KR20030059843A - 다공성 일체형 탄소의 제조 방법, 그러한 방법에 의하여제조된 다공성 일체형 탄소 및 그러한 다공성 일체형탄소의 전기 이중층 캐패시터에의 응용 - Google Patents
다공성 일체형 탄소의 제조 방법, 그러한 방법에 의하여제조된 다공성 일체형 탄소 및 그러한 다공성 일체형탄소의 전기 이중층 캐패시터에의 응용 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20030059843A KR20030059843A KR1020010086770A KR20010086770A KR20030059843A KR 20030059843 A KR20030059843 A KR 20030059843A KR 1020010086770 A KR1020010086770 A KR 1020010086770A KR 20010086770 A KR20010086770 A KR 20010086770A KR 20030059843 A KR20030059843 A KR 20030059843A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- porous
- carbon
- polymer
- molar ratio
- surfactant
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 25
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 title description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 92
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 80
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 36
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 19
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 11
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims abstract description 4
- 125000002485 formyl group Chemical class [H]C(*)=O 0.000 claims abstract 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 58
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical group [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 20
- GHMLBKRAJCXXBS-UHFFFAOYSA-N resorcinol Chemical compound OC1=CC=CC(O)=C1 GHMLBKRAJCXXBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 15
- -1 alkyltrimethyl ammonium halides Chemical class 0.000 claims description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 11
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 10
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 10
- LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M Cetrimonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 9
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 8
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 8
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 239000000693 micelle Substances 0.000 claims description 6
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N Acetaldehyde Chemical compound CC=O IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 claims description 3
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 claims description 3
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 claims description 3
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 claims description 3
- WOWHHFRSBJGXCM-UHFFFAOYSA-M cetyltrimethylammonium chloride Chemical compound [Cl-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C WOWHHFRSBJGXCM-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N melamine Chemical compound NC1=NC(N)=NC(N)=N1 JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 3
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000527 sonication Methods 0.000 claims description 3
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 claims description 3
- WRIDQFICGBMAFQ-UHFFFAOYSA-N (E)-8-Octadecenoic acid Natural products CCCCCCCCCC=CCCCCCCC(O)=O WRIDQFICGBMAFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DTMARTPDQMQTRX-VGKOASNMSA-J (z)-4-[dichloro-[(z)-4-oxopent-2-en-2-yl]oxystannyl]oxypent-3-en-2-one Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Sn+4].C\C([O-])=C\C(C)=O.C\C([O-])=C\C(C)=O DTMARTPDQMQTRX-VGKOASNMSA-J 0.000 claims description 2
- LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 20:1omega9c fatty acid Natural products CCCCCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QSBYPNXLFMSGKH-UHFFFAOYSA-N 9-Heptadecensaeure Natural products CCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O QSBYPNXLFMSGKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000005642 Oleic acid Substances 0.000 claims description 2
- ZQPPMHVWECSIRJ-UHFFFAOYSA-N Oleic acid Natural products CCCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O ZQPPMHVWECSIRJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000003973 alkyl amines Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000003945 anionic surfactant Substances 0.000 claims description 2
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 2
- 239000003093 cationic surfactant Substances 0.000 claims description 2
- XJWSAJYUBXQQDR-UHFFFAOYSA-M dodecyltrimethylammonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C XJWSAJYUBXQQDR-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- QXJSBBXBKPUZAA-UHFFFAOYSA-N isooleic acid Natural products CCCCCCCC=CCCCCCCCCC(O)=O QXJSBBXBKPUZAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N oleic acid Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC(O)=O ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N 0.000 claims description 2
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims 3
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 claims 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 abstract 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 25
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 20
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 13
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N methanone Chemical compound O=[14CH2] WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 8
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 5
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N furfuryl alcohol Chemical compound OCC1=CC=CO1 XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 2
- 239000008119 colloidal silica Substances 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Chemical compound [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 2
- 238000002525 ultrasonication Methods 0.000 description 2
- DGXAGETVRDOQFP-UHFFFAOYSA-N 2,6-dihydroxybenzaldehyde Chemical compound OC1=CC=CC(O)=C1C=O DGXAGETVRDOQFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QGHDLJAZIIFENW-UHFFFAOYSA-N 4-[1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-(4-hydroxy-3-prop-2-enylphenyl)propan-2-yl]-2-prop-2-enylphenol Chemical group C1=C(CC=C)C(O)=CC=C1C(C(F)(F)F)(C(F)(F)F)C1=CC=C(O)C(CC=C)=C1 QGHDLJAZIIFENW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920013683 Celanese Polymers 0.000 description 1
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 description 1
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002655 kraft paper Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000012044 organic layer Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004323 potassium nitrate Substances 0.000 description 1
- 235000010333 potassium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L potassium sulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S([O-])(=O)=O OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011151 potassium sulphates Nutrition 0.000 description 1
- 238000012673 precipitation polymerization Methods 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000004317 sodium nitrate Substances 0.000 description 1
- 235000010344 sodium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000000352 supercritical drying Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 125000005207 tetraalkylammonium group Chemical group 0.000 description 1
- CBXCPBUEXACCNR-UHFFFAOYSA-N tetraethylammonium Chemical compound CC[N+](CC)(CC)CC CBXCPBUEXACCNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QEMXHQIAXOOASZ-UHFFFAOYSA-N tetramethylammonium Chemical compound C[N+](C)(C)C QEMXHQIAXOOASZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
본 발명은 다공성 일체형 탄소의 제조 방법 및 그러한 방법에 의하여 제조되어 기공 직경이 1nm 내지 50μm인 다공성 일체형 탄소에 관한 것이다.
