임 간격 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 및 꼬임 각도 25 ° 내지 75 °인 것이고,
상기 탄소섬유는, 100 m2g-1 내지 300 m2g-1 비표면적, 0.01 cm3g-1 내지 0.20 cm3g-1 기공부피, 1 nm 내지 5 nm의 기공크기 및 35 % 내지 40 % 기공 부피분율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극.
Contains oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber,
A carbon fiber electrode having micropores,
The carbon fiber is a bundle of 1,000 to 10,000 filaments,
The carbon fiber electrode is made of two or more strands of carbon fiber twisted or woven,
The carbon fiber electrode has a Z-shaped twist structure, a twist spacing of 10 ㎛ to 50 ㎛ and a twist angle of 25 ° to 75 °,
The carbon fiber has a specific surface area of 100 m 2 g -1 to 300 m 2 g -1 , a pore volume of 0.01 cm 3 g -1 to 0.20 cm 3 g -1 , a pore size of 1 nm to 5 nm, and a pore size of 35% to 40%. Containing at least one of the % pore volume fraction,
Surface-activated carbon fiber electrode.
제1항에 있어서,
상기 산소 함유기는, 히드록실기 및 카르보닐기를 포함하고,
상기 표면활성화된 탄소섬유 전극 중 상기 산소 함유기의 함량은 10 at. % 내지 60 at.%인 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극.
According to paragraph 1,
The oxygen-containing group includes a hydroxyl group and a carbonyl group,
The content of oxygen-containing groups in the surface-activated carbon fiber electrode is 10 at. % to 60 at.%,
Surface-activated carbon fiber electrode.
제1항에 있어서,
상기 산소 함유기는 상기 탄소섬유 표면 상에서 탄소화 또는 흑연화된 고분자에 의해 형성된 것이고,
상기 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVAc), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(poly(n-butyl acrylate); PBA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리에스테르-아마이드(polyester-amides; PEA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride; PVDC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 폴리이소프렌(polyisoprene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극.
According to paragraph 1,
The oxygen-containing group is formed by carbonized or graphitized polymer on the surface of the carbon fiber,
The polymers include polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVAc), and polystyrene. ; PS), polymethyl methacrylate (PMMA), poly(n-butyl acrylate) (PBA), polyacrylonitrile (PAN), polyaniline (polyaniline). PANi), polyacrylic acid (PAA), polyester-amides (PEA), polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVDC) ), polyurethane (PU), polychloroprene, polyisoprene, and polybutadiene, which includes at least one selected from the group consisting of,
Surface-activated carbon fiber electrode.
제1항에 있어서,
상기 산소 함유기는, C-O, -OH, O-C=O 및 -COOH 결합을 포함하고,
상기 C-O 결합은, 8 at. % 내지 15 at. %,
상기 -OH 결합은 4 at. % 내지 10 at. %,
상기 O-C=O 결합은 4 at. % 내지 10 at. %, 및
상기 -COOH 결합은 2 at. % 내지 5 at. %인 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극.
According to paragraph 1,
The oxygen-containing group includes CO, -OH, OC=O and -COOH bonds,
The CO bond is 8 at. % to 15 at. %,
The -OH bond is 4 at. % to 10 at. %,
The OC=O bond is 4 at. % to 10 at. %, and
The -COOH bond is 2 at. % to 5 at. %,
Surface-activated carbon fiber electrode.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유의 개별 섬유 직경은, 1 ㎛ 내지 50 ㎛인 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극.
According to paragraph 1,
The individual fiber diameter of the carbon fiber is 1 ㎛ to 50 ㎛,
Surface-activated carbon fiber electrode.
삭제delete 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계; 및
상기 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 단계;
를 포함하는,
제1항의 표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법.
Impregnating carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with the polymer; and
Heat treating the polymer-coated carbon fiber;
Including,
A method for manufacturing the surface-activated carbon fiber electrode of claim 1.
제9항에 있어서,
상기 탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계 이전에,
상기 탄소섬유를 산 용액에 침지하여 정제하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 산 용액은, 질산, 인산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법.
According to clause 9,
Before impregnating the carbon fiber with a polymer solution and coating the carbon fiber with the polymer,
Purifying the carbon fiber by immersing it in an acid solution;
It further includes,
The acid solution contains at least one selected from the group consisting of nitric acid, phosphoric acid, and hydrofluoric acid,
Method for manufacturing surface-activated carbon fiber electrodes.
제9항에 있어서,
상기 고분자 용액은, 고분자 및 용매를 포함하고,
상기 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVAc), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(poly(n-butyl acrylate); PBA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리에스테르-아마이드(polyester-amides; PEA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride; PVDC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 폴리이소프렌(polyisoprene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 용매는, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올 및 이소프로판올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법.
