KR102660994B1 - Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor - Google Patents
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Abstract
리그닌 분말을 전도성 고분자 용액 및 알칼리 수용액으로 합성하고 탄화 처리하여 한번에 질소를 도핑시킨 활성탄을 제조하는 것에 의해 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 (a) 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링하는 단계; (b) 상기 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 혼합하는 단계; (c) 상기 혼합된 혼합 용액을 필터링한 후, 세척하고 건조하는 단계; 및 (d) 상기 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for manufacturing nitrogen-doped activated carbon that can simplify manufacturing costs and processes by synthesizing lignin powder with a conductive polymer solution and an aqueous alkaline solution and carbonizing it to produce nitrogen-doped activated carbon at once, and a supercapacitor and manufacturing thereof The method is disclosed.
The method for producing nitrogen-doped activated carbon according to the present invention includes the steps of (a) adding lignin powder to an aqueous alkaline solution, stirring, and then filtering; (b) adding and stirring the lignin powder supported in the alkaline aqueous solution to the nitrogen-containing conductive polymer solution, then adding and mixing the iron precursor solution; (c) filtering the mixed solution, then washing and drying; and (d) carbonizing the dried product to obtain nitrogen-doped activated carbon.
Description
본 발명은 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리그닌 분말을 전도성 고분자 용액 및 알칼리 수용액으로 합성하고 탄화 처리하여 한번에 질소를 도핑시킨 활성탄을 제조하는 것에 의해 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing nitrogen-doped activated carbon, a supercapacitor thereof, and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a method for producing nitrogen-doped activated carbon at once by synthesizing lignin powder with a conductive polymer solution and an aqueous alkaline solution and carbonizing it. It relates to a method for manufacturing nitrogen-doped activated carbon that can simplify manufacturing costs and processes, a supercapacitor, and a method for manufacturing the same.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충전 및 방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다. Among next-generation energy storage devices, supercapacitors are attracting attention as next-generation energy storage devices due to their fast charging and discharging speeds, high stability, and eco-friendly characteristics. A typical supercapacitor consists of a porous electrode, a current collector, a separator, and an electrolyte.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전 동작 및 방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요 없는 소자이다.A supercapacitor is also called an Electric Double Layer Capacitor (EDLC) or an ultra-capacitor. It consists of a pair of charge layers (each with a different sign) at the interface of an electrode, a conductor, and an electrolyte impregnated with it. It is a device that does not require maintenance as the deterioration due to repetition of charging and discharging operations is very small by using the created electric double layer.
이에 따라, 슈퍼커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있다. 최근, 슈퍼커패시터는 그의 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Accordingly, supercapacitors are mainly used as IC (integrated circuit) backup for various electrical and electronic devices. Recently, the uses of supercapacitors have expanded and are being widely applied to toys, solar energy storage, and HEV (hybrid electric vehicle) power sources.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2~6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.Such a supercapacitor generally consists of two electrodes, an anode and a cathode, impregnated with an electrolyte, a separator made of a porous material interposed between these two electrodes to enable only ion conduction and to insulate and prevent short circuits, and an electrolyte. It has a unit cell consisting of a gasket to prevent liquid leakage, insulation and short circuit prevention, and a metal cap as a conductor to package them. It is completed by stacking one or more unit cells (usually 2 to 6 in the case of coin type) configured as above in series and combining the two terminals of the anode and cathode.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비 축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다. 일반적으로, 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용되는 활성탄은 대략 1,500㎡/g 정도의 고비표면적 활성탄이 사용되고 있다.The performance of a supercapacitor is determined by the electrode active material and electrolyte, and in particular, major performances such as storage capacity are largely determined by the electrode active material. Activated carbon is mainly used as such electrode active material, and the specific capacitance based on commercially available electrodes is known to be up to 19.3 F/cc. Generally, activated carbon used as an electrode active material for supercapacitors is activated carbon with a high specific surface area of approximately 1,500 m2/g.
그러나, 슈퍼커패시터의 응용 분야의 확대에 따라 보다 높은 비축전용량과 에너지밀도가 요구되고 있어 보다 높은 축전용량을 발현하는 활성탄의 개발이 요구되고 있다.However, as the application field of supercapacitors expands, higher specific capacitance and energy density are required, so the development of activated carbon that exhibits higher capacitance is required.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0079546호(2018.07.11. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 바이오매스를 이용한 활성탄의 제조방법 및 이를 이용한 필터 제조방법이 기재되어 있다.Related prior literature includes Korean Patent Publication No. 10-2018-0079546 (published on July 11, 2018), which describes a method of manufacturing activated carbon using biomass and a method of manufacturing a filter using the same.
본 발명의 목적은 리그닌 분말을 전도성 고분자 용액 및 알칼리 수용액으로 합성하고 탄화 처리하여 한번에 질소를 도핑시킨 활성탄을 제조하는 것에 의해 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is to synthesize lignin powder with a conductive polymer solution and an aqueous alkaline solution and carbonize it to produce nitrogen-doped activated carbon at once, thereby providing a method for producing nitrogen-doped activated carbon that can simplify the manufacturing cost and process, and To provide a supercapacitor and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 (a) 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링하는 단계; (b) 상기 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 혼합하는 단계; (c) 상기 혼합된 혼합 용액을 필터링한 후, 세척하고 건조하는 단계; 및 (d) 상기 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a method for producing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention includes the steps of (a) adding lignin powder to an aqueous alkaline solution, stirring, and then filtering; (b) adding and stirring the lignin powder supported in the alkaline aqueous solution to the nitrogen-containing conductive polymer solution, then adding and mixing the iron precursor solution; (c) filtering the mixed solution, then washing and drying; and (d) carbonizing the dried product to obtain nitrogen-doped activated carbon.