본 발명의 제조 방법은
a) 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기 단량체, 알데히드 및 계면 활성제를 물에 녹인 후, 산성도를 pH 5∼14 로 조절하여 용액을 제조하는 단계,
b) 상기 단계 a)에서 제조된 용액을 교반하는 단계,
c) 상기 단계 b)에서 교반된 용액을 30 내지 200℃의 온도에서 중합하는 단계,
d) 상기 단계 c)에서 중합된 다공성 일체형 고분자 중합체를 건조하는 단계, 및
e) 상기 단계 d)에서 건조된 다공성 일체형 고분자 중합체를 불활성 분위기에서 500 내지 3000℃ 온도로 열처리하여 탄화시키는 단계를 포함한다.
또한 본 발명은 상기의 방법으로 제조된 다공성 일체형 탄소를 전극 물질로 사용하는 전기 이중층 캐패시터를 제공한다.
본 발명에서 얻어지는 다공성 일체형 탄소는 기공의 크기와 크기 분포를 쉽게 조절할 수 있기 때문에, 필터, 바이오 반응기, 전기 이중층 캐패시터 등 여러 용도에 응용할 수 있다. 특히, 전기 이중층 캐패시터로 이용될 때, 일체형이기 때문에 전극 제조시 결합제 또는 도전재가 필요 없다.
Description
본 발명은 다공성 일체형 탄소의 제조 방법, 그러한 방법에 의하여 제조되어 기공 직경이 1 nm 내지 50μm 인 다공성 일체형 탄소 및 그러한 다공성 일체형 탄소의 전기 이중층 캐패시터에의 응용에 관한 것이다.
탄소 재료는 전기 이중층 캐패시터(EDLC : electric double layer capacitor)의 전극 재료로 이용된다. 전기 이중층 캐패시터는 전극과 전해질의 계면에 형성되는 전기 이중층(electric double layer)에서, 전해질 상에는 이온들을, 전극 상에는 전자를 충전시킴으로써 전하를 충전하는 장치이다.
전기 이중층 캐패시터의 캐패시턴스(capacitance)는 전극의 비표면적에 비례하므로, 전극 재료로서 비표면적이 큰 다공성 물질이 활용되고 있다. 그러나 기공의 크기가 너무 작으면 전해질과의 접촉이 원활하지 못하게 되어 전기 이중층을 형성할 수 없으므로, 일반적으로 기공의 직경이 2 nm이상인 메조포어를 갖는 물질이 전극 재료로서 선호되고 있다. 구체적으로 수용액계 전기 이중층 캐패시터의 전극으로는 기공 직경이 2㎚ 이상, 비수용액계 전기 이중층 캐패시터의 전극으로는 기공 직경이 5㎚ 이상인 물질이 바람직하다.
한편, 전기 이중층 캐패시터는 이중층 캐패시턴스(double layer capacitance)와 등가 직렬 저항(ESR ; equivalent series resistance)이 직렬로 연결된 등가회로를 갖는다. 이 때, ESR은 전극의 저항, 전해질 용액의 저항 및 전극 기공내 전해질 저항의 합으로써, ESR이 증가할수록 전하의 저장 용량은 감소하며, 이러한 현상은 전류밀도가 클수록 심해진다. 따라서 전기 이중층 캐패시터의 장점인 고출력 특성을 발휘하기 위해서는 전극의 저항이 작아야 한다.
현재 널리 이용되고 있는 전기 이중층 캐패시터의 전극 재료는 분말 형태의 활성탄(activated carbon) 내지 활성탄소 섬유이다. 활성탄은 비표면적이 크기 때문에 큰 캐패시턴스를 갖는다. 그러나 기공이 메조포어(2 내지 50 nm) 뿐 아니라 마이크로 포어(2nm 이하)인 것도 포함되어 있어서 마이크로 포어가 발달된 탄소의 표면은 전기 이중층을 형성하기 어렵게 된다. 또한, 탄소의 형상이 입자이거나 섬유상이기 때문에 극판을 성형할 때 결합제나 도전재가 필요하다. 이와 같이, 결합제나 도전재가 추가되므로 전기 이중층 캐패시터의 단위 무게당 또는 단위 부피당 에너지밀도가 낮아지게 된다.
활성탄 또는 활성탄소 섬유가 마이크로 포어를 가지기 때문에 발생하는 문제를 해결하기 위하여 메조포러스(mesoporous) 탄소 재료에 대한 연구가 진행되었다. R. W. Pekala 등은 레조시놀-포름알데히드(Resorcinol-Formaldehyde)의 졸-겔 합성법(sol-gel polymerization)으로 합성된 고분자를 액상의 이산화탄소를 사용하여 수퍼크리티걸 드라잉(Supercritical drying)하여 에어로겔(aerogel) 탄소 재료를합성하였다(Journal of materials science, R.W. Pekala, 1989, 24, p3221). 또한, 류룡 등은 MCM-48이라는 메조포러스 실리카를 사용하여 MCM-48의 기공안에 탄소 전구체(carbon precursor)로서 수크로스(sucrose)를 함침시킨 후 열처리하여 실리카/탄소 복합체를 만든 후 실리카를 불산이나 NaOH 수용액으로 제거하여 실리카가 제거된 부분이 기공을 형성하게 하여 다공성 탄소를 합성하는 방법을 제시하였다(Journal of phycal chemistry B, Ryong Ryoo, 1999, 103, p7743). 또한, 현택환 등은 위와 같은 메카니즘을 이용하되, 단지 MCM-48 실리카 대신에 콜로이드성 실리카(colloidal silica)를 사용하고, 탄소 전구체로서 레조시놀을 사용하여 다공성 탄소를 제조하였다(Carbon, Taeghwan Hyeon, 1999, 37, p1645). 그러나 이들이 제안한 방법은 기공의 크기를 임의로 조절할 수 없고, 공정이 매우 복잡하며, 제조 비용이 많이 드는 문제가 있다.