According to clause 9,
The polymer solution includes a polymer and a solvent,
The polymers include polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVAc), and polystyrene. ; PS), polymethyl methacrylate (PMMA), poly(n-butyl acrylate) (PBA), polyacrylonitrile (PAN), polyaniline (polyaniline). PANi), polyacrylic acid (PAA), polyester-amides (PEA), polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVDC) ), polyurethane (PU), polychloroprene, polyisoprene, and polybutadiene;
The solvent includes at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, butanol, and isopropanol.
Method for manufacturing surface-activated carbon fiber electrodes.
제9항에 있어서,
상기 고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 단계는,
300 ℃ 내지 900 ℃ 온도; 및 공기, 또는 N2 내지 Ar 중 적어도 하나를 포함하는 분위기;에서 수행되는 것인,
표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법.
According to clause 9,
The step of heat treating the polymer-coated carbon fiber is,
temperature between 300°C and 900°C; and air, or an atmosphere containing at least one of N 2 to Ar;
Method for manufacturing surface-activated carbon fiber electrodes.
제9항에 있어서,
상기 열처리된 탄소섬유를 꼬거나 직조하는 단계;
를 더 포함하는,
표면활성화된 탄소섬유 전극의 제조방법.
According to clause 9,
twisting or weaving the heat-treated carbon fiber;
Containing more,
Method for manufacturing surface-activated carbon fiber electrodes.
제1항의 표면활성화된 탄소섬유 전극; 및
상기 표면활성화된 탄소섬유 전극 상에 코팅된 겔 전해질;
을 포함하는,
플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터.
The surface-activated carbon fiber electrode of claim 1; and
A gel electrolyte coated on the surface-activated carbon fiber electrode;
Including,
Flexible fiber supercapacitor.
제14항에 있어서,
상기 겔 전해질은,
폴리비닐알코올(PVA), 황상바나듐(VOSO4), 황산아연(ZnSO4), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것인,
플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터.
According to clause 14,
The gel electrolyte is,
Polyvinyl alcohol (PVA), vanadium sulfate (VOSO 4 ), zinc sulfate (ZnSO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), hydroxide Containing at least one selected from the group consisting of calcium (Ca(OH) 2 ) and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ),
Flexible fiber supercapacitor.
제14항에 있어서,
상기 겔 전해질이 코팅된 표면활성화된 탄소섬유 전극은 적어도 두 개이고,
상기 두 개의 겔 전해질이 코팅된 표면활성화된 탄소섬유 전극은 S 형 꼬임 형태로 꼬아진 것인,
플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터.
According to clause 14,
There are at least two surface-activated carbon fiber electrodes coated with the gel electrolyte,
The two surface-activated carbon fiber electrodes coated with the gel electrolyte are twisted into an S-shaped twist.
Flexible fiber supercapacitor.
제14항에 있어서,
상기 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터는,
50 μW cm-2 내지 500 μW cm-2 범위의 전류밀도에서 에너지 밀도 500 μW h cm-2 내지 1,000 μW h cm-2이고,
300 μW cm-2 내지 500 μW cm-2 범위의 전류밀도에서 정전용량 유지율 90 % 이상인 것인,
플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터.
According to clause 14,
The flexible fiber supercapacitor,
At a current density ranging from 50 μW cm -2 to 500 μW cm -2 , the energy density is 500 μW h cm -2 to 1,000 μW h cm -2 ,
A capacitance retention rate of 90% or more at a current density ranging from 300 μW cm -2 to 500 μW cm -2 ,
Flexible fiber supercapacitor.
탄소섬유를 고분자 용액에 함침시켜 상기 탄소섬유에 고분자를 코팅하는 단계;
고분자가 코팅된 탄소섬유를 열처리하여 표면활성화된 탄소섬유를 준비하는 단계; 및
상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 단계;
를 포함하는,
제14항의 플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조방법.
Impregnating carbon fibers in a polymer solution and coating the carbon fibers with the polymer;
Preparing surface-activated carbon fiber by heat treating polymer-coated carbon fiber; and
Coating a gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber;
Including,
Method for manufacturing the flexible fiber-type supercapacitor of claim 14.
제18항에 있어서,
상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 단계는,
상기 표면활성화된 탄소섬유를 꼬거나 직조한 이후에 겔 전해질을 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 코팅하거나 또는 상기 표면활성화된 탄소섬유 상에 겔 전해질을 코팅하는 것이고,
상기 코팅은 브러쉬 페인팅(brush painting), 분사 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 또는 딥 코팅(dip coating) 방법을 포함하는 것인,
플렉시블 섬유형 슈퍼커패시터의 제조방법.
According to clause 18,
The step of coating the gel electrolyte on the surface-activated carbon fiber,
After twisting or weaving the surface-activated carbon fiber, a gel electrolyte is coated on the surface-activated carbon fiber, or a gel electrolyte is coated on the surface-activated carbon fiber,
The coating includes brush painting, spray coating, spin coating or dip coating methods,
Manufacturing method of flexible fiber-type supercapacitor.
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