상기 (a) 단계에서, 상기 리그닌 분말은 10 ~ 150 mesh의 평균 직경을 갖는 바이오매스가 파쇄된 것을 이용한다.In step (a), the lignin powder is crushed biomass with an average diameter of 10 to 150 mesh.
상기 (a) 단계에서, 상기 알칼리 수용액의 용질은 KOH, NaOH 및 CaCl2 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In step (a), the solute of the aqueous alkaline solution includes at least one selected from KOH, NaOH, and CaCl 2 .
상기 (b) 단계에서, 상기 질소를 함유한 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In step (b), the nitrogen-containing conductive polymer includes at least one selected from polypyrrole, polyaniline, and polyacrylonitrile.
상기 철 전구체 용액은 염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O), 구연산 제2철(FeC6H5O7), 구연산 제2철 수화물(FeC6H5O7·nH2O), 황산 제1철 7수화물(FeSO4·H2O), 옥살산 철 2수화물(FeC2O4·H2O), 철 아세틸아세토네이트(Fe(C5H7O2)3) 및 인산 제2철 2수화물(FePO4·H2O) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The iron precursor solution includes ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 ·6H 2 O), ferric citrate (FeC 6 H 5 O 7 ), and ferric citrate hydrate (FeC 6 H 5 O 7 ·nH 2 O). , ferrous sulfate heptahydrate (FeSO 4 ·H 2 O), iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 ·H 2 O), iron acetylacetonate (Fe(C 5 H 7 O 2 ) 3 ) and phosphoric acid agent. It contains one or more types selected from ferric dihydrate (FePO 4 ·H 2 O).
상기 (b) 단계에서, 상기 교반은 300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시한다.In step (b), the stirring is performed for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rpm.
상기 (c) 단계에서, 상기 건조는 50 ~ 80℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시한다.In step (c), the drying is performed at 50 to 80°C for 10 to 40 hours.
상기 (d) 단계에서, 상기 탄화 처리는 비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시한다.In step (d), the carbonization treatment is performed for 30 to 180 minutes at 800 to 1,000°C in an inert gas atmosphere.
상기 탄화 처리시, 승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시한다.During the carbonization treatment, the temperature increase rate is 5 to 15°C/min.
상기 비활성 가스는 Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용한다.The inert gas uses one or more of Ar, He, and N 2 .
상기 (d) 단계 이후, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된다.After step (d), the nitrogen-doped activated carbon is doped with 0.1 to 5.0 atomic% of nitrogen.
상기 (d) 단계 이후, 상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.After step (d), the nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고, 상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, 상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는, 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a supercapacitor according to an embodiment of the present invention has an anode and a cathode arranged to be spaced apart from each other, and a separator is disposed between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, The anode and cathode are impregnated with the electrolyte of the supercapacitor, each of the anode and cathode includes an electrode active material, a conductive material, and a binder, and at least one of the electrode active materials of the anode and cathode is nitrogen-doped activated carbon. , the nitrogen-doped activated carbon is characterized in that nitrogen is doped at 0.1 to 5.0 atomic%.
상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.The nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은 (a) 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며, 상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은, 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 한다.A supercapacitor manufacturing method according to an embodiment of the present invention to achieve the above object includes the steps of (a) mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium to prepare a composition for a supercapacitor electrode; (b) compressing the supercapacitor electrode composition to form an electrode, coating the supercapacitor electrode composition on a metal foil to form an electrode, or pressing the supercapacitor electrode composition with a roller to form a sheet. Forming an electrode by attaching it to a metal foil or current collector; (c) drying the resulting electrode-shaped product to form a supercapacitor electrode; and (d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, and impregnating the anode and the cathode with the electrolyte solution according to claim 1. It includes a step of doing so, and in step (a), nitrogen-doped activated carbon is used as the electrode active material, and the nitrogen-doped activated carbon is characterized by being doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic%.
상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.The nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
본 발명에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법은 리그닌 분말을 활성화 반응시 사용되는 알칼리 수용액으로 담지 처리한 후, 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액과 혼합시킨 다음 탄화 처리를 실시함으로써, 별도의 활성화 처리 없이 한번에 질소 도핑된 활성탄을 제조하는 것이 가능하므로 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있게 된다.The method for producing nitrogen-doped activated carbon according to the present invention, its supercapacitor, and its production method include treating lignin powder by supporting it with an aqueous alkaline solution used in an activation reaction, and then treating the lignin powder supported in the aqueous alkaline solution with a conductive polymer containing nitrogen. By mixing it with a solution and then performing carbonization treatment, it is possible to produce nitrogen-doped activated carbon at once without a separate activation treatment, thereby simplifying the manufacturing cost and process.