또한, 현재 일반적으로 사용되는 탄소는 분말 형태이므로 결합제를 첨가하여 극판을 성형하여야 한다. 또한, 전도도가 나쁜 탄소 재료인 경우에는 도전재를 첨가하여야 한다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 발명된 것으로서, 다공성 일체형 탄소의 제조 방법과 이에 의해 제조되어 기공 직경이 1 nm 내지 50μm 범위인 다공성 일체형 탄소를 제시하고자 한다. 또한, 그러한 다공성 일체형 탄소를 사용한 전기 이중층 캐피시터를 제시하고자 한다.
본 발명의 다공성 일체형 탄소의 제조 방법에 따르면, 기공의 직경을 1 nm내지 50μm 범위에서 임의로 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다공성 일체형 탄소를 전기 이중층 캐패시터에 사용하고자 할 때에는 그 기공이 메조포어가 되도록 임의로 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탄소는 일체형이므로 전기 이중층 캐패시터의 전극 물질로 이용할 때 결합제나 도전재의 첨가가 필요 없다. 또한, 본 발명에 따른 다공성 일체형 탄소는 전도성이 우수하므로, 이를 사용하면 집전체 없이 리드(lead)선만의 연결로 전극을 제조할 수 있다.
도 1은 비교예 1의 다공성 탄소의 배율 200,000배 투과 전자 현미경 사진이다.
도 2는 비교예 1의 다공성 탄소의 기공 분포도이다.
도 3은 실시예 1의 다공성 탄소의 배율 100,000배 투과 전자 현미경 사진이다.
도 4는 실시예 1의 다공성 탄소의 기공 분포도이다.
도 5는 실시예 2의 다공성 탄소의 배율 100,000배 투과 전자 현미경 사진이다.
도 6은 실시예 2의 다공성 탄소의 기공 분포도이다.
도 7은 실시예 3의 다공성 탄소의 배율 1,000배 주사 전자 현미경 사진이다.
도 8은 실시예 4의 다공성 탄소의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 실시예 4의 다공성 탄소의 탈착 기공 분포도이다.
도 10은 실시예 7의 다공성 탄소의 순환 주사 전위(Cyclic Voltammetry)실험의 결과 그래프이다.
도 11은 실시예 7의 다공성 탄소의 전압에 따른 단위 질량당 캐패시턴스 (Capacitance)를 나타낸 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는
a) 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기 단량체, 알데히드 및 계면 활성제를 물에 녹인 후, 산성도를 pH 5∼14 로 조절하여 용액을 제조하는 단계,
b) 상기 단계 a)에서 제조된 용액을 교반하는 단계,
c) 상기 단계 b)에서 교반된 용액을 30 내지 200℃의 온도에서 중합하는 단계,
d) 상기 단계 c)에서 중합된 다공성 일체형 고분자 중합체를 건조하는 단계, 및
e) 상기 단계 d)에서 건조된 다공성 일체형 고분자 중합체를 불활성 분위기에서 500 내지 3000℃ 온도로 열처리하여 탄화시키는 단계
를 포함하는 다공성 일체형 탄소의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 다공성 일체형 탄소를 제공한다. 또한, 그러한 다공성 일체형 탄소를 전극 물질로 사용하는 전기 이중층 캐패시터를제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
다공성 일체형 탄소를 제조하기 위해서는 우선 다공성 일체형 고분자 중합체를 합성하여야 한다. 중합체를 합성함에 있어서 본 발명에서는 계면활성제를 첨가하는데, 이는 계면활성제가 임계 마이셀 농도(Critical Micelle Concentration; CMC) 이상에서는 구형을 형성하기 때문이다. CMC 이상으로 계면활성제를 첨가하면 단량체는 계면활성제에 의해 구형으로 둘러싸여지게 되고(단계 a) 및 b)), 이를 밀폐된 반응기에서 30 내지 200℃의 온도로 가열하여 1시간 내지 20일 동안 중합하면(단계 c)) 일체형 다공성 고분자 중합체를 제조할 수 있다.
계면활성제에 의해 형성된 구형의 고분자는 수용액의 pH에 따라 침전 중합 반응 또는 졸-겔(sol-gel) 중합 반응을 한다. pH를 5이상으로 조절하여 중합을 진행시키면 졸-겔 중합 반응이 일어나게 되는데, 이 때 구형 입자간에 서로 가교 반응이 일어나서 구형 입자가 서로 붙어있는 다공성 일체형 고분자가 생성된다. 여기서 기공은 입자와 입자 사이의 공극에 의해서 생성된다.
한편, 상기 단계 b)의 용액을 교반하는 과정은 단계 a)에서 제조된 용액을 물리적으로 교반하거나, 물리적 교반과 함께 초음파 처리하여 교반하거나, 또는 초음파 처리만을 하여 교반함으로써 수행할 수 있다. 이 때, 초음파 처리를 해줄 경우 초음파 처리를 하지 않는 경우보다 더욱 작은 크기의 기공을 형성시킬 수 있다. 초음파 처리를 해주면 일반적인 기계적 교반의 경우보다 훨씬 더 용액을 균질하게 만들 수 있으므로, 단량체, 계면활성제 및 알데히드의 동일한 농도 조건에서 기공을 더 작게 만들 수 있다. 다시 말해, 동일한 양의 계면활성제를 사용하더라도 초음파 처리를 해주면 더 많은 마이셀이 형성되고 더 작은 입자가 형성되게 되어 기공이 더 작아지게 되는 것이다.
이렇게 제조된 다공성 일체형 고분자는 수용액상에서 중합되므로 물을 제거하는 건조 단계를 거쳐야 한다(단계 d)).
그리고 건조된 다공성 일체형 고분자는 불활성 분위기에서 500 내지 3000℃의 온도로 열처리하여 탄화시킨다(단계 e)).
본 발명에 사용되는 고분자 중합체의 제조는 다음과 같은 식에 의해 진행된다.
단량체 + 알데히드 → 고분자
여기에서, 반응은 계면활성제에 의해 형성된 구형의 유기층에서 진행되며, 반응을 위하여 촉매를 사용할 수 있다. 이러한 촉매로는 예를 들어, 소듐 카보네이트, 포타슘 카보네이트, 소듐 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 사용되는 단량체는 졸-겔 중합 반응이 가능한 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기물이면 된다. 그 예로는 레조시놀, 페놀, 멜라민, 바이페놀 (biphenol), 퍼퓨릴 알코올(furfuryl alcohol), 수크로스 등이 있다.
본 발명에 사용되는 알데히드로는 포름알데히드, 아세트알데히드 등이 있다.
본 발명에 사용되는 계면활성제로는 알킬트리메틸 암모늄 할라이드(alkyltrimethylammonium halide)계열의 양이온 계면 활성제; 올레산(oleic acid), 알킬아민(alkylamine) 등의 중성 계면활성제; 소듐 알킬 설페이트(sodium alkyl sulfate), 소듐 알킬 포스페이트(sodium alkyl phosphate) 등의 음이온 계면활성제등이 있으며, 이외에도 마이셀을 형성할 수 있는 유기금속 화합물 등 기타 다른 화합물도 계면활성제로 사용할 수 있다. 본 발명에 사용할 수 있는 계면활성제의 대표적인 예로는 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide: CTAB), 세틸트리메틸 암모늄 클로라이드(cetyltrimethylammonium chloride: CTAC), 도데실트리메틸 암모늄 브로마이드(dodecyltrimethylammonium bromide: CTAB), 소듐도데실 설페이트 등이 있다. 또한, 마이셀을 형성할 수 있는 주석(Ⅳ) 비스(아세틸아세토네이트) 디클로라이드도 본 발명의 계면활성제로 사용할 수 있다.
본 발명의 다공성 일체형 탄소의 제조시에 pH를 조절하기 위해서는 산이나 염기를 첨가할 수 있다. pH를 높이려는 경우에는 염기를 첨가하는데 염기성을 띠는 물질은 모두 사용할 수 있다. 일반적으로 사용되는 촉매인 소듐 카보네이트 또는 포타슘 카보네이트는 염기성을 띠는 물질이므로 이의 첨가를 통해 pH의 조절이 가능하다. 한편, 본 발명에서 고분자 중합체 제조에 사용되는 포름알데히드는 산성을 띠므로 포름알데히드의 양을 조절하여 pH를 낮게 조절할 수도 있다.
본 발명에 따른 다공성 일체형 탄소의 제조시에, 상기 단계 a)에서, 단량체 1몰당, 알데히드, 계면활성제 및 물을 각각 1 내지 2000몰, 0.01 내지 2몰 및 0.001 내지 20000몰의 비율로 사용할 수 있다. 촉매를 사용하는 경우에는 상기 단량체 1몰당 촉매를 0.001 내지 0.1몰의 비율로 사용할 수 있다. 이 때, 상기 몰비범위 안에서 단량체의 몰비, 계면활성제의 몰비 및 알데히드의 몰비를 조절함으로써, 본 발명에 따른 일체형 탄소의 기공 크기를 임의로 조절할 수 있다. 몰비 조절에 따른 기공 크기 조절의 메카니즘을 설명하자면, 다른 성분의 농도 변수 값을 고정시키고, 상기 몰비 범위내에서 단량체의 몰비를 증가시키면 덩어리 송이 (agglomerated cluster)의 크기가 증가된다. 그런데, 앞에서 언급한 바와 같이 송이 사이의 공간이 기공이 되는 것이므로 단량체 몰비 증가에 따라 송이의 크기가 증가되면 그 사이 조직의 기공 크기도 증가하게 된다. 또한, 다른 성분의 농도 변수 값을 고정시키고 계면활성제의 몰비를 증가시키면, 상기와 같은 메카니즘으로 송이의 크기가 감소되어 기공 크기가 작아지게 된다. 또한, 단량체와의 당량 이상으로 초과로 알데히드를 넣어주면, 알데히드는 송이를 팽창시켜 기공을 크게 만든다. 상기에서 설명한 바와 반대되는 조작을 하면 반대의 결과를 얻을 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면 다른 성분의 농도 변수값을 고정시키고 단량체의 몰비, 계면활성제의 몰비 또는 알데히드의 몰비를 조절함으로써 일체형 탄소의 기공 크기를 임의로 조절할 수 있다. 한편, 교반시 초음파 처리함으로써 기공 크기를 감소시킬 수 있다는 것은 앞에서 설명하였다.
상기와 같은 방법으로 제조된 다공성 일체형 탄소는 전기 이중층 캐패시터용 전극 물질로 이용할 수 있다.