이 결과, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 고 비표면적을 확보할 수 있으면서, 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As a result, the nitrogen-doped activated carbon produced by the method according to the present invention can secure a high specific surface area of 500 ~ 3,500 m 2 /g, and by being doped with nitrogen at 0.1 ~ 5.0 atomic%, the electric power of the electrode active material Improved conductivity facilitates charge transfer in the electrolyte, improving the output characteristics of the supercapacitor.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 탄화 처리 전후의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 질소 흡-탈착 실험 결과를 나타낸 그래프.1 is a process flow chart showing a method for producing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a process flow chart showing a supercapacitor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a graph showing the results of XPS analysis before and after carbonization treatment for activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 9 is a graph showing the results of a nitrogen adsorption-desorption experiment on activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. The present embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is provided. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for producing nitrogen-doped activated carbon, a supercapacitor, and a method for producing the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
질소 도핑된 활성탄 제조 방법Method for producing nitrogen-doped activated carbon
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Figure 1 is a process flow chart showing a method for producing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 교반 및 필터링 단계(S10), 혼합 단계(S20), 세척 및 건조 단계(S30)와 탄화 처리 단계(S40)를 포함한다.As shown in Figure 1, the method for producing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention includes a stirring and filtering step (S10), a mixing step (S20), a washing and drying step (S30), and a carbonization step (S40). Includes.
교반 및 필터링Agitation and Filtering
교반 및 필터링 단계(S10)에서는 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링한다.In the stirring and filtering step (S10), lignin powder is added to the alkaline aqueous solution, stirred, and then filtered.
여기서, 리그닌 분말은 10 ~ 150 mesh의 평균 직경을 갖는 바이오매스가 파쇄된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 바이오매스로는 톱밥(sawdust), 볏짚, 폐목의 잔가지, 나뭇가지 및 우드 스크랩, 땅콩 껍질 등의 목질계 바이오매스, 녹조류 등을 그 예로 들 수 있다. 이러한 바이오매스는 주변에서 흔히 구할 수 있는 물질로서, 원료 확보가 용이한 장점이 있다.Here, it is preferable to use crushed biomass as the lignin powder with an average diameter of 10 to 150 mesh. Examples of such biomass include lignocellulosic biomass such as sawdust, rice straw, twigs of waste wood, twigs and wood scraps, peanut shells, and green algae. Such biomass is a material that is commonly available nearby, and has the advantage of being easy to secure as a raw material.
바이오매스의 경우, 셀룰로즈, 헤미셀룰로즈 및 리그닌으로 구성되어 있다. 바이오매스는 펄프나 바이오 연료 등의 다양한 산업에서 그 쓰임새가 증가하는 추세이다. 바이오 연료 산업에서는 바이오매스 구성성분 중 셀룰로즈만이 당화를 거쳐 사용될 수 있는데, 헤미셀룰로즈의 경우에는 생산 중 제거가 되며, 이때 헤미셀룰로즈가 빠져 나가면서 구조가 풀어지고 공극이 생겨 활성탄 제조시 유리한 상태가 되어, 잔사 리그닌을 효과적으로 이용할 수 있다.In the case of biomass, it consists of cellulose, hemicellulose and lignin. The use of biomass is increasing in various industries such as pulp and biofuel. In the biofuel industry, among the biomass components, only cellulose can be used after saccharification. In the case of hemicellulose, it is removed during production. At this time, as the hemicellulose escapes, the structure is loosened and voids are created, making it an advantageous state for producing activated carbon. This allows residual lignin to be effectively used.
본 단계에서, 알칼리 수용액은 리그닌 분말에 담지되어, 탄화 처리시 활성화 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 이를 위해, 알칼리 수용액은 0.8 ~ 1.2M의 농도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.In this step, the alkaline aqueous solution is supported on the lignin powder and serves to promote the activation reaction during carbonization treatment. For this purpose, it is preferable to use an aqueous alkaline solution having a concentration of 0.8 to 1.2M.
알칼리 수용액의 용질로는 KOH, NaOH 및 CaCl2 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 알칼리 수용액의 용매로는 물을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링하는 것에 의해 알칼리 수용액이 담지된 리그닌 분말을 수득할 수 있게 된다.The solute of the aqueous alkaline solution may include one or more selected from KOH, NaOH, and CaCl 2 , and the solvent of the aqueous alkaline solution may include water. As such, in the present invention, lignin powder carrying an aqueous alkaline solution can be obtained by adding lignin powder to an aqueous alkaline solution, stirring it, and then filtering it.
본 단계에서, 교반은 200 ~ 1,000rmp의 속도로 교반하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 200rpm 미만일 경우에는 리그닌 분말의 표면에 알칼리 수용액이 균일하게 담지되지 못할 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 1,000rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In this step, it is preferable to stir at a speed of 200 to 1,000 rmp. If the stirring speed is less than 200 rpm, there is a risk that the aqueous alkaline solution may not be uniformly supported on the surface of the lignin powder. Conversely, if the stirring speed exceeds 1,000 rpm, it may act as a factor that only increases manufacturing costs without any further effect, making it uneconomical.