전극의 성형은 두 가지 방법에 의해 이루어질 수 있다.
우선, 일체형 탄소를 분쇄하여 수 내지 수십 μm 직경의 입자로 만든 후에 결합제를 탄소 : 결합제 = 10 : 0.5∼2의 중량비가 되도록 분산제에 첨가하고 교반하여 페이스트를 제조한 후, 이를 금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 라미네이트 형상의 전극을 제조하는 방법이 있다.
이 때, 경우에 따라서는 전극의 저항을 줄이기 위해 도전재를 첨가할 수 있다. 도전재는 일반적으로 카본블랙(carbon black)을 사용하며, 이를 전체 중량대비 5 내지 20 wt%로 첨가한다. 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열[쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등], 케트젠 블랙(Ketjen Black) EC 계열[아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품], 불칸(Vulcan) XC-72[캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품] 및 수퍼(super) P[엠엠엠사(MMM) 제품] 등이 있다.
상기 결합제의 대표적인 예로는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 셀룰로오즈(cellulose)등이 있으며, 분산제의 대표적인 예로는 아이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등이 있다.
전극 성형을 위한 또 하나의 방법은 본 발명에 따른 중합체 물질이 "일체형"임을 이용하는 방법이다. 즉, 물질 자체가 일체형으로서 입자간에 서로 연결되어있는 상태이므로, 건조 시에 일정 두께를 가진 필름 형태로 만든 뒤 탄화시키면 필름 형태의 일체형 탄소를 얻을 수 있다. 그리고 이를 전극 크기로 절단하여 전극으로 사용할 수 있다. 따라서, 별도의 결합제나 도전재 없이 전극을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 탄소는 전도성이 우수하므로, 이를 사용하여 집전체 없이 리드(lead)선만의 연결로 전극을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 일체형 탄소를 사용하여 전기 이중층 캐패시터를 제조할 때, 상기 탄소 전극은 작동 전극(working electrode)과 반대 전극(counter electrode)으로 각각 사용하고, 양 전극 사이에 분리막을 삽입한 후 전해질을 흡수시켜 제조한다.
제작된 전극을 전해질 용액에 1시간 내지 3일 동안 담그거나 전극 1cm2당 1 내지 10ml의 전해질을 한 방울씩 투여한 후 진공상태를 2시간 이상 유지시키는 작업을 5 내지 20회 반복하여 분리막과 전극에 전해질을 함침시킨다.
분리막은 두 개 전극의 내부 단락을 차단하고 전해액을 함침하는 역할을 한다. 사용될 수 있는 분리막 재료로는 고분자, 그라스화이버매트, 크라프트지 등이 있다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(Celgard 2400, 2300; Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(polypropylene membrane; Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품) 등이 있다.
전기 이중층 캐패시터에 사용되는 수용액 계열의 전해질로는 5 내지 100 중량%의 황산 수용액이나 0.5 내지 20 몰농도의 수산화칼륨 수용액을 사용하거나, 또는 중성 전해질인 염화칼륨 수용액, 염화나트륨 수용액, 질산칼륨 수용액, 질산나트륨 수용액, 황산칼륨 수용액, 황산나트륨 수용액 등을 0.2 내지 10 몰농도로 하여 사용할 수 있다.
전기 이중층 캐패시터에 사용되는 유기 용매 계열의 전해질로는 테트라알킬암모늄(예: 테트라에틸암모늄 및 테트라메틸암모늄), 리튬 이온 또는 칼륨 이온 등의 양이온과, 테트라플루오로보레이트, 퍼클로로레이트, 헥사플루오로포스페이트, 비스트리플루오로메탄술포닐이미드 또는 트리스플루오로메탄술포닐메타이드 등의 음이온으로 구성된 염을 비양자성(nonprotonic) 용매, 특히, 유전상수가 높은 용매(예: 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트) 및/또는 점도가 낮은 용매(디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 에테르 및 디에틸 에테르)에 0.5 내지 3 몰농도로 녹인 유기 전해질을 사용할 수 있다.
하기 비교예 및 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
비교예 1: 계면활성제를 사용하지 않은 경우
1 : 2 : 0.02 : 5.6 x 103의 몰비로 레조시놀, 포름알데히드, 소듐 카보네이트 및 물을 혼합하여 물리적으로 교반하고 밀폐된 반응기를 사용하여 85℃에서 7일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 7.5이었다. 그리고 중합체를 85℃에서 건조하였고, 아르곤 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃에서 3시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 다공성 탄소는 비표면적이 457.7 m2/g이었고, 기공 부피는 0.11cc/g이었다. 기공의 평균 직경은 2nm 이하였다.
도 1은 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 투과 전자 현미경 사진이다. 도 2는 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 흡착(Adsorption) 기공 분포도이다.
실시예 1: 다공성 일체형 탄소의 제조
1 : 2 : 0.02 : 0.082 : 5.6 x 103의 몰비로 레조시놀, 포름알데히드, 소듐 카보네이트, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 물리적 교반과 함께 초음파 처리하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85℃에서 7일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 7.23이었다. 그리고 중합체를 85℃에서 건조하였고, 아르곤 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃에서 3시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 다공성 탄소는 비표면적이 309.2 m2/g이었고, 기공 부피는 0.20cc/g이었다. 기공의 직경은 4nm로 균일한 분포를 나타내었다.
도 3은 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 투과 전자 현미경 사진이다. 도 4는 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 탈착(Desorption) 기공 분포도이다.
실시예 2: 다공성 일체형 탄소의 제조
1 : 100 : 0.02 : 0.082 : 5.6 x 103의 몰비로 레조시놀, 포름알데히드, 소듐 카보네이트, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 물리적 교반과 함께 초음파 처리하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85℃에서 7일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 6.72이었다. 그리고 중합체를 85℃에서 건조하였고, 이를 아르곤 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃에서 3시간동안 열처리하여 탄화시켰다. 이렇게 만들어진 다공성 탄소는 비표면적이 631.1 m2/g이었고, 기공 부피는 0.88cc/g이었다. 기공의 직경은 12nm로 균일한 분포를 나타내었다.
도 5는 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 투과 전자 현미경 사진이다. 도 6은 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 탈착 기공 분포도이다.
실시예 3: 다공성 일체형 탄소의 제조
1 : 2 : 0.02 : 0.082 : 0.006의 몰비로 멜라민, 포름알데히드, 소듐 카보네이트, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 물리적으로 교반하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85℃에서 7일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 5.01이었다. 그리고 중합체를 85℃에서 건조하였고, 아르곤 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃에서 3시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 다공성 탄소는 3 내지 4μm의 직경을 갖는 구형탄소가 서로 붙어서 기공을 형성하는 모습을 하고 있으며, 비표면적은 9.9 m2/g이었다.
도 7은 상기와 같이 제조되는 다공성 탄소가 탄화되기 전의 다공성 고분자의 주사 전자 현미경 사진이다.
실시예 4: 다공성 일체형 탄소의 제조
1 : 2 : 0.02 : 0.082 : 5.62 x 30의 몰비로 레조시놀, 포름알데히드, 소듐 카보네이트, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 물리적으로 교반하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85℃에서 7일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 6.02이었다. 그리고 중합체를 85℃에서 건조하였고, 아르곤 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃에서 3시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 다공성 탄소는 50 내지 100nm의 직경을 갖는 구형탄소가 서로 붙어서 기공을 형성하는 모습을 하고 있으며, 비표면적은 422.1 m2/g 이었고, 기공 부피는 0.513cc/g이었다. 기공의 직경은 30nm로 균일한 분포를 나타내었다.
도 8은 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 주사 전자 현미경 사진이다. 도 9는 상기와 같이 제조된 다공성 탄소의 탈착 기공 분포도이다.
실시예 5: 다공성 일체형 탄소의 제조
1 : 2 : 0.02 : 0.082 : 5.62 x 20의 몰비로 퍼퓨릴 알코올, 포름알데히드, 소듐 카보네이트, 소듐도데실 설페이트 및 물을 혼합하여 물리적으로 교반하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85℃에서 7일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 6.45이었다. 그리고 중합체를 85℃에서 건조하였고, 아르곤 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃에서 3시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 다공성 탄소는 200 내지 300nm의 직경을 갖는 구형탄소가 서로 붙어서 기공을 형성하는 모습을 하고 있으며, 비표면적은 425.7 m2/g 이었고, 기공 부피는 0.403cc/g이었다.
실시예 6: 다공성 일체형 탄소의 제조
1 : 50 : 0.02 : 0.082 : 5.6 x 103의 몰비로 레조시놀, 포름알데히드, 소듐 카보네이트, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 물리적 교반과 함께 초음파 처리하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85℃에서 7일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 6.32이었다. 그리고 중합체를 85℃에서 건조하였고, 이를 아르곤 가스 분위기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃에서 3시간동안 열처리하여 탄화시켰다. 이렇게 만들어진 다공성 탄소는 비표면적이 460.9 m2/g이었고, 기공 부피는 0.345cc/g이었다. 기공의 직경은 7nm로 균일한 분포를 나타내었다.
실시예 7: 다공성 일체형 탄소를 전극 활물질로 사용한 전기 이중층 캐패시터의 제조 및 성능
실시예 2와 같이 제조된 다공성 일체형 탄소를 절단하여 전극으로 사용하였다. 이 때, 결합제나 도전재의 첨가 없이 리드선을 연결하여 작동 전극을 제조하였다. 반대 전극으로는 백금(Pt)을 사용하고, 기준전극으로는 포화 칼로멜 전극 (Saturated Calomel Electrode : SCE)을 사용하였으며, 전해질로는 2몰 농도의 황산 수용액을 사용하여 비이커 형태의 3극 셀을 제조하였다.
25℃에서 0.0 내지 0.7V의 전압 범위에서 2, 5, 10, 20mV/s의 속도로 순환 전위 주사(Cyclic Voltammetry) 실험을 수행하였다.
도 10은 상기 실험의 순환 전위 주사(CV)의 결과이며, 도 11은 전압에 따른 단위 질량당 캐패시턴스를 나타낸 그래프이다. 도 10은 주사 속도(scan rate)가 증가할 때의 전압에 대한 전류 밀도값을 나타낸 그래프이다. 도 11은 단위 질량당 캐패시턴스를 나타낸 그래프이며, 이는 순환 주사 전위에서 나타나는 전류값을 주사 속도와 전극 활물질의 질량으로 나누어 계산한 값이다. 이로부터 상기 물질의 단위 질량당 캐패시턴스가 2mV/s의 주사 속도에서 90F/g임을 알 수 있다.