혼합mix
혼합 단계(S20)에서는 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 혼합한다.In the mixing step (S20), the lignin powder supported in the alkaline aqueous solution is added to the nitrogen-containing conductive polymer solution and stirred, and then the iron precursor solution is added and mixed.
여기서, 질소를 함유한 전도성 고분자 용액은 질소를 함유한 전도성 고분자를 물에 혼합한 것이 이용될 수 있다. 이러한 질소를 함유한 전도성 고분자 용액은 0.1 ~ 0.3M의 농도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.Here, the nitrogen-containing conductive polymer solution may be a mixture of nitrogen-containing conductive polymer mixed with water. It is preferable to use such a conductive polymer solution containing nitrogen at a concentration of 0.1 to 0.3 M.
이때, 질소를 함유한 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.At this time, the nitrogen-containing conductive polymer includes one or more selected from polypyrrole, polyaniline, and polyacrylonitrile.
아울러, 철 전구체 용액은 염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O), 구연산 제2철(FeC6H5O7), 구연산 제2철 수화물(FeC6H5O7·nH2O), 황산 제1철 7수화물(FeSO4·H2O), 옥살산 철 2수화물(FeC2O4·H2O), 철 아세틸아세토네이트(Fe(C5H7O2)3) 및 인산 제2철 2수화물(FePO4·H2O) 중 선택된 1종 이상을 포함한다. 이러한 철 전구체 용액은 0.3 ~ 0.7M의 농도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.In addition, the iron precursor solution includes ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 ·6H 2 O), ferric citrate (FeC 6 H 5 O 7 ), and ferric citrate hydrate (FeC 6 H 5 O 7 ·nH 2 O). ), ferrous sulfate heptahydrate (FeSO 4 ·H 2 O), iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 ·H 2 O), iron acetylacetonate (Fe(C 5 H 7 O 2 ) 3 ) and phosphoric acid. It includes at least one selected from ferric dihydrate (FePO 4 ·H 2 O). It is preferable to use such an iron precursor solution having a concentration of 0.3 to 0.7M.
본 단계에서, 교반은 300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 300rpm 미만이거나, 교반 시간이 10분 미만일 경우에는 분산안정성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 교반 속도가 2,000rpm을 초과하거나, 교반 시간이 180분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 공정 비용 및 시간만을 증가시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.In this step, stirring is preferably performed for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rpm. If the stirring speed is less than 300 rpm or the stirring time is less than 10 minutes, there may be difficulties in securing dispersion stability. On the other hand, if the stirring speed exceeds 2,000 rpm or the stirring time exceeds 180 minutes, it is not economical because it only increases process cost and time without further increasing the effect.
세척 및 건조Wash and dry
세척 및 건조 단계(S30)에서는 혼합된 혼합 용액을 필터링한 후, 세척하고 건조한다.In the washing and drying step (S30), the mixed solution is filtered, washed, and dried.
본 단계에서, 세척은 증류수를 이용하여 적어도 3회 이상 반복 실시하는 것이 바람직하다.In this step, it is desirable to repeat washing at least three times using distilled water.
아울러, 건조는 50 ~ 80℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 50℃ 미만이거나, 건조 시간이 10시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 않아 기계적 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 건조 온도가 80℃를 초과하거나, 건조 시간이 40시간을 초과할 경우에는 더 이상이 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In addition, drying is preferably performed at 50 to 80°C for 10 to 40 hours. If the drying temperature is less than 50°C or the drying time is less than 10 hours, sufficient drying may not occur, which may lead to difficulties in securing mechanical strength. Conversely, if the drying temperature exceeds 80°C or the drying time exceeds 40 hours, it may act as a factor that increases manufacturing costs without further increasing the effectiveness, making it uneconomical.
탄화 처리Carbonization treatment
탄화 처리 단계(S40)에서는 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득한다.In the carbonization step (S40), the dried result is carbonized to obtain nitrogen-doped activated carbon.
여기서, 탄화 처리는 비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 탄화 처리시, 승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시하는 것이 바람직하다.Here, the carbonization treatment is preferably performed for 30 to 180 minutes at 800 to 1,000°C in an inert gas atmosphere. During carbonization treatment, the temperature increase rate is preferably 5 to 15°C/min.
이러한 탄화 처리시 비활성 가스는 Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용하고, 비활성 가스는 200 ~ 700cc/mm의 속도로 공급하는 것이 바람직하다.During this carbonization treatment, it is preferable to use one or more of Ar, He, and N 2 as the inert gas, and to supply the inert gas at a rate of 200 to 700 cc/mm.
이와 같이, 본 발명에서는 리그닌 분말을 활성화 반응시 사용되는 알칼리 수용액으로 담지 처리한 후, 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액과 혼합시킨 다음 탄화 처리를 실시함으로써, 한번에 질소 도핑된 활성탄을 제조하는 것이 가능하므로 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있게 된다.In this way, in the present invention, lignin powder is supported in an aqueous alkaline solution used in the activation reaction, and then the lignin powder supported in the aqueous alkaline solution is mixed with a conductive polymer solution containing nitrogen and then subjected to carbonization treatment, thereby performing nitrogen doping at once. Since it is possible to manufacture activated carbon, it is possible to simplify manufacturing costs and processes.
이러한 탄화 처리 단계(S40) 이후, 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된다. 아울러, 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.After this carbonization treatment step (S40), the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic%. In addition, nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 리그닌 분말을 활성화 반응시 사용되는 알칼리 수용액으로 담지 처리한 후, 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액과 혼합시킨 다음 탄화 처리를 실시함으로써, 별도의 활성화 처리 없이 한번에 질소 도핑된 활성탄을 제조하는 것이 가능하므로 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있게 된다.The method for producing nitrogen-doped activated carbon according to the above-described embodiment of the present invention involves treating lignin powder by supporting it with an aqueous alkaline solution used in the activation reaction, and then mixing the lignin powder supported in the aqueous alkaline solution with a conductive polymer solution containing nitrogen. By performing the following carbonization treatment, it is possible to produce nitrogen-doped activated carbon at once without a separate activation treatment, thereby simplifying the manufacturing cost and process.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 고 비표면적을 확보할 수 있으면서, 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As a result, the nitrogen-doped activated carbon produced by the method according to the embodiment of the present invention can secure a high specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g, and by being doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic%, the electrode Improving the electrical conductivity of the active material facilitates charge transfer in the electrolyte, thereby improving the output characteristics of the supercapacitor.
슈퍼커패시터 및 그 제조 방법Supercapacitor and its manufacturing method
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Figure 2 is a process flow chart showing a supercapacitor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110), 전극 형태로 형성 단계(S120), 슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130) 및 전해액 함침 단계(S140)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the method for manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a composition for a supercapacitor electrode (S110), a step of forming into an electrode shape (S120), a step of forming a supercapacitor electrode (S130), and an electrolyte solution. Includes an impregnation step (S140).
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성Formation of compositions for supercapacitor electrodes
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110)에서는 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.In the step of forming a composition for supercapacitor electrodes (S110), a composition for supercapacitor electrodes is prepared by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium.
전극활물질, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.A composition for a supercapacitor electrode containing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium is prepared.
슈퍼커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 전극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 200 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.The composition for supercapacitor electrodes includes an electrode active material, 2 to 20 parts by weight of a conductive material per 100 parts by weight of the electrode active material, 2 to 20 parts by weight of a binder per 100 parts by weight of the electrode active material, and 200 to 300 parts by weight of a dispersion medium per 100 parts by weight of the electrode active material. It is desirable to include wealth.
이러한 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분 ~ 12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.Since this composition for supercapacitor electrodes is in the form of a paste, uniform mixing (complete dispersion) may be difficult. It may be difficult to mix (completely disperse) the composition for a predetermined period of time (e.g., 10 minutes to 12 hours) using a mixer such as a planetary mixer. By stirring for a while, a composition for supercapacitor electrodes suitable for electrode production can be obtained. Mixers such as planetary mixers enable the preparation of uniformly mixed compositions for supercapacitor electrodes.
전극활물질은, 도 1을 참조하여 설명한 질소 도핑된 활성탄 제조 방법에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용된다. 이러한 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된다. 이와 같이, 본 발명의 전극활물질은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As the electrode active material, nitrogen-doped activated carbon produced by the nitrogen-doped activated carbon production method described with reference to FIG. 1 is used. This nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic percent. In this way, the electrode active material of the present invention is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic percent, thereby improving the electrical conductivity of the electrode active material, facilitating charge transfer in the electrolyte solution and improving the output characteristics of the supercapacitor.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The binder is polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidenefloride (PVdF), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinyl butyral (PVB). ; polyvinylpyrrolidone (PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), styrene butadiene rubber (SBR), polyamide-imide, polyimide, etc. One selected type or a mixture of two or more types can be used.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not cause chemical changes. Examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Super-P black, carbon fiber, copper, nickel, Metal powders such as aluminum and silver or metal fibers can be used.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.The dispersion medium may be an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene glycol (PG), or water.
전극 형태로 형성Formed in the form of an electrode
전극 형태로 형성 단계(S120)에서는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.In the forming step (S120), the supercapacitor electrode composition is compressed to form an electrode, the supercapacitor electrode composition is coated on a metal foil to form an electrode, or the supercapacitor electrode composition is pressed with a roller to form a sheet. It is made into a state and attached to a metal foil or current collector to form an electrode.
전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150℃로 하는 것이 바람직하다.To describe an example of the forming step in the form of an electrode in more detail, the composition for supercapacitor electrodes can be molded by compression using a roll press molding machine. The purpose of the roll press forming machine is to improve electrode density and control the thickness of the electrode through rolling. It has a controller that can control the thickness and heating temperature of the upper and lower rolls and the roll, and a winding device that can unwind and wind the electrode. It is made up of parts. The rolling process proceeds as the electrode in the roll state passes through the roll press, and then it is wound again in the roll state to complete the electrode. At this time, it is desirable that the pressing pressure of the press is 5 to 20 ton/cm2 and the temperature of the roll is 0 to 150°C.
또한, 전극 형태로 형성하는 다른 예를 살펴보면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.In addition, looking at another example of forming in the form of an electrode, the composition for supercapacitor electrodes is coated on metal foil such as titanium foil (Ti foil), aluminum foil (Al foil), and aluminum etching foil (Al etching foil). Alternatively, the composition for supercapacitor electrodes can be pushed with a roller into a sheet (rubber type) and attached to a metal foil or metal current collector to form an electrode. Here, aluminum etched foil means aluminum foil etched into an uneven shape.
슈퍼커패시터 전극 형성Supercapacitor electrode formation
슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130)에서는 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성한다.In the supercapacitor electrode forming step (S130), the resulting electrode-shaped product is dried to form a supercapacitor electrode.
프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.The composition for supercapacitor electrodes that has gone through the press compression process goes through a drying process. The drying process is performed at a temperature of 100 to 350°C, preferably 150°C to 300°C. At this time, if the drying temperature is less than 100°C, it is undesirable because evaporation of the dispersion medium is difficult, and if the drying temperature exceeds 350°C, it is undesirable because oxidation of the conductive material may occur. Therefore, it is preferable that the drying temperature is at least 100°C or higher and does not exceed 350°C. Additionally, the drying process is preferably carried out at the above temperature for 10 minutes to 6 hours. This drying process dries (evaporates the dispersion medium) the molded supercapacitor electrode composition and simultaneously binds the powder particles to improve the strength of the supercapacitor electrode.
한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the electrode is formed in another example in the form of an electrode, it is preferable to dry at a temperature of 100 to 250°C, preferably 150 to 200°C.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.The supercapacitor electrode manufactured through the above process (S110 to S130) has high capacity and can be usefully applied to small coin-type supercapacitors.
전해액 함침Electrolyte impregnation
전해액 함침 단계(S140)에서는 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 양극 및 음극을 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시킨다.In the electrolyte impregnation step (S140), supercapacitor electrodes are used as the anode and cathode, a separator is placed between the anode and cathode to prevent short circuit of the anode and cathode, and the anode and cathode are impregnated with the electrolyte solution of the supercapacitor.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은, 상술한 바와 같이, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함하는 것이 이용된다.Here, the electrolyte solution of the supercapacitor is used, as described above, containing a non-aqueous electrolyte solution and an ionic liquid added in an amount of 1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte solution.
이에 따라, 본 발명에서는 비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있게 된다.Accordingly, in the present invention, it is possible to manufacture a supercapacitor with a high specific capacitance by using an electrolyte solution in which additives are added to a non-aqueous electrolyte solution and an ionic liquid.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.This will be described in more detail with reference to the attached drawings below.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도이다.Figure 3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 3에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.In FIG. 3,
코인형 슈퍼커패시터는 양극(120) 및 음극(110)과, 양극(120) 및 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다. The coin-type supercapacitor is disposed between the
분리막(160)은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The
한편, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도로, 이를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.Meanwhile, Figures 4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention, and with reference to this, a method of manufacturing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention will be described in detail.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.The method of manufacturing the cathode and anode compositions for supercapacitors is the same as the method described above.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 구리 호일(Cu foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다. The cathode and anode compositions for supercapacitors are coated on metal foil such as copper foil, aluminum foil, or aluminum etching foil, or the composition for supercapacitor electrodes is applied with a roller. It is pushed into a sheet (rubber type) and attached to a metal foil or current collector to form the positive and negative electrodes.
이러한 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다.The anode and cathode shapes that have gone through these processes undergo a drying process. The drying process is performed at a temperature of 100 to 350°C, preferably 150 to 300°C. At this time, if the drying temperature is less than 100°C, it is undesirable because evaporation of the dispersion medium is difficult, and if the drying temperature exceeds 350°C, it is undesirable because oxidation of the conductive material may occur. Therefore, it is preferable that the drying temperature is at least 100°C or higher and does not exceed 350°C.
그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.Additionally, the drying process is preferably carried out at the above temperature for 10 minutes to 6 hours. This drying process dries the composition for supercapacitor electrodes (evaporates the dispersion medium) and at the same time binds the powder particles to improve the strength of the supercapacitor electrode.
도 4에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다. As shown in FIG. 4, lead
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.Next, as shown in FIG. 5, the
양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160) 각각은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스)(190)에 삽착시킨다. Next, as shown in FIG. 6, a sealing
롤 형태의 권취소자(175)가 함침되 전해액을 주입하고, 밀봉한다.The roll-shaped winding
이와 같이, 제작된 슈퍼커패시터를 도 7에 개략적으로 나타내었다.In this way, the manufactured supercapacitor is schematically shown in FIG. 7.
상술한 바와 같이 제조된 슈퍼커패시터(100)는 양극(120)과 음극(110)이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극(120)과 음극(110) 사이에 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하기 위한 분리막(150, 160)이 배치되며, 양극(120) 및 음극(110)은 전해액에 함침되어 있다.In the
여기서, 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다. 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Here, the electrolyte solution includes a non-aqueous electrolyte solution and 1 to 25 parts by weight of an ionic liquid based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte solution, and the non-aqueous electrolyte solution includes an organic solvent and lithium salt LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) and LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), sodium salt NaPF 6 (sodium hexafluorophosphate), NaDFOB (sodium difluoro(oxalate)borate) and potassium salt KFSI (potassium bis(fluorosulfonyl) imide) and KPF 6 (potassium hexafluorophosphate). Organic solvents include acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, 2 -It may contain one or more substances selected from the group consisting of methyltetrahydrofuran, butyrolactone, and dimethylformamide.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Ionic liquids include EMITf 2 N (1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf 2 N (1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), and BMIMBF 4. (1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF 4 (1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf 2 N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF 4 (N-(2-Methoxyethyl)-N -methylpyrrolidinium tetrafloroborate) and DEMEBF 4 (N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetrafloroborate).
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Any information not described here can be technically inferred by anyone skilled in the art, so description thereof will be omitted.
1. 시료 제조1. Sample preparation
실시예 1Example 1
리그닌 분말을 1M KOH 수용액에 첨가하고 1시간 동안 교반한 후, 필터링하였다.Lignin powder was added to 1M KOH aqueous solution, stirred for 1 hour, and then filtered.
다음으로, KOH 수용액에 담지된 리그닌 분말을 0.2M 폴리피롤(polypyrrole) 용액에 첨가하고 1,000rpm의 속도로 60분 동안 교반한 후, 0.5M 의 염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O)을 추가로 첨가하고 교반하여 2시간 동안 혼합하였다.Next, the lignin powder supported in the KOH aqueous solution was added to the 0.2M polypyrrole solution and stirred at a speed of 1,000 rpm for 60 minutes, then 0.5M of ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 6H 2 O) was added. was further added and stirred for 2 hours.
다음으로, 혼합된 혼합 용액을 필터링한 후 증류수로 5회 세척한 후, 60℃에서 24시간 동안 건조하였다.Next, the mixed solution was filtered, washed five times with distilled water, and dried at 60°C for 24 hours.
다음으로, 건조된 결과물을 도가니에 장입한 상태에서, 300cc/min의 유량으로 Ar 가스를 흘려 비활성 분위기로 유지시킨 후, 10℃/min의 승온속도로 900℃까지 승온시킨 상태에서 1시간 동안 탄화 처리를 실시하여 질소 도핑된 활성탄을 제조하였다.Next, the dried result was charged into a crucible, maintained in an inert atmosphere by flowing Ar gas at a flow rate of 300 cc/min, and carbonized for 1 hour while raising the temperature to 900°C at a temperature increase rate of 10°C/min. Treatment was performed to prepare nitrogen-doped activated carbon.
비교예 1Comparative Example 1
리그닌 분말을 바로 도가니에 장입한 상태에서, 300cc/min의 유량으로 Ar 가스를 흘려 비활성 분위기로 유지시킨 후, 10℃/min의 승온속도로 900℃까지 승온시킨 상태에서 1시간 동안 탄화 처리를 실시하여 활성탄을 제조하였다.The lignin powder was immediately charged into the crucible, maintained in an inert atmosphere by flowing Ar gas at a flow rate of 300 cc/min, and then carbonized for 1 hour while raising the temperature to 900°C at a temperature increase rate of 10°C/min. Activated carbon was prepared.
2. XPS 분석2. XPS analysis
표 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 탄화 처리 전후의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Table 1 shows the XPS analysis results for the activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, and Figure 8 shows the XPS analysis results for the activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 before and after carbonization treatment. It's a graph.
[표 1][Table 1]
표 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, XPS 분석 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 활성탄은 C, O 및 N이 검출되었으며, N이 2.1at%로 도핑된 것을 확인하였다.As shown in Table 1 and Figure 8, as can be seen from the XPS analysis results, C, O, and N were detected in the activated carbon prepared according to Example 1, and it was confirmed that N was doped at 2.1 at%.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 활성탄은 C 및 O만 검출되고, N이 검출되지 않았다.On the other hand, in the activated carbon prepared according to Comparative Example 1, only C and O were detected, and N was not detected.
3. 물성 평가3. Physical property evaluation
표 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이고, 도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 질소 흡-탈착 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 활성탄의 기공 구조를 확인하고자 가스 분석기(Belsorp-Mini II, BEL, Japan)를 사용하였고, 질소 흡-탈착 등온선으로부터 BET 방법(Brunauer-Emmett-Teller method)을 이용하여 비표면적과 기공사이즈 분포도를 얻었다.Table 2 shows the physical property evaluation results for the activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, and Figure 9 is a graph showing the results of the nitrogen adsorption-desorption experiment for the activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. am. At this time, a gas analyzer (Belsorp-Mini II, BEL, Japan) was used to check the pore structure of activated carbon, and the specific surface area and pore size distribution were determined from the nitrogen adsorption-desorption isotherm using the BET method (Brunauer-Emmett-Teller method). got it
[표 2] [Table 2]
표 2 및 도 9에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 활성탄이 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 비하여 비표면적 값이 확연히 증가한 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 2 and Figure 9, it can be seen that the specific surface area value of the activated carbon prepared according to Example 1 was significantly increased compared to the activated carbon prepared according to Comparative Example 1.
아울러, 실시예 1에 따라 제조된 활성탄이 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 비하여, 질소 흡착량이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the amount of nitrogen adsorption of the activated carbon prepared according to Example 1 was significantly increased compared to the activated carbon prepared according to Comparative Example 1.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above description focuses on the embodiments of the present invention, various changes and modifications can be made at the level of a person skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. These changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of rights of the present invention should be determined by the claims described below.
S10 : 교반 및 필터링 단계
S20 : 혼합 단계
S30 : 세척 및 건조 단계
S40 : 탄화 처리 단계S10: Stirring and filtering step
S20: mixing step
S30: Washing and drying step
S40: Carbonization treatment step
Claims (16)
(b) 상기 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 혼합하는 단계;
(c) 상기 혼합된 혼합 용액을 필터링한 후, 세척하고 건조하는 단계; 및
(d) 상기 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
(a) adding lignin powder to an aqueous alkaline solution, stirring, and then filtering;
(b) adding and stirring the lignin powder supported in the alkaline aqueous solution to the nitrogen-containing conductive polymer solution, then adding and mixing the iron precursor solution;
(c) filtering the mixed solution, then washing and drying; and
(d) carbonizing the dried product to obtain nitrogen-doped activated carbon;
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, comprising:
상기 (a) 단계에서,
상기 리그닌 분말은
10 ~ 150 mesh의 평균 직경을 갖는 바이오매스가 파쇄된 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (a) above,
The lignin powder is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that it uses crushed biomass having an average diameter of 10 to 150 mesh.
상기 (a) 단계에서,
상기 알칼리 수용액의 용질은
KOH, NaOH 및 CaCl2 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (a) above,
The solute of the alkaline aqueous solution is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, comprising at least one selected from KOH, NaOH, and CaCl 2 .
상기 (b) 단계에서,
상기 질소를 함유한 전도성 고분자는
폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (b) above,
The nitrogen-containing conductive polymer is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, comprising at least one selected from polypyrrole, polyaniline, and polyacrylonitrile.
상기 (b) 단계에서,
상기 철 전구체 용액은
염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O), 구연산 제2철(FeC6H5O7), 구연산 제2철 수화물(FeC6H5O7·nH2O), 황산 제1철 7수화물(FeSO4·H2O), 옥살산 철 2수화물(FeC2O4·H2O), 철 아세틸아세토네이트(Fe(C5H7O2)3) 및 인산 제2철 2수화물(FePO4·H2O) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (b) above,
The iron precursor solution is
Ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 ·6H 2 O), ferric citrate (FeC 6 H 5 O 7 ), ferric citrate hydrate (FeC 6 H 5 O 7 ·nH 2 O), ferrous sulfate Heptahydrate (FeSO 4 ·H 2 O), iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 ·H 2 O), iron acetylacetonate (Fe(C 5 H 7 O 2 ) 3 ) and ferric phosphate dihydrate ( A method for producing nitrogen-doped activated carbon, comprising at least one selected from FePO 4 ·H 2 O).
상기 (b) 단계에서,
상기 교반은
300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (b) above,
The stirring is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that it is carried out at a speed of 300 to 2,000 rpm for 10 to 180 minutes.
상기 (c) 단계에서,
상기 건조는
50 ~ 80℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (c) above,
The drying is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that it is carried out at 50 to 80 ° C. for 10 to 40 hours.
상기 (d) 단계에서,
상기 탄화 처리는
비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (d) above,
The carbonization treatment is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that it is carried out in an inert gas atmosphere at 800 to 1,000°C for 30 to 180 minutes.
상기 탄화 처리시,
승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to clause 8,
During the carbonization treatment,
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that the temperature increase rate is carried out at 5 to 15°C/min.
상기 비활성 가스는
Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to clause 8,
The inert gas is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that one or more of Ar, He, and N 2 is used.
상기 (d) 단계 이후,
상기 질소 도핑된 활성탄은
질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
After step (d) above,
The nitrogen-doped activated carbon is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that nitrogen is doped at 0.1 to 5.0 atomic%.
상기 (d) 단계 이후,
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
After step (d) above,
The nitrogen-doped activated carbon is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that it has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며,
상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는,
제1항 내지 제12항 중 어느 항에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
The anode and the cathode are arranged to be spaced apart from each other, a separator is disposed between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, and the anode and cathode are impregnated in the electrolyte of the supercapacitor,
Each of the positive and negative electrodes includes an electrode active material, a conductive material, and a binder,
At least one of the electrode active materials of the positive and negative electrodes is,
A supercapacitor using nitrogen-doped activated carbon prepared according to any one of claims 1 to 12, wherein the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic percent.
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
According to clause 13,
The nitrogen-doped activated carbon is
A supercapacitor characterized by having a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
(b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
(c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은,
제1항 내지 제12항 중 어느 항에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
(a) preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium;
(b) compressing the supercapacitor electrode composition to form an electrode, coating the supercapacitor electrode composition on a metal foil to form an electrode, or pressing the supercapacitor electrode composition with a roller to form a sheet. Forming an electrode by attaching it to a metal foil or current collector;
(c) drying the resulting electrode-shaped product to form a supercapacitor electrode; and
(d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, and impregnating the anode and the cathode with the electrolyte solution according to claim 1. It includes steps;
In step (a), the electrode active material is,
A method of manufacturing a supercapacitor, wherein nitrogen-doped activated carbon produced according to any one of claims 1 to 12 is used, and the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic%.
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.According to clause 15,
The nitrogen-doped activated carbon is
A method of manufacturing a supercapacitor, characterized in that it has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Materials Chemistry and Physics 213 (2018) 352-361* |
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