본 발명에서 얻어지는 다공성 일체형 탄소는 기공의 크기를 임의로 조절할수 있기 때문에 필터, 바이오 반응기, 전기 이중층 캐패시터 등 다양한 용도에 사용할 수 있다. 특히, 전기 이중층 캐패시터의 전극 재료로 이용할 때, 기공의 크기를 임의로 조절할 수 있으므로 전해액으로 수용액계 또는 유기용매계 모두를 사용할 수 있다. 또한, 다공성 일체형 탄소는 입자가 분리된 것이 아니라 일체형으로 붙어있기 때문에 전극 제조 시 결합제나 도전재가 필요 없다는 이점도 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 다공성 일체형 탄소는 전도성이 우수하므로, 이를 사용하면 집전체 없이 리드(lead)선만의 연결로 전극을 제조할 수 있다.
Claims (20)
- a) 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기 단량체, 알데히드 및 계면 활성제를 물에 녹인 후, 산성도를 pH 5∼14로 조절하여 용액을 제조하는 단계,b) 상기 단계 a)에서 제조된 용액을 교반하는 단계,c) 상기 단계 b)에서 교반된 용액을 30 내지 200℃의 온도에서 중합하는 단계,d) 상기 단계 c)에서 중합된 다공성 일체형 고분자 중합체를 건조하는 단계, 및e) 상기 단계 d)에서 건조된 다공성 일체형 고분자 중합체를 불활성 분위기에서 500 내지 3000℃ 온도로 열처리하여 탄화시키는 단계를 포함하는 다공성 일체형 탄소의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 a)의 단량체가 레조시놀, 페놀, 멜라민, 바이페놀, 퍼퓨릴 알코올 및 수크로스로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 a)의 알데히드가 포름알데히드 및 아세트알데히드로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 a)의 계면활성제가 양이온 계면 활성제, 중성 계면활성제, 음이온 계면활성제 및 마이셀을 형성할 수 있는 유기금속 화합물로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 계면활성제가 알킬트리메틸 암모늄 할라이드, 올레산, 알킬아민, 소듐 알킬 설페이트, 소듐 알킬 포스페이트 및 마이셀을 형성할 수 있는 유기금속 화합물로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제5항에 있어서, 계면활성제가 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드, 세틸트리메틸 암모늄 클로라이드, 도데실트리메틸 암모늄 브로마이드, 소듐도데실 설페이트 및 주석(Ⅳ) 비스(아세틸아세토네이트) 디클로라이드로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 a)에서 추가로 촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 촉매가 소듐 카보네이트, 포타슘 카보네이트, 소듐 하이드록사이드 또는 포타슘 하이드록사이드인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항 내지 제6항에 있어서, 단계 a)에서, 단량체 1몰당, 알데히드, 계면활성제 및 물을 각각 1 내지 2000몰, 0.01 내지 2몰 및 0.001 내지 20000몰의 비율로 사용하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 단계 a)에서, 단량체 1몰당 촉매를 0.001 내지 0.1몰의 비율로 사용하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 다른 성분의 농도 변수값을 고정시키고 한 성분의 몰비를 변화시킴으로써 기공 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 단량체의 몰비를 증가시키거나, 알데히드의 몰비를 증가시키거나, 또는 계면활성제의 몰비를 감소시킴으로써 다공성 일체형 탄소의 기공 크기를 크게 조절하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 단량체의 몰비를 감소시키거나, 알데히드의 몰비를 감소시키거나, 또는 계면활성제의 몰비를 증가시킴으로써 다공성 일체형 탄소의 기공 크기를 작게 조절하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 b)에 초음파 처리가 포함되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 c)에서, 용액을 30 내지 200℃의 온도로 1시간 내지 20일 동안 중합하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항의 단계 a) 내지 d)의 방법에 의하여 제조되는 다공성 일체형 고분자 중합체로서, 고분자 입자가 결합되어 입자사이에 기공이 형성되며, 기공이 직경 1nm 내지 50μm 범위에서 일정한 직경 분포를 나타내는 것을 특징으로 하는 다공성 일체형 고분자 중합체.
- 제1항의 방법에 따라 제조되는 다공성 일체형 탄소로서, 탄소 입자가 결합되어 입자사이에 기공이 형성되며, 기공이 직경 1nm 내지 50μm 범위에서 일정한 직경 분포를 나타내는 것을 특징으로 하는 다공성 일체형 탄소.
- 제1항의 방법에 따라 제조되는 다공성 일체형 탄소를 전극의 활물질로 포함하는 전기 이중층 캐패시터.
- 제18항에 있어서, 다공성 일체형 탄소를 활물질로서 포함하는 전극의 제조시에 도전재 또는 결합제를 사용하지 않은 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터.
- 제18항에 있어서, 다공성 일체형 탄소를 활물질로서 포함하는 음극 전극의 제조시에 집전체를 사용하지 않고 리드선만을 연결시킨 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0086770A KR100438210B1 (ko) | 2001-12-28 | 2001-12-28 | 다공성 일체형 탄소의 제조 방법, 그러한 방법에 의하여제조된 다공성 일체형 탄소 및 그러한 다공성 일체형탄소의 전기 이중층 캐패시터에의 응용 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0086770A KR100438210B1 (ko) | 2001-12-28 | 2001-12-28 | 다공성 일체형 탄소의 제조 방법, 그러한 방법에 의하여제조된 다공성 일체형 탄소 및 그러한 다공성 일체형탄소의 전기 이중층 캐패시터에의 응용 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20030059843A true KR20030059843A (ko) | 2003-07-12 |
| KR100438210B1 KR100438210B1 (ko) | 2004-07-01 |
Family
ID=32214726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0086770A KR100438210B1 (ko) | 2001-12-28 | 2001-12-28 | 다공성 일체형 탄소의 제조 방법, 그러한 방법에 의하여제조된 다공성 일체형 탄소 및 그러한 다공성 일체형탄소의 전기 이중층 캐패시터에의 응용 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100438210B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012070013A1 (en) * | 2010-11-26 | 2012-05-31 | Basf Se | Process for manufacturing nitrogen-containing porous carbonaceous material |
| CN114497585A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-13 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 | 一种具有结构耦合效应的铂基协同催化剂的制备方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100926794B1 (ko) | 2009-06-04 | 2009-11-13 | 한국과학기술원 | 멜라민―포름알데히드 구체의 제조방법 |
| KR100957128B1 (ko) | 2009-08-11 | 2010-05-11 | 한국과학기술원 | 니켈―질화탄소 구체의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 니켈―질화탄소 구체 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5240893A (en) * | 1992-06-05 | 1993-08-31 | General Motors Corporation | Method of preparing metal-heterocarbon-nitrogen catalyst for electrochemical cells |
| JPH08253305A (ja) * | 1995-03-15 | 1996-10-01 | Kyocera Corp | 活性炭基板及びその製造方法及びこれを用いた電気二重層コンデンサー用電極部材 |
| RU2084036C1 (ru) * | 1995-11-30 | 1997-07-10 | Альфар Интернешнл Лтд. | Конденсатор с двойным электрическим слоем |
| JPH11116217A (ja) * | 1997-10-16 | 1999-04-27 | Sumitomo Durez Kk | 粒状炭素材の製造方法 |
| KR20010082910A (ko) * | 2000-02-22 | 2001-08-31 | 오승모 | 무기질 주형 입자를 이용한 나노세공을 가진 탄소재료의제조방법 |
| KR100376811B1 (ko) * | 2000-05-24 | 2003-03-19 | 주식회사 파인셀 | 무기질 주형 입자를 이용하여 제조한 나노기공을 갖는탄소재료를 전극으로 사용한 전기이중층 캐패시터 |
-
2001
- 2001-12-28 KR KR10-2001-0086770A patent/KR100438210B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012070013A1 (en) * | 2010-11-26 | 2012-05-31 | Basf Se | Process for manufacturing nitrogen-containing porous carbonaceous material |
| CN103282984A (zh) * | 2010-11-26 | 2013-09-04 | 巴斯夫欧洲公司 | 制备含氮的多孔碳质材料的方法 |
| JP2013544748A (ja) * | 2010-11-26 | 2013-12-19 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | 窒素含有多孔性炭素質材料の製造方法 |
| CN114497585A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-13 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 | 一种具有结构耦合效应的铂基协同催化剂的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100438210B1 (ko) | 2004-07-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6515845B1 (en) | Method for preparing nanoporous carbon materials and electric double-layer capacitors using them | |
| KR101024940B1 (ko) | 표면 산화된 전이금속질화물 에어로젤을 이용한 하이브리드수퍼커패시터 | |
| US9048025B2 (en) | Electrode for electric storage device, electric storage device and manufacturing method of electrode for electric storage device | |
| JP4410775B2 (ja) | メソ多孔性炭素複合体、その製造方法、それを含む担持触媒及びそれを利用した燃料電池 | |
| Tsai et al. | Activated microporous carbon nanospheres for use in supercapacitors | |
| US20040047798A1 (en) | Mesoporous carbon material, carbon/metal oxide composite materials, and electrochemical capacitors using them | |
| US12006216B2 (en) | Mesoporous carbon and manufacturing method of the same, and polymer electrolyte fuel cell | |
| KR101793040B1 (ko) | 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법, 상기 울트라커패시터용 전극활물질을 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터 | |
| KR100376811B1 (ko) | 무기질 주형 입자를 이용하여 제조한 나노기공을 갖는탄소재료를 전극으로 사용한 전기이중층 캐패시터 | |
| KR102011050B1 (ko) | 파이로프로틴 기반의 다공성 탄소 소재의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 파이로프로틴 기반의 다공성 탄소 소재 | |
| Abbas et al. | Structural tuneability and electrochemical energy storage applications of resorcinol‐formaldehyde‐based carbon aerogels | |
| JP7116564B2 (ja) | 単分散球状炭素多孔体及び固体高分子形燃料電池 | |
| KR100438210B1 (ko) | 다공성 일체형 탄소의 제조 방법, 그러한 방법에 의하여제조된 다공성 일체형 탄소 및 그러한 다공성 일체형탄소의 전기 이중층 캐패시터에의 응용 | |
| KR101095863B1 (ko) | 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법 | |
| KR20190053346A (ko) | 고전압 안정성이 우수한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 | |
| KR100429741B1 (ko) | 졸-겔 반응의 무기물 주형을 사용한 나노세공 탄소재료의제조방법 | |
| KR102437905B1 (ko) | 전고체 슈퍼커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전고체 슈퍼커패시터 | |
| KR20100089374A (ko) | 전이금속 산화물 에어로젤을 이용한 하이브리드 수퍼커패시터 | |
| He et al. | Mesoporous Carbon for Supercapacitors | |
| KR102679219B1 (ko) | 새로운 나노 구조 전극의 슈퍼 커패시터 및 그 제조방법 | |
| KR102660994B1 (ko) | 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법 | |
| CN113921292B (zh) | 一种超级电容器用虫状碳材料及其应用 | |
| KR102639923B1 (ko) | 표면 개질제를 이용하여 약품량을 저감시킨 질소 도핑 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 | |
| US12087952B2 (en) | Mesoporous carbon, electrode catalyst for fuel cell, catalyst layer, fuel cell, and method for producing mesoporous carbon | |
| CN113168968B (zh) | 电化学器件用电极及电化学器件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120618 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130614 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |