KR20040103706A - Process for the preparation of carbon nanotube or carbon nanofiber electrodes by using metal particles as a binder and electrode prepared thereby - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a method for manufacturing a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode that uses metal particles as an adhesive to reduce the internal resistance of a battery, to increase the durability, to minimize the resistance at adhesion surface, thereby significantly reducing ESR(Equivalent Series Resistance). CONSTITUTION: The carbon nanotube or carbon nanofiber electrode comprises a current collector, metal nanoparticles as an adhesive and carbon nanotubes or carbon nanofibers, wherein the metal nanoparticles are attached or fused to the surface of the carbon nanotubes or carbon nanofibers to accomplish the bonding of the carbon nanotubes or carbon nanofibers among themselves or the adhesion between the carbon nanotubes or carbon nanofibers and the current collector. The metal forming the metal nanoparticles is selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, typical metals and transition metals.

Description

금속입자를 접착제로 사용하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전극 {PROCESS FOR THE PREPARATION OF CARBON NANOTUBE OR CARBON NANOFIBER ELECTRODES BY USING METAL PARTICLES AS A BINDER AND ELECTRODE PREPARED THEREBY}A method for manufacturing a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode using metal particles as an adhesive, and an electrode manufactured by the same.

본 발명은 금속나노입자를 접착제로 사용하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 금속나노입자를 접착제로 사용하여 열 및/또는 압력을 가함으로써 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 포함하는 전극물질 사이의 접합과 이러한 전극물질과 전류 집전체 사이의 접착을 달성시킨 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 2차전지나 수퍼커패시터, 연료전지에서의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode using metal nanoparticles as an adhesive and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention provides bonding between electrode materials comprising carbon nanotubes or carbon nanofibers and bonding between these electrode materials and current collectors by applying heat and / or pressure using metal nanoparticles as adhesives. The present invention relates to a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode and a method of manufacturing the same. The invention also relates to the use of such carbon nanotubes or carbon nanofiber electrodes in secondary batteries, supercapacitors, and fuel cells.

정보화 사회로의 전이와 운반가능한 전자기기의 등장으로 에너지 저장기기에대한 관심이 커지고 있다.With the transition to the information society and the emergence of portable electronic devices, interest in energy storage devices is increasing.

전기화학반응을 이용하여 에너지를 저장하는 2차전지는 에너지 밀도(energy density)는 높은 반면 출력밀도(power density)가 낮아 전기자동차나 휴대용 통신기기와 같은 가변출력을 요구하는 시스템에 적용할 경우 순간적인 고출력을 낼 수 없을 뿐만 아니라 2차전지의 수명단축과 성능저하를 가져올 수 있으며, 충방전 시간이 길기 때문에 그 사용에 제한이 있다.Secondary batteries that store energy using electrochemical reactions have high energy density but low power density, which can be applied to systems requiring variable output such as electric vehicles or portable communication devices. Not only can not output high power, but also shorten the life and performance of the secondary battery, and the charge and discharge time is long, there is a limit to its use.

한편, 축전기(capacitor)는 충방전 시간이 매우 짧고 수명이 길고 출력밀도가 높지만, 통상적으로 사용되는 전기적 축전기(Electrical capacitor)는 에너지밀도(energy density)는 매우 작기 때문에 저장장치로서의 사용에 제한이 많다.On the other hand, capacitors have very short charge and discharge times, long lifetimes, and high output densities. However, conventionally used electrical capacitors have very low energy density, which limits their use as storage devices. .

반면, 전기화학적 축전기(Electrochemical capacitor)는 전기적 축전기와 2차전지의 중간정도의 특성을 가지고 있는데, 수명이 길고 충방전 시간이 매우 짧을 뿐만 아니라, 출력밀도가 높아 고출력이 가능하고 에너지 밀도가 높아 장시간 방전을 가능하게 하기 때문에, 수퍼커패시터 혹은 울트라커패시터(ultracapacitor)로 칭해진다 (이하 전기화학적 축전기를 수퍼커패시터라고 함).Electrochemical capacitors, on the other hand, have intermediate characteristics between an electric capacitor and a secondary battery. They have a long life and very short charge / discharge time, high output density, high power, and high energy density. Since it enables discharge, it is called a supercapacitor or an ultracapacitor (hereinafter, an electrochemical capacitor is called a supercapacitor).

전기이중층을 이용하여 에너지를 저장하는 전기이중층 커패시터 (Electric Double-Layer Capacitor, EDLC)는 수퍼커패시터의 하나로서, 전기를 모으는 전극, 전해질 그리고 분리막으로 구성된다. 이중에서 수퍼커패시터의 가장 중요한 부분을 구성하는 전극은 높은 전자 전도도, 넓은 표면적, 전기화학적 비활성, 용이한 성형 및 가공성 등의 특성이 요구되는데, 일반적으로 다공성이 높은 탄소재료는 높은 전기전도도(예. 구리 5.88x105S/cm, 흑연 1.25x103S/cm, 반도체인 게르마늄 1.25x10-2S/cm)를 가지며 성형 및 가공성이 좋기 때문에 많이 사용된다.An electric double-layer capacitor (EDLC), which stores energy using an electric double layer, is a supercapacitor, and is composed of an electrode, an electrolyte, and a separator that collect electricity. Among them, the electrode which constitutes the most important part of the supercapacitor requires characteristics such as high electron conductivity, large surface area, electrochemical inertness, easy forming and processability, and generally high porosity carbon material has high electric conductivity (e.g. Copper 5.88x10 5 S / cm, graphite 1.25x10 3 S / cm, semiconductor germanium 1.25x10 -2 S / cm), and is widely used because of its good formability and processability.

다공성 탄소재료는 활성탄소, 활성탄소섬유, 비정질 탄소, 탄소에어로젤 또는 탄소복합재료 등이 있으며, 현재 전극의 재료로 가장 많이 이용되는 것은 활성탄소를 재료로 한 것으로 섬유로 방사하여 섬유로 직조한 것이다. 그러나, 활성탄소와 활성탄소섬유는 표면적이 1000∼3000 ㎡/g 정도의 넓은 표면적을 갖지만 전극역할에 기여하지 않는 마이크로세공 (<20 Å)이 대부분으로 유효기공은 전체의 20∼30%에 불과하다는 단점이 있다.Porous carbon materials include activated carbon, activated carbon fibers, amorphous carbon, carbon aerogels, or carbon composite materials. The most commonly used materials for electrodes are made of activated carbon, which is woven into fibers by spinning with fibers. . However, activated carbon and activated carbon fibers have a large surface area of about 1000 to 3000 m 2 / g, but most of the micropores (<20 mm) which do not contribute to the electrode role, the effective pores are only 20 to 30% of the total The disadvantage is that.

1990년대 초반에 처음으로 합성된 탄소나노튜브와 탄소나노파이버는 그것이 가지고 있는 뛰어난 물성 때문에 전극의 재료로 사용하려는 여러 가지 시도가 행해지고 있다. 탄소나노파이버(Graphitic Nano-Fiber)는 직경과 모양에서 탄소나노튜브와 흡사하나, 탄소나노튜브가 가운데 부분이 비어있는 말 그대로 튜브의 형태를 띠고 있는데 반해서 탄소나노파이버는 가운데 부분까지 탄소로 메워져있는 직경이 수백나노미터에 이르는 섬유형태의 탄소합성물이다. 활성탄소섬유는 방사법에 의해 마이크로미터 단위의 직경으로 수백 미터의 길이까지 방사하여 제조할 수 있음에 반해, 탄소나노파이버는 탄소나노튜브와 같이 촉매적으로 합성하기 때문에 직경이 수백나노미터 이하, 길이는 수십마이크로미터 이하이며, 탄소나노튜브를 합성하는 방법과 유사한 방법으로 합성된다.Carbon nanotubes and carbon nanofibers, which were first synthesized in the early 1990s, have been attempted to be used as electrode materials because of their excellent physical properties. Graphitic Nano-Fiber is similar to carbon nanotubes in diameter and shape, but carbon nanotubes are literally shaped as tubes with empty centers, whereas carbon nanofibers are filled with carbon to the center. It is a fibrous carbon composite up to several hundred nanometers in diameter. Activated carbon fiber can be produced by spinning to a length of hundreds of meters in diameter by micrometer unit, whereas carbon nanofibers are catalytically synthesized like carbon nanotubes, and therefore have a diameter of several hundred nanometers or less Is tens of micrometers or less, and is synthesized by a method similar to the method of synthesizing carbon nanotubes.

다른 탄소재료들에 비해 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버는 기공의 분포가나노미터 단위로 일정하고, 전해질의 이온이 닿을 수 있는 표면적이 매우 크며, 전극으로 사용되었을 경우에 전극자체의 저항이 매우 작고, 화학적으로 매우 안정한 구조를 하고 있을 뿐만 아니라, 전기전도도가 최대 1.0x104S/cm이고, 비표면적의 유효이용율이 거의 100%이며, 현재까지 알려진 최대 비표면적은 약 500 m2/g에 이른다. 이는 높은 에너지와 긴 수명을 갖는 수퍼커패시터를 제조하는데 필요한 전극이 갖추어야 할 조건으로 완벽하다.Compared to other carbon materials, carbon nanotubes or carbon nanofibers have a uniform pore distribution in nanometer units, a large surface area to which ions of an electrolyte can reach, and a very small resistance of the electrode itself when used as an electrode. It is not only chemically stable but also has an electrical conductivity of up to 1.0x10 4 S / cm, an effective utilization of a specific surface area of almost 100%, and a maximum specific surface area known to date is about 500 m 2 / g. . This is perfect for the conditions that an electrode needs to make a supercapacitor with high energy and long lifetime.

한편, 수퍼커패시터의 출력과 주파수응답을 결정하는 중요한 요인은 전극물질의 저항과 전극의 기공내에서 존재하는 전해질의 저항이 된다. 기공이 작으면 전해질이 기공내로 이동하는 과정에서 저항이 커지게 되고, 따라서 활성탄소재료가 넓은 표면적에도 불구하고 저장할 수 있는 에너지의 양은 그리 많지 않다. 이와 함께 활성탄소재료는 기공의 분포가 광범위하게 분포하므로 에너지 저장 시에도 100 mHz 이하의 저주파수와 직류 전압에만 사용이 가능하다. 이는 그 동안의 많은 개선과정에도 불구하고 활성탄소로 구성된 수퍼커패시터가 쉽게 일반화되지 못하고 있는 이유가 되고 있다.On the other hand, the important factors that determine the output and frequency response of the supercapacitor are the resistance of the electrode material and the resistance of the electrolyte present in the pores of the electrode. Small pores result in a greater resistance in the process of the electrolyte moving into the pores, and thus the amount of energy that the activated carbon material can store despite the large surface area is not so high. In addition, the activated carbon material has a wide distribution of pores, so it can be used only for low frequency and direct current voltage of 100 mHz or less even when storing energy. This is the reason why supercapacitors composed of activated carbon are not easily generalized despite many improvements.

탄소나노튜브나 탄소나노파이버를 전극물질로 사용하면 고주파수의 에너지를 입출력하는 수퍼커패시터의 제조도 가능해진다. 이는 기존의 어느 탄소재료보다도 우수한 것이며 수퍼커패시터의 전극물질로는 탄소나노튜브가 가장 적합한 재료임을 입증하는 것이다.By using carbon nanotubes or carbon nanofibers as electrode materials, it is also possible to manufacture supercapacitors that input and output high frequency energy. This is superior to any existing carbon material and proves that carbon nanotube is the most suitable material for the electrode of the supercapacitor.

또, 수퍼커패시터에 사용되는 탄소전극의 제조 시에 고려해야할 문제 중의하나는 전극의 내부저항을 줄이는 것이다. 전극내부저항은 에너지 손실로 직결되므로 축전기의 성능저하의 요인이 되기 때문이다.In addition, one of the problems to be considered in manufacturing a carbon electrode used in a supercapacitor is to reduce the internal resistance of the electrode. This is because the internal resistance of the electrode is directly connected to the energy loss, which is a factor of deterioration of the capacitor.

일반적으로, 수퍼커패시터에서 얻을 수 있는 최고 출력밀도(maximum power density)는 하기 수학식 1로 주어진다:In general, the maximum power density attainable in a supercapacitor is given by Equation 1 below:

Pmax = Vi 2/4RPmax = V i 2 / 4R

상기 식에서, Vi는 초기전압, R은 등가직렬저항((ESR)을 의미한다 [참조: B.E. Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific fundamentals and technological applications, Kluwer Academic/Plenum Publishers NewYork 1999, Ch. 15.].Where V i is the initial voltage and R is the equivalent series resistance (ESR). BE Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific fundamentals and technological applications, Kluwer Academic / Plenum Publishers New York 1999, Ch. 15.

따라서 수퍼커패시터의 출력밀도를 결정하는 중요한 변수는 전극자체의 내부저항이 된다. 전극자체의 내부저항으로는, 첫째, 전극물질인 탄소입자와 탄소입자 사이의 저항, 둘째, 전해질과 전극물질 사이의 저항, 셋째 전극과 전류 집전체 사이의 접촉저항으로 구성되어있다. 이들 중에서 전극을 제조하는 과정에서 개선할 수 있는 것이 탄소와 탄소사이의 저항과 전극과 전류 집전체 사이의 저항이다.Therefore, an important parameter that determines the output density of a supercapacitor is the internal resistance of the electrode itself. The internal resistance of the electrode itself is composed of first, the resistance between the carbon particles and the carbon particles as the electrode material, second, the resistance between the electrolyte and the electrode material, and third, the contact resistance between the electrode and the current collector. Among them, the improvement between the carbon and the carbon and the resistance between the electrode and the current collector can be improved in the process of manufacturing the electrode.

먼저 전극물질인 탄소입자와 탄소입자 사이의 저항을 개선하기 위해, 여러 가지 전극물질의 형태 및 제조방법이 제안되었다.First, in order to improve the resistance between the carbon particles and the carbon particles as the electrode material, various types of electrode materials and manufacturing methods have been proposed.

내부저항개선의 관점에서 전극물질이 활성탄소, 활성탄소섬유 등 종래의 탄소재료일 경우에, 전극을 압축형(compression type), 바인더형(binder type), 매트릭스형(matrix type), 일체형(monolith type), 클로드형(cloth type), 필름형(film type)으로 제조되어 왔다.When the electrode material is a conventional carbon material such as activated carbon or activated carbon fiber from the viewpoint of internal resistance improvement, the electrode may be compressed, bindered, matrixed or monolithic. type, cloth type, and film type.

압축형은 전극물질이 입자일 경우 압력을 가하여 입자간의 접촉을 향상시킨 경우이며, 대부분 다른 유형과 병행하여 사용된다. 바인더형은 PTFE등의 바인더(결합제)를 이용하여 입자간의 접촉특성을 개선시킨 방법이다. 매트릭스형은 입상활성탄을 고분자 매트릭스와 섞은 후 고분자를 탄화시켜 전극을 제조한다. 앞의 바인더형에서 바인더 자체는 전극 역할을 하지 않는 반면, 매트릭스형에서의 고분자는 입자와 입자사이를 연결시키는 동시에 전극으로서의 역할도 함께 수행한다. 일체형에는 탄소에어로젤, 탄소폼 등이 있다. 이들 물질은 다공성 단일체로 연속적인 탄소골격을 가지므로 전극물질간의 접촉을 고려하지 않아도 된다. 필름형은 비다공성 탄소재료의 경우로 전극내부에는 전해질이 존재하지 않고 단지 분리막 만이 전해질을 포함한다. 비정질 카본이 이 경우에 해당한다. 클로드형(Cloth type)은 활성탄소섬유(activated carbon fiber)의 경우에 해당하고 전극을 제조할 때 가장 널리 보편적으로 쓰이는 방법이다.The compression type is a case where the contact between particles is improved by applying pressure when the electrode material is particles, and most of them are used in parallel with other types. The binder type is a method of improving the contact characteristics between particles by using a binder (binder) such as PTFE. In matrix type, granular activated carbon is mixed with a polymer matrix and carbonized to prepare an electrode. In the above binder type, the binder itself does not serve as an electrode, whereas the polymer in the matrix type connects particles to particles and at the same time serves as an electrode. The integrated type includes carbon aerogels and carbon foams. These materials are porous monoliths and have a continuous carbon skeleton so that contact between the electrode materials does not have to be considered. The film type is a non-porous carbon material. There is no electrolyte in the electrode, and only the separator includes the electrolyte. Amorphous carbon falls in this case. The clad type corresponds to the case of activated carbon fibers and is the most widely used method for manufacturing electrodes.

상기 언급한 바처럼, 상술한 전극물질의 형태 및 제조방법들은 대개 탄소소재 중에서 지금까지 가장 많이 연구되어진 활성탄소의 탄소소재로 구성된 전극자체의 저항이나 전해질과 전극사이의 저항을 개선하려는 목적으로 시도된 방법들이다.As mentioned above, the types and methods of manufacturing the above-mentioned electrode materials have been attempted for the purpose of improving the resistance of the electrode itself, which is composed of carbon materials of activated carbon, which is the most studied so far among carbon materials, or the resistance between the electrolyte and the electrodes. Methods.

전극을 구성하는 탄소와 탄소간의 접촉저항을 줄이는 방법의 예로서 다음을 언급할 수 있다.As an example of a method of reducing the contact resistance between carbon constituting the electrode and the carbon can be mentioned.

구라바야시 등 (Kurabayashiet al.)은 미국특허 US 5099398호에서 수퍼커패시터의 제조법을 개시하였다. 상기 특허에서, 전극은 활성탄소를 압축형으로 제조하였고, 전류 집전체는 금속이나 합성섬유, 고무 등을 소재로 한 박막을 사용하고 있는데, 전극과 전류 집전체를 접착하는 방법으로서, 먼저, 전류 집전체의 표면에 용매를 떨어뜨려서 표면을 용해시키고, 전극을 그 위에 올리고 압력을 가해서 붙인 후 용매를 날려보내서 탄소전극과 전류 집전체 사이의 접합저항이 작은 전극을 제조하였다.Kurabayashi et al. Disclose a preparation method of a supercapacitor in US Pat. No. 50,993,98. In the above patent, the electrode is made of activated carbon in a compression type, and the current collector uses a thin film made of metal, synthetic fiber, rubber, etc. As a method of bonding the electrode and the current collector, first, the current The solvent was dropped on the surface of the current collector to dissolve the surface, and the electrode was placed thereon, and the pressure was applied. Then, the solvent was blown out to prepare an electrode having a small bonding resistance between the carbon electrode and the current collector.

구라바야시 등 (Kurabayashiet al.)은 또다른 방법으로서 미국특허 US 5072336호에서 탄소전극과 전류 집전체의 접촉저항을 줄이는 방법으로 서로 맞닿는 부분의 한쪽 표면에 금, 은, 니켈, 백금, 구리 등의 금속을 증발법으로 증착시켜서 탄소전극과 전류 집전체의 접착을 달성하는 방법을 개시하였다. 그 외에도 다양한 방법의 접착제를 사용하여 위에 예시한 방법과 비슷한 방법으로 전극과 전류 집전체를 접착하는 방법을 개시하였다 (미국특허 US 5142451, US 5121301).Kurayashi et al. (Kurabayashi et al. ) Is another method in the US Patent US 5072336 to reduce the contact resistance of the carbon electrode and the current collector to reduce the contact resistance between the gold, silver, nickel, platinum, copper A method of achieving adhesion between a carbon electrode and a current collector by depositing a metal such as by the evaporation method is disclosed. In addition, a method of bonding an electrode and a current collector in a manner similar to the above-described method using various methods of adhesive is disclosed (US Pat. No. 5,142,451, US Pat. No. 5,121,301).

니시노 등 (Nishinoet al.)은 미국특허 US 4562511호에서 전극으로 사용되는 탄소섬유나 활성탄소섬유의 한쪽 면을 금속으로 표면처리해서 전류 집전체로 사용하는 방법을 개시하였다. 전극의 표면에 금속박막을 입히는 방법으로는 여러 가지 방법 (예. plasma spraying, arc-spraying, vacuum deposition, sputtering, non-electrolytic plating 및 conductive painting 등)을 사용하고 있다.Nishino et al. , In US Pat . No. 45,625,11, discloses a method of surface treating a surface of a carbon fiber or activated carbon fiber used as an electrode with a metal to be used as a current collector. There are various methods of coating metal thin films on the electrode surface (eg plasma spraying, arc-spraying, vacuum deposition, sputtering, non-electrolytic plating and conductive painting).

타타르축 등 (Tatarchuket al.)은 미국특허 US 5102745, US 5304330, US 5080963 호 등에서 파이버(fiber) 형태의 전류 집전체를 금속파이버의 파이버 융점까지 가열하여 전극과 접착시키는 방법을 개시하였다. 전류 집전체로 사용되는 금속 파이버와 전극으로 사용되는 탄소파이버를 접착시키는 공정은 다음과 같다. 직경 2㎛ 내외의 스테인레스스틸과 역시 직경 1 ~ 5 ㎛의 탄소파이버를 길이 5 ㎜ 내외로 잘라서 셀룰로오스와 물에 잘 섞은 다음 여과하고 성형 틀에 넣어서 얇은 박막의 형태로 압력을 가하여 찍어낸다. 이렇게 형성된 디스크를 높은 온도와 압력을 가하여 두개의 파이버가 교차하는 지점이 접착이 되도록 하여 내부저항을 개선한 전극을 제조하였다. 상기 문헌에서는 두개 이상의 파이버를 접합시키는데 있어서 성형에 도움을 줄 수 있는 접착제에 대해서도 언급하고 있으며, 접착시킬 수 있는 파이버의 형태는 금속, 세라믹, 탄소 등 특별히 한정하지 않고 있고, 단지 두개이상의 파이버에 대한 접착만을 언급하고 있다.Tatarchuk et al. , In US Pat. No. 5,102,745, US 5304330, US Pat. The process of adhering the metal fiber used as the current collector and the carbon fiber used as the electrode is as follows. Stainless steel with a diameter of about 2 ㎛ and carbon fiber with a diameter of 1 ~ 5 ㎛ are cut to about 5 ㎜ in length, mixed well with cellulose and water, filtered and put into a mold to apply pressure in the form of a thin film. The disk thus formed was subjected to high temperature and pressure to bond the two fibers to each other to prepare an electrode having improved internal resistance. The document also refers to an adhesive that can assist in molding two or more fibers, and the shape of the fiber to be bonded is not particularly limited to metals, ceramics, carbon, and the like. Only adhesion is mentioned.

파라만디 등 (Farahmandiet al.)은 미국특허 US 5777428 및 US 6059847호 등에서 활성탄소섬유를 천의 형태로 직조한 전극의 제조에 대해서 특허를 개시하였다. 특히 이들은 전류 집전체로 알루미늄 와이어를 사용하여, 활성탄소섬유와 함께 섬유의 형태로 직조하였다. 전극의 내부저항을 개선하기 위해서 활성탄소섬유와 알루미늄 와이어로 직조된 섬유를 알루미늄의 융점인 600℃ 이하에서 열처리 하였다. 또한 좀더 원활한 전류의 흐름을 위해서 섬유의 한쪽 면을 알루미늄 호일과 열처리에 의해서 접착시키는 방법을 개시하였다. 이곳에서 열처리는 반드시 600℃ 이하에서 수행되어야 하고 이는 탄소와 알루미늄의 반응을 억제하기 위함으로 설명하고 있다.Farahmandi et al. , In US Pat . Nos. 5,777,428 and 60,847, disclose a preparation of electrodes fabricated from activated carbon fibers in the form of cloth. In particular, they were woven in the form of fibers together with activated carbon fibers using aluminum wires as current collectors. In order to improve the internal resistance of the electrode, the fiber woven with activated carbon fibers and aluminum wire was heat-treated below 600 ℃, the melting point of aluminum. Also disclosed is a method of bonding one side of the fiber by aluminum foil and heat treatment for a smoother current flow. The heat treatment here must be carried out below 600 ℃, which is explained as to suppress the reaction of carbon and aluminum.

주커브로드 등 (Zuckerbrodet al.)은 미국특허 US 4448856호에서 전극의 접촉저항을 줄이는 수단으로 활성탄 분말과 스테인레스틸 분말을 접착제와 섞어서 전극을 제조하였다. 각각의 분말의 입도는 25∼450 ㎛로 한정되어있고, 전류 집전체인 니켈와이어나 금속판에 코팅해서 전극을 제조하였다.Zuckerbrod et al. , US Patent No. 4448856, prepared an electrode by mixing activated carbon powder and stainless steel powder with an adhesive as a means of reducing the contact resistance of the electrode. The particle size of each powder was limited to 25 to 450 mu m, and the electrode was manufactured by coating on a nickel wire or a metal plate, which is a current collector.

이상의 전극제조법들은 모두 활성탄소나 활성탄소섬유를 재료로 전류 집전체와의 저항을 줄일 수 있는 다양한 방법들을 제시하고 있다. 활성탄소는 섬유로 제조할 수 있기 때문에 전극으로 가공하는데 다양한 방법이 가능하다. 그러나 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버는 분말의 형태이고 섬유상으로 제조가 불가능하기 때문에 전극으로의 제조에 제약이 따른다. 가장 보편화된 방법은 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 접착제를 혼합하여 압착시킨 디스크 형태의 전극을 제조하는 것이다.All of the above electrode manufacturing methods suggest various methods that can reduce the resistance of the current collector with activated carbon or activated carbon fibers. Since activated carbon can be made from fibers, various methods are available for processing into electrodes. However, since carbon nanotubes or carbon nanofibers are in the form of powder and cannot be manufactured in a fibrous form, there is a limitation in manufacturing the electrodes. The most common method is to produce a disk-shaped electrode which is compressed by mixing carbon nanotubes or carbon nanofibers with an adhesive.

니우 등 (Niuet al.)은 탄소나노튜브의 표면작용기를 변화시킨 전극을 제조하였다 [참조: C. Niu et al., Appl. Phys. Lett. 70(1997), 1480-1482]. 이들은 탄소나노튜브를 질산으로 산화처리해서 표면작용기의 약 10%를 산소원자로 대체하였다. 표면처리를 거친 탄소나노튜브로 만든 전극은 그렇지 않은 전극보다 성능이 월등히 우수해 짐을 보였고, 특히 접착제를 사용하지 않고 단순히 압착만으로도 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 사이의 내부저항을 개선할 수 있고 쉽게 전극을 제조할 수 있다고 보고하였다.Niu et al. Have prepared electrodes that change the surface functional groups of carbon nanotubes . See C. Niu et al., Appl. Phys. Lett. 70 (1997), 1480-1482. They oxidized carbon nanotubes with nitric acid, replacing about 10% of the surface functional groups with oxygen atoms. Electrodes made of surface-treated carbon nanotubes showed much better performance than those that did not. Especially, it was possible to improve the internal resistance between carbon nanotubes and carbon nanotubes by simply pressing them without using adhesives. Reported that it can be prepared.

마 등 (Maet al.)은 탄소나노튜브에 PF (Phenolic resin) 분말을 접착제로 사용하여 전극을 제조하였다 [참고: R.Z. Ma, et al., J. of Power Sources, 84(1999), 126-129]. 특히 이들은 전극물질인 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 사이의 내부저항을 줄이기 위한 방법으로 접착제를 첨가하여 제조한 전극을 열처리하여 접착제 성분을 탄화시킨 전극을 제조하였고 이와 함께 탄화시킨 전극을 질산으로 표면작용기를 변화시킨 전극을 제조하여 성능을 비교하였다. 비교실험결과 PF 접착제에 의한 전극내부의 저항이 상대적으로 매우 크게 나타났으며, 접착제를 탄화시킨 전극, 질산으로 표면처리한 전극의 순서로 성능이 우수하게 평가되었다.Ma et al. Prepared an electrode using PF (Phenolic resin) powder as an adhesive on carbon nanotubes (RZ Ma, et al., J. of Power Sources, 84 (1999), 126). -129]. In particular, they produced an electrode carbonized by gluing acid by heat-treating an electrode prepared by adding an adhesive in order to reduce internal resistance between carbon nanotubes and carbon nanotubes. Was prepared to compare the performance. As a result of the comparative experiment, the resistance inside the electrode by the PF adhesive was relatively large, and the performance was excellent in the order of the carbonized electrode and the electrode treated with nitric acid.

안 등 (Anet al.)은 탄소나노튜브 사이의 접촉저항을 개선하기 위해서 접착제로 PVdC (poly(vinyldent chloride)를 사용하여 압착한 후 탄화시킨 전극을 제조하였다 [참고: K. H. An, et al., Adv. Mater., 13(2001), 497]. 특히 본 문헌에서는 탄소나노튜브로 구성된 전극과 전류 집전체로 사용된 니켈 호일 사이의 접촉저항을 개선하기 위해서 표면을 폴리싱 처리한 것과 니켈 폼(form) 을 사용하여 탄소나노튜브 전극과 압착하여 수퍼커패시터에 사용되는 전극을 제조하였다. 전극의 ESR (Equivalent Series Resistance)을 비교한 결과, 폴리싱한 니켈 호일은 그렇지 않은 니켈 호일을 사용했을 때 보다 내부저항이 반으로 줄었으며, 전류 집전체로 니켈 폼을 사용한 전극은 내부저항이 1/4로 감소했다.An et al. Prepared a carbonized electrode that was pressed and bonded with PVdC (poly (vinyldent chloride)) as an adhesive to improve the contact resistance between carbon nanotubes [KH An, et al. , Adv. Mater., 13 (2001), 497. In particular, in this document, the surface is polished and nickel foam is used to improve the contact resistance between the electrode made of carbon nanotubes and the nickel foil used as the current collector. The electrode was used for the supercapacitor by compressing the carbon nanotube electrode using a form), and comparing the ESR (Equivalent Series Resistance) of the electrode showed that the polished nickel foil was more internal than the non-nickel foil. The resistance was cut in half, and the internal resistance of the electrode using nickel foam as the current collector was reduced to 1/4.

에머네거 등 (Emmeneggeret al.)은 전류 집전체로 사용될 수 있는 금속판 등에 직접 탄소나노튜브를 성장시킨 전극을 제조하였다 [참조: Ch. Emmenegger,et al., Appl. Surf. Sci., 162-163(2000), 452-456]. 전류 집전체로 사용되는 금속판에 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 금속을 분산시킨 후 CVD방법으로 전극을 제조하였다. 이렇게 제조된 전극은 전류 집전체와 개개의 탄소나노튜브가 접촉된 전극이 되므로 내부저항을 상당히 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 탄소나노튜브와 전류 집전체간의 결합력이 약해서 쉽게 떨어져 나가고 별도로 제조된 탄소나노튜브를 압착하여 제조한 전극보다 탄소나노튜브의 밀도가 낮으며, 전류 집전체 위에서 결정화가 높은 탄소나노튜브를 제조하기 어렵다는 단점이 있다.Emmenegger et al. Produced an electrode in which carbon nanotubes were grown directly on a metal plate that can be used as a current collector. Emmenegger, et al. , Appl. Surf. Sci., 162-163 (2000), 452-456]. After dispersing a metal capable of growing carbon nanotubes on a metal plate used as a current collector, an electrode was manufactured by a CVD method. The electrode thus manufactured is expected to be able to significantly reduce the internal resistance since the current collector and the individual carbon nanotubes are in contact with each other. However, the carbon nanotubes are easily separated because the bonding force between the carbon nanotubes and the current collector is weak, and the density of the carbon nanotubes is lower than that of the electrode manufactured by compressing the separately manufactured carbon nanotubes. The disadvantage is that it is difficult.

이상의 연구결과들을 살펴보면 전극내부의 저항을 효과적으로 줄이면 전극의 성능을 월등히 개선시킬 수 있음을 알 수 있다. 상기 언급된 문헌들에서 볼 수 있듯이 다양한 방법으로 탄소나노튜브를 가공하여 전극을 제조하는 가장 보편화된 방법은 유기접착제를 사용하는 것이다. 그러나 유기접착제를 사용하면 가공은 쉬우나 전극의 내부저항을 증가시키는 단점이 있다.Looking at the above results, it can be seen that effectively reducing the internal resistance of the electrode can significantly improve the performance of the electrode. As can be seen from the above-mentioned documents, the most common method for manufacturing electrodes by processing carbon nanotubes in various ways is to use organic adhesives. However, when the organic adhesive is used, processing is easy, but there is a disadvantage of increasing the internal resistance of the electrode.

뿐만 아니라, 접착제로 사용되는 PF, PVdC, PTFE 등은 탄소나노튜브와의 친화력이 우수해서 탄소나노튜브를 접착제와 혼합하여 가공하였을 경우 탄소나노튜브의 표면을 대부분 덮어버리게 된다. 따라서, 단순히 유기접착제를 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 유기접착제를 첨가한 후 탄화시킨 경우에는 전극 전체가 이러한 유기접착제에서 유래하며 저항이 상대적으로 큰 열분해카본들로 감싸이게 된다.In addition, PF, PVdC, PTFE, etc., which are used as adhesives, have an excellent affinity with carbon nanotubes, so that when the carbon nanotubes are mixed with an adhesive and processed, most of the surfaces of the carbon nanotubes are covered. Therefore, instead of simply mixing and using organic adhesives, when the organic adhesive is added and carbonized, the entire electrode is derived from such organic adhesive and is wrapped with pyrolytic carbons having relatively high resistance.

본 발명자는, 2차전지, 수퍼커패시터 또는 연료전지에 사용될 수 있는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극을 제조하는데 있어서, 나노크기의 금속입자 또는 금속화합물입자를 접착제로 사용하고 압력 및/또는 열을 가하여 압착 및/또는 열처리함으로써 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이를 접합시키고 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 전류집전체 사이를 접착시킴으로써, 전극 내의 내부저항을 상당히 저하시킬 수 있을 뿐만 아니라, 내구성이 강하며 접착표면에서의 저항이 거의 최소화되어 궁극적으로 ESR(Equivalent Series Resistant)이 매우 낮은 전극체를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM In the manufacture of a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode which can be used for a secondary battery, a supercapacitor, or a fuel cell, this inventor uses nano size metal particle or a metal compound particle as an adhesive agent, and uses pressure and / or heat. By bonding and / or heat-treating to bond carbon nanotubes or carbon nanofibers and bonding carbon nanotubes or carbon nanofibers with a current collector, not only can the internal resistance in the electrode be significantly reduced, but also the durability is high. In addition, the present inventors have found that the resistance of the adhesive surface is almost minimized, and thus, an electrode body having a very low ESR (Equivalent Series Resistant) can be manufactured.

그림 1은 구리를 탄소나노튜브의 표면에 담지하여 열처리 과정을 거쳐서 제조한 전극의 라곤 플롯(Ragone plot)이다.Figure 1 shows a Ragone plot of an electrode manufactured by annealing copper on the surface of carbon nanotubes.

본 발명의 목적은 전류 집전체, 접착제인 금속나노입자 및 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 포함하고, 전술한 금속나노입자는 전술한 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 부착 또는 융착되어 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이의 접합 및 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 전류집전체 사이의 접착을 달성하고 있는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버로 구성된 전극을 제공하는 것이다.An object of the present invention includes a current collector, metal nanoparticles, which are adhesives, and carbon nanotubes or carbon nanofibers, and the above-described metal nanoparticles are attached or fused to the surface of the above-described carbon nanotubes or carbon nanofibers, and thus carbon nanoparticles. The present invention provides an electrode composed of carbon nanotubes or carbon nanofibers that achieves bonding between a tube or carbon nanofibers and adhesion between a carbon nanotube or a carbon nanofiber and a current collector.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 전술한 금속나노입자는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 중량을 기준으로 0.01 내지 3배의 양으로 사용된다.In one preferred embodiment of the present invention, the aforementioned metal nanoparticles are used in an amount of 0.01 to 3 times based on the weight of the carbon nanotubes or carbon nanofibers.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 전술한 금속나노입자를 구성하는 금속은 알칼리금속, 알칼리토금속, 전형금속, 전이금속으로 구성된 군에서 선택되며, 금속 자체, 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 산화물 및 금속 질화물로 구성된 군에서 선택될 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the metal constituting the metal nanoparticles described above is selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, typical metals, transition metals, the metal itself, metal sulfides, metal carbides, metal oxides And metal nitrides.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 전술한 금속나노입자는 1 ㎛ 이하의 평균입경을 갖는다.In one preferred embodiment of the present invention, the aforementioned metal nanoparticles have an average particle diameter of 1 μm or less.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 전술한 전류 집전체는 금속을 주성분으로 하여 플레이트, 망, 폼(form) 의 형태 중에서 선택될 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the current collector described above may be selected from the form of a plate, a net, or a form based on metal.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 전술한 금속나노입자는 1 내지 500 기압 하에서 압착시키거나 금속 또는 금속화합물의 융점 ±500℃의 온도에서 열처리함으로써 탄소나노튜브에 부착 또는 융착되어 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the above-described metal nanoparticles are attached or fused to the carbon nanotubes by pressing at 1 to 500 atm or by heat treatment at a temperature of ± 500 ° C. of the metal or metal compound.

본 발명의 또다른 목적은, 하기 단계로 구성된 탄소나노튜브 전극의 제조방법을 제공하는 것이다: (1) 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 분말을 금속나노입자 접착제와 혼합 또는 담지하여 전극물질을 제조하고, (2) 상기 전극물질을 1차로 압착하여 압착된 전극물질을 제조하고, (3) 상기 1차로 압착된 전극물질을 전류 집전체 상에 위치시키고 2차로 압착 또는 열처리함으로써 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 사이를 접합시키고 동시에 전류 집전체와 전극물질을 접착시키는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing a carbon nanotube electrode comprising the following steps: (1) preparing an electrode material by mixing or supporting carbon nanotube or carbon nanofiber powder with a metal nanoparticle adhesive; (2) pressing the electrode material first to prepare a compressed electrode material, and (3) placing the first-compressed electrode material on a current collector and pressing or heat-treating secondly to obtain carbon nanotubes and carbon nano Bonding between the tubes and at the same time bonding the current collector and the electrode material.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 상기 단계 (2)에서, 전술한 전극물질을 전류 집전체 위에 균일하게 분산시키거나 또는 분산과 동시에 1차로 압착시키며 압착은 1 내지 500 기압 하에 수행될 수도 있다.In one preferred embodiment of the invention, in step (2), the above-described electrode material is uniformly dispersed on the current collector or simultaneously compressed at the same time as the dispersion, and the pressing may be performed under 1 to 500 atmospheres. have.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 상기 단계 (3)에서, 전술한 금속나노입자는 1 내지 500 기압 하에 압착되거나 사용된 금속 또는 금속화합물의 융점 ±500℃의 온도에서 열처리된다.In one preferred embodiment of the present invention, in the step (3), the above-described metal nanoparticles are heat treated at a melting point ± 500 ° C. of the metal or metal compound pressed or used under 1 to 500 atm.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 단계 (1)에서, 탄소나노튜브와 금속나노입자의 혼합은 물리적 혼합법, 초음파를 이용한 혼합법, 용매를 이용한 혼합법, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 고르게 분산시키는 법으로 구성된 군에서 선택되는 방법에 의해 행해진다.In one preferred embodiment of the present invention, in step (1), the carbon nanotubes and the metal nanoparticles are mixed by physical mixing, ultrasonic mixing, solvent mixing, carbon nanotubes or carbon nanofibers. It is carried out by a method selected from the group consisting of a method of uniformly dispersed on the surface of.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 전술한 '탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 고르게 분산시키는 법'은 금속나노입자의 전구체를 촉매담지법과 같은 담지법에 의해 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버에 담지한 다음 임의의 산화 또는 환원을 거치는 방법, 침전법, 화학기상증착법, 전착(electroplating), 플라즈마 스프레잉, 및 스퍼터링으로 구성된 군에서 선택되는 방법에 의해 수행된다.In one preferred embodiment of the present invention, the above-mentioned 'method of evenly dispersing the surface of the carbon nanotubes or carbon nanofibers' is carbon nanotubes or carbon nanoparticles by a supporting method such as a catalyst carrying method. It is carried out by a method selected from the group consisting of supporting on the fiber and then undergoing any oxidation or reduction, precipitation method, chemical vapor deposition method, electroplating, plasma spraying, and sputtering.

한편, 본 발명에 있어서, 금속화합물로 된 나노입자를 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버에 부착된 경우에, 이러한 금속화합물은 1차 압착 전후, 또는 2차 압착/열처리 전후에 완전히 또는 부분적으로 금속으로 환원시킬 수도 있다. 금속화합물 입자들을 완전히 또는 부분적으로 금속입자로 환원시키면, 전기전도도가 향상되고 금속의 연성 또는 전성으로 인해 가공성이 증대하여 접착제로서의 효과가 증대하는 반면, 리튬과 같은 금속의 경우에는 반응성이 증대하여 취급에 어려움이 있을 수도 있으므로, 필요에 따라 금속화합물을 환원시킨다. 이러한 금속화합물의 환원은 당 업계에서 통상적으로 행하는 방법, 예를 들면 기체상 수소적 환원방법 등에 의해 수행될 수 있다.On the other hand, in the present invention, when the nanoparticles of the metal compound are attached to the carbon nanotubes or carbon nanofibers, the metal compound is completely or partially before or after the primary compression or the secondary compression / heat treatment. It may also be reduced. Reducing the metal compound particles to the metal particles completely or partially improves the electrical conductivity and increases the workability due to the ductility or malleability of the metal, thereby increasing the effect as an adhesive. There may be difficulties in reducing the metal compound as necessary. Reduction of such a metal compound may be carried out by a method commonly performed in the art, for example, a gaseous hydrogen reduction method or the like.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 1차 압착은 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 디스크의 형태나 얇은 막의 형태로 성형할 수 있을 정도의 압력으로 수행된다. 이러한 압력은 일반적으로 1 내지 100 기압의 압력하에 선택된다.In one preferred embodiment of the present invention, the primary compression is carried out at a pressure sufficient to form carbon nanotubes or carbon nanofibers in the form of disks or thin films. This pressure is generally selected under a pressure of 1 to 100 atmospheres.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 단계 (3)에서, 압착과 열처리는 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다.In one preferred embodiment of the invention, in step (3), the pressing and heat treatment can be carried out simultaneously or sequentially.

본 발명의 하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 단계 (3)에서, 열처리는 열적 가열법(thermal heating), 화학기상증착법, 플라즈마, RF(radio frequency), 마이크로파(microwave)에 의한 가열법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행된다.In one preferred embodiment of the invention, in step (3), the heat treatment is a group consisting of thermal heating, chemical vapor deposition, plasma, radio frequency (RF), microwave heating (microwave) Is performed in the manner selected.

본 발명의 또다른 목적은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의, 전기이중층 축전기, 2차 전지 또는 연료전지에서의 용도에 관한 것이다.Another object of the present invention relates to the use of a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to the present invention in an electric double layer capacitor, a secondary cell or a fuel cell.

이하에 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.The present invention is explained in more detail below.

본 발명이 이루고자하는 과제는 전극을 구성하는 탄소나노튜브 사이를 접합시키는데 있어서 금속 또는 금속화합물 나노입자를 사용하여 금속입자의 녹는점이나 그 이상의 온도로 접합시킴으로써 탄소나노튜브를 안정적으로 접합시키고, 저항이 거의 없고 안정한 금속으로 접합시킴으로써 전극의 내부저항을 획기적으로 개선하고 유기접착제를 사용하거나 탄소접착제를 사용한 전극에서 보다 뛰어난 내구성을 갖는 전극의 제조에 있다.The problem to be achieved by the present invention is to stably bond the carbon nanotubes by using metal or metal compound nanoparticles to join the carbon nanotubes constituting the electrode at the melting point or above the temperature of the metal particles, thereby stably This is achieved by significantly improving the internal resistance of the electrode by joining with this almost stable metal and producing an electrode having higher durability in an electrode using an organic adhesive or a carbon adhesive.

또한 본 발명은 압력을 가하여 전류 집전체와 전극물질을 물리적으로 붙이는 기존의 단순한 방법이 아니라 전류 집전체와 전극물질 사이의 직접적인 결합을 유도할 수 있는 에너지를 사용하여 접착시킴으로써 전극의 ESR을 최소화하여 높은 효율의 전극을 제조하는 것이다.In addition, the present invention is not a conventional simple method of physically attaching the current collector and the electrode material by applying pressure, but by minimizing ESR of the electrode by gluing using energy capable of inducing direct coupling between the current collector and the electrode material. It is to produce an electrode of high efficiency.

본 발명에 있어서, 전류 집전체는 전기를 잘 통할 수 있는 금속 플레이트, 망, 폼(form)의 형태가 사용되고, 전극물질로는 탄소성분으로 된 전극물질, 특별하게는 탄소나노튜브로 된 전극물질이 사용된다.In the present invention, the current collector is used in the form of a metal plate, a net, a form that can be easily passed through the electricity, the electrode material of the electrode material of the carbon component, in particular the electrode material of carbon nanotubes This is used.

상술한 바처럼, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버는 전극물질로서 매우 우수한 성질을 가지고 있지만 실제 전극으로 제조되어서 높은 효율을 보이려면 해결해야 할 많은 문제들이 있다. 활성탄소의 경우는 섬유로 제조될 수 있기 때문에 전극으로의 적용에 큰 어려움은 없다. 또한 금속 파이버와 함께 활성탄소섬유를 직조한다거나 하면 전류 집전체와의 접합에 대한 문제도 어느 정도 해결할 수 있다. 그러나 탄소나노튜브는 직경이 수백 ㎚에 이르지 못하고 길이도 수 내지 수십 ㎛를 벗어나지 못하는 입자의 형태를 띠고 있으며, 또한 섬유상으로는 제조가 실질적으로 불가능하다.As described above, carbon nanotubes or carbon nanofibers have very excellent properties as electrode materials, but there are many problems to be solved in order to show high efficiency by being manufactured with real electrodes. Since activated carbon can be made of fibers, there is no great difficulty in application to electrodes. In addition, weaving activated carbon fibers together with metal fibers can solve some of the problems of bonding to current collectors. However, carbon nanotubes are in the form of particles which do not reach hundreds of nm in diameter and do not deviate from several to several tens of micrometers in length, and are not practically manufactured in fibrous form.

따라서 전극을 제조하려면 전류 집전체에 접착시켜야 하고, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이에도 접합을 시켜야 한다. 이와 같이 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 전극으로 사용하려면 반드시 접착제를 사용하여 가공해야 한다.Therefore, in order to manufacture an electrode, it must be bonded to a current collector, and also bonded to carbon nanotubes or carbon nanofibers. As such, to use carbon nanotubes or carbon nanofibers as electrodes, they must be processed using adhesive.

본 발명에 있어서는, 금속나노입자를 접착제로서 사용하기 때문에, 기존의 유기접착제나 탄소성분의 접착제를 사용하는 것에 비해 여러 가지 이점을 가지고 있는데, 예를 들면 다음과 같다.In the present invention, since the metal nanoparticles are used as the adhesive, they have various advantages as compared to the conventional organic adhesives and carbon-based adhesives, for example.

첫째, 금속입자를 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이의 접착제로 사용할 경우 유기접착제나 탄화시킨 탄소접착제와는 달리 접착제에 의한 내부저항이 거의 없다. 둘째, 금속입자를 물리적으로 혼합하거나 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 담지한 후 열처리하여 접합시키는 것이므로 기존의 다른 접착제들과는 달리 탄소나노튜브나 탄소나노파이버의 표면을 완전히 덮어서 발생할 수 있는 탄소나노튜브나 탄소나노파이버가 가지고 있는 본래의 장점들을 상쇄시키는 역할을 하지 않는다. 셋째, 유기접착제나 탄소접착제의 단점으로 지적되고 있는 내구성의 측면에서도 주어진 전해질에 내부식성이 있는 금속을 선택하면 되므로 금속입자에 의한 접합은 훨씬 뛰어난 장점을 가지고 있다. 넷째, 유기접착제는 전해질 성분에쉽게 녹아나오거나 강한 부식성 전해질과는 쉽게 반응하여 접착제로써의 역할을 충분히 하지 못하는 반면 금속입자는 이러한 단점이 거의 없다.First, when the metal particles are used as an adhesive between carbon nanotubes or carbon nanofibers, unlike organic adhesives or carbonized carbon adhesives, there is almost no internal resistance by the adhesive. Second, since the metal particles are physically mixed or supported on the surface of carbon nanotubes or carbon nanofibers, and then bonded by heat treatment, carbon nanotubes, which can be generated by completely covering the surface of carbon nanotubes or carbon nanofibers, unlike other conventional adhesives It does not counteract the inherent advantages of tubes or carbon nanofibers. Third, in terms of durability, which has been pointed out as a disadvantage of organic adhesives and carbon adhesives, it is necessary to select a metal having corrosion resistance in a given electrolyte, and thus bonding by metal particles has much superior advantages. Fourth, organic adhesives are easily dissolved in the electrolyte components or easily react with strong corrosive electrolytes, and thus do not sufficiently serve as adhesives, whereas metal particles have almost no such disadvantages.

한편, 위와 같은 이점은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극을 2차전지의 캐쏘드 전극으로서 매우 효과적으로 사용될 수 있게 해준다. 2차 전지를 오랜 시간 사용할 경우에 수명이나 성능이 줄어드는 주요 원인으로는 방전 시에 석출되는 고체물질들이 내부 단락을 형성하거나 전극의 내부 표면적을 막아서 결과적으로 전해질이 닿을 수 있는 전극의 표면적을 줄이는데 기인한다. 이를 일반적으로 캐쏘드 막힘 (cathode clogging)이라 하는데 이는 마이크로세공이 없고 물질전달이 쉽게 일어날 수 있는 구조로 되어있는 나노튜브 혹은 나노파이버 전극을 이용하면 해결할 수 있다. 특히 본 발명에서 고안된 방법으로 제조된 내부저항이 매우 작고 내구성이 우수한 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극은 2차전지의 캐쏘드 전극으로서도 뛰어난 효과를 발휘할 수 있다.On the other hand, the above advantages make it possible to use the carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to the present invention very effectively as a cathode electrode of a secondary battery. The main reason for the decrease of lifespan or performance when using secondary batteries for a long time is that solid materials deposited during discharge form internal short-circuits or block the internal surface area of the electrode, thereby reducing the surface area of the electrode that the electrolyte can reach. do. This is commonly referred to as cathode clogging, which can be solved by using nanotubes or nanofiber electrodes that have no micropores and are structured to facilitate material transfer. In particular, a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode having a very small internal resistance and excellent durability manufactured by the method devised in the present invention may exert an excellent effect as a cathode electrode of a secondary battery.

이와함께 전극의 저항이 매우 작고 반응가스의 확산이 매우 유리한 구조로 되어있는 탄소나노튜브나 탄소나노파이버 전극은 연료전지의 전극으로도 기존의 탄소전극보다 월등히 우수한 성능을 발휘할 수 있다.In addition, the carbon nanotube or carbon nanofiber electrode, which has a very small resistance of the electrode and a structure in which the diffusion of the reaction gas is very advantageous, can exhibit excellent performance even as a fuel cell electrode.

본 발명의 또다른 목적인 탄소나노튜브나 탄소나노파이버 전극의 제조에 관해 설명한다. 상술한 바처럼, 본 발명은 금속나노입자를 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 혼합하거나 다양한 담지법을 이용하여 탄노나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 나노입자를 형성시킨 후, 압착 및/또는 열처리 과정을 거쳐서 내부저항을 줄인 전극을 제조하는 방법을 제공한다.The production of carbon nanotubes or carbon nanofiber electrodes, which is another object of the present invention, will be described. As described above, the present invention mixes the metal nanoparticles with carbon nanotubes or carbon nanofibers or forms nanoparticles on the surface of the carbon nanofibers or carbon nanofibers using various supporting methods, followed by compression and / or heat treatment. It provides a method of manufacturing an electrode with a reduced internal resistance through the process.

이때 압착과 열처리를 모두 적용하는 경우에는 이들을 순차적으로 행할 수도 있고 또는 동시에 행할 수 있다. 구체적으로, 나노입자와 혼합된 탄소나노튜브나 탄소나노파이버를 압착한 다음 열처리하거나, 나노입자가 혼합된 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 압착과 동시에 열처리하는 방법이 있다. 전류 집전체와의 접합도 위와 같이 압착과 열처리를 분리해서 순차적으로 수행할 수도 있고, 동시에 수행할 수도 있다.At this time, when both crimping and heat treatment are applied, these may be performed sequentially or simultaneously. Specifically, there is a method of compressing carbon nanotubes or carbon nanofibers mixed with nanoparticles followed by heat treatment, or simultaneously heat-treating carbon nanotubes or carbon nanofibers mixed with nanoparticles. Bonding with the current collector may be performed sequentially by separating the compression and heat treatment as described above, or may be performed simultaneously.

본 발명의 바람직한 구현 예에 따르면, 공정을 간단하게 하기 위해서, 접착제인 금속입자가 담지 또는 혼합되어 있는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 전류 집전체 위에 고르게 분산 배치시키고, 압착과 열처리를 동시에 수행하여 전극을 제조할 수도 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, in order to simplify the process, the carbon nanotubes or carbon nanofibers on which the metal particles, which are adhesives are supported or mixed, are evenly distributed and disposed on a current collector, and the compression and heat treatment are performed simultaneously. It is also possible to produce an electrode.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법에 있어서, 접착제로 사용되는 나노입자와 나노튜브를 균일하게 혼합하는 것이 중요하나, 금속나노입자와 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 균일하게 혼합할 수 있는 방법이면 특별히 한정되지 아니한다. 금속나노입자와 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 균일하게 혼합할 수 있는 방법으로는 물리적 혼합법, 초음파를 이용한 혼합법, 일반적으로 용매에 균일하게 분산시킨 후 용매를 제거하는 방법 등을 언급할 수 있다.In the method of manufacturing a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to the present invention, it is important to uniformly mix nanoparticles and nanotubes used as an adhesive, but uniformly mix metal nanoparticles and carbon nanotubes or carbon nanofibers. It will not specifically limit, if it is a method which can be mixed. As a method of uniformly mixing the metal nanoparticles with carbon nanotubes or carbon nanofibers, physical mixing, ultrasonic mixing, or the like may be mentioned. have.

본 발명의 명세서에 있어서, 금속이란 사전적인 의미로서 전기전도성을 가지고 있다면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 비금속 (원소주기율표상의 Ⅷ족, Ⅶ족의 F, Cl, Br, I, Ⅵ족의 O, S, Ⅴ족의 N 및 Ⅰ족의 H) 및 반금속 (원소주기율표상의 Ⅲ족의 B, Ⅳ족의 C, Si, Ge, Ⅴ족의 Se, Te, Po)을 제외한 모든 원소를 의미한다. 구체적으로, 본 발명에 있어서 금속이란 알칼리금속, 알칼리토금속과 같은 전형금속 및 전이금속을 포함하며, 전기를 쉽게 통할 수 있고, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 혼합하거나 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 담지법으로 담지하여 압착한 후 열처리를 하여서 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이를 접착할 수 있으면 종류는 크게 구애를 받지 않는다.In the specification of the present invention, the metal is not particularly limited as long as it has electrical conductivity as a dictionary meaning. For example, a base metal (O, group F, Cl, Br, I, VI of group VIII or group VIII) , S, Group N, and Group I, H) and semimetals (all elements except Group III B, Group IV C, Si, Ge, Se Group V, Se, Te, Po) . Specifically, in the present invention, the metal includes typical metals such as alkali metals and alkaline earth metals and transition metals, and can be easily passed through electricity, mixed with carbon nanotubes or carbon nanofibers, or carbon nanotubes or carbon nanofibers. If the surface is supported by the supporting method, pressed, and then heat-treated to bond the carbon nanotubes or the carbon nanofibers, the type is not greatly affected.

본 발명에서 있어서, 금속나노입자의 금속은 금속 자체뿐만 아니라, 다른 금속과의 합금이나 다른 금속화합물의 형태, 예를 들면 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 등과 같은 형태로 사용될 수 있다. 따라서 본 명세서에 있어서 금속나노입자란 금속의 나노입자 뿐만 아니라 금속화합물의 나노입자도 포함한다. 나노입자란 그 물질을 구성하는 입자들의 평균직경이 1 ㎛ 이하, 바람직하게는 10 내지 500 ㎚, 더욱 바람직하게는 50 내지 100 ㎚을 가짐을 의미한다. 또, 금속나노입자들의 입도분포는 입자들의 50% 이상, 바람직하게는 70%, 더욱 바람직하게는 90% 이상이 1 ㎛ 이하의 입자직경을 갖도록 하는 것이 좋다.In the present invention, the metal of the metal nanoparticles can be used not only in the metal itself, but also in the form of alloys or other metal compounds with other metals, for example, metal oxides, metal sulfides, metal nitrides, metal carbides, and the like. Therefore, in the present specification, metal nanoparticles include not only metal nanoparticles but also nanoparticles of metal compounds. By nanoparticles is meant that the average diameter of the particles constituting the material has 1 μm or less, preferably 10 to 500 nm, more preferably 50 to 100 nm. In addition, the particle size distribution of the metal nanoparticles may be such that at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 90% of the particles have a particle diameter of 1 μm or less.

본 발명에 있어서, 나노입자란 그 물질을 구성하는 입자들의 입도분포가 나노 스케일까지를 포함하는 것을 의미하며, 실질적으로는 전극물질인 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 입자 간의 미시적인 접착을 줄 수 있다면, 평균입자직경이 수 ㎛ 내지 수십 ㎛인 입자들일 수도 있다.In the present invention, the nanoparticle means that the particle size distribution of the particles constituting the material includes up to nanoscale, and if it can give microscopic adhesion between carbon nanotubes or carbon nanofiber particles, which are substantially electrode materials, The particles may be particles having an average particle diameter of several micrometers to several tens of micrometers.

탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 접착제로 사용되는 나노입자의 제조방법은 특별히 한정되지 않고 기계적 분쇄법, 공침법, 분무법, 졸-겔법, 전기 분해법, 에멀젼법 또는 역상 에멀젼법 등 일반적으로 나노입자를 만들 수 있는 방법으로 제조된 것이면 어떤 것이든 상관없다.The method for producing nanoparticles used as an adhesive for carbon nanotubes or carbon nanofibers is not particularly limited, and generally, nanoparticles such as mechanical grinding, coprecipitation, spraying, sol-gel, electrolysis, emulsion, or reverse phase emulsion methods are generally used. It doesn't matter if it's manufactured in a way that can be made.

또한 나노입자를 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 담지하는 방법으로는, 촉매를 지지체에 담지할 때 통상적으로 사용될 수 있는 담지법(impregnation), 침전법(precipitation), 졸-겔법(sol-gel), 금속을 지지체에 부착시킬 때 일반적으로 사용될 수 있는 화학적 기상증착(CVD), 스퍼터링(Sputtering), 증발법(Evaporation) 등과 같이, 접착제로 사용되는 나노입자를 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 담지할 수 있는 방법이면 특별히 한정되지 않는다.In addition, as a method of supporting the nanoparticles on the surface of the carbon nanotubes or carbon nanofibers, impregnation, precipitation, sol-gel method that can be commonly used when the catalyst is supported on the support gel), chemical vapor deposition (CVD), sputtering, evaporation, etc., which can be generally used when attaching a metal to a support, such as carbon nanotubes or carbon nanofibers. It will not specifically limit, if it is a method which can be supported on a surface.

본 발명에 있어서, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 금속나노입자의 혼합물로 된 전극물질을 압착하는 공정은 종래의 방법에 따라 행해질 수 있는데, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 금속나노입자의 혼합물로 된 전극물질을 임의의 압력, 예를 들면 1 내지 500 기압의 압력 하에 임의의 형상, 예를 들면 디스크 형상으로 1차 압착할 수 있다.In the present invention, the step of pressing the electrode material made of carbon nanotubes or a mixture of carbon nanofibers and metal nanoparticles may be carried out according to a conventional method, which is a mixture of carbon nanotubes or carbon nanofibers and metal nanoparticles. The electrode material can be primary-squeezed into any shape, for example disc shape, under any pressure, for example from 1 to 500 atm.

이렇게 제조된 디스크 형상의 압착된 전극물질은 1 내지 500 기압의 압력 하에 및/또는 접착제로 사용한 금속입자나 금속화합물입자를 용융이나 그와 유사한 상태로 만들어지는 온도 하에 2차 압착 및/또는 열처리되는데, 이러한 2차 압착/열처리에 의해 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버에 부착된 금속나노입자는 탄소나노튜브들 혹은 탄소나노파이버을 3차원적으로 교락(junction)시키거나 융착시키며, 마찬가지로 전극물질과 전류 집전체를 원활히 접합시킨다.The disk-shaped compressed electrode material thus prepared is subjected to secondary compression and / or heat treatment under a pressure of 1 to 500 atm and / or at a temperature at which metal particles or metal compound particles used as an adhesive are melted or similarly formed. The metal nanoparticles attached to the carbon nanotubes or the carbon nanofibers by the second compression / heat treatment entangle or fusion the carbon nanotubes or the carbon nanofibers three-dimensionally. Seamlessly join the whole.

탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버에 부착된 금속나노입자들을 열처리하는 방법으로는 금속원소 또는 금속화합물을 가열할 수 있는 방법이라면 제한이 없으며, 예를 들면, 열적 가열법(thermal heating), CVD(chemical vapor deposition), 플라즈마, RF(radio frequency) 가열법, 마이크로파(microwave)에 의한 가열법 등을 언급할 수 있다.The method of heat-treating the metal nanoparticles attached to the carbon nanotubes or carbon nanofibers is not limited as long as it can heat the metal element or the metal compound. For example, thermal heating, CVD (chemical) vapor deposition, plasma, radio frequency (RF) heating, microwave heating, and the like.

상기 열처리의 과정에서 열처리 온도와 시간은 접착제로 사용되는 금속의 종류에 따라 달라지는데, 금속나노입자가 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이를 교락 또는 융착시킬 수 있게 하는 조건이면 특별히 한정되진 않으나, 특별하게는 금속나노입자의 융점에서 ±500℃의 범위, 바람직하게는 ±100℃의 범위이다. 상기 열처리를 압착과 동시에 행할 경우에는, 압착 압력에 따라 열처리 온도를 조절할 수 있는데, 예를 들면 압착압력이 높을수록 열처리 온도는 낮아질 수 있다.In the heat treatment process, the heat treatment temperature and time vary depending on the type of metal used as the adhesive, but are not particularly limited as long as the metal nanoparticles can entangle or fusion between carbon nanotubes or carbon nanofibers. Is in the range of ± 500 ° C, preferably in the range of ± 100 ° C at the melting point of the metal nanoparticles. When the heat treatment is performed simultaneously with the pressing, the heat treatment temperature can be adjusted according to the pressing pressure. For example, the higher the pressing pressure, the lower the heat treatment temperature.

또 이러한 열처리에 의해 전류 집전체의 표면을 용융시키거나 그와 유사한 상태로 만들어서 전극과 접합시킬 수도 있다.In addition, by the heat treatment, the surface of the current collector may be melted or made in a similar state to be bonded to the electrode.

본 발명은 이하의 실시 예를 참고로 더욱 상세히 설명되나 이들로 한정되지는 않는다.The invention is described in more detail with reference to the following examples, but is not limited thereto.

[전극의 제조][Production of Electrode]

실시예 1Example 1

구리화합물 나노입자를 탄소나노튜브에 담지하고, 이를 환원시켜 제조된 구리나노입자를 접착제로 사용한 예이다.Copper nanoparticles are supported on carbon nanotubes, and copper nanoparticles prepared by reducing them are used as adhesives.

전극의 재료로 사용된 탄소나노튜브는 촉매적 기상법으로 제조된 SWCNT(single wall carbon nanotube) (KH Chemicals Co.)이며, 이의 평균직경은 6 ㎚이고 표면적은 210 ㎡/g이었다.The carbon nanotubes used as the material of the electrode were a single wall carbon nanotube (SWCNT) prepared by a catalytic gas phase method (KH Chemicals Co.), having an average diameter of 6 nm and a surface area of 210 m 2 / g.

탄소나노튜브와 구리를 8:2(CNT:Cu)의 중량비로 하여서 Cu(NO3)2를 담지법으로 담지하였다. 구리화합물 나노입자가 담지된 탄소나노튜브를 110℃에서 하루동안 건조하고, 수소 분위기 하에서 400℃에서 2시간 동안 환원시켰다. 이렇게 제조된 구리나노입자가 담지된 탄소나노튜브를 10기압으로 압착하여 디스크(disc) 형상으로 만들었다.Cu (NO 3 ) 2 was supported by a supporting method with a carbon nanotube and copper at a weight ratio of 8: 2 (CNT: Cu). The carbon nanotubes carrying the copper compound nanoparticles were dried at 110 ° C. for one day, and reduced at 400 ° C. for 2 hours under a hydrogen atmosphere. The carbon nanotubes carrying the thus prepared copper nanoparticles were pressed at 10 atmospheres to form discs.

전류 집전체인 두께 75㎛의 니켈 포일 위에, 상기 단계에서 제조된 구리나노입자가 담지된 탄소나노튜브 디스크를 올려놓고 질소 분위기 하에서 10기압으로 압착하며 900℃에서 10분간 유지하여 전극을 제조하였다. 이렇게 제조된 전극의 두께는 150∼300㎛ 이었다.On the nickel foil having a thickness of 75 μm, which is a current collector, a carbon nanotube disk carrying copper nanoparticles prepared in the above step was placed, pressed at 10 atm under nitrogen atmosphere, and maintained at 900 ° C. for 10 minutes to prepare an electrode. The electrode thus prepared had a thickness of 150 to 300 µm.

실시예 2Example 2

실시예 1에서와 같은 방법으로, 구리화합물 나노입자가 담지된 탄소나노튜브를 환원시킴으로써 제조된 구리나노입자가 담지된 탄소나노튜브 분말을 전류 집전체인 니켈 호일 위에 균일하게 분산시킨 후 질소분위기 하에서 1100℃로 유지하며 압착하여 전극을 제조하였다. 이때 가해진 압력은 10기압이었고 압착시간은 5분이었다.In the same manner as in Example 1, the carbon nanotube powder loaded with copper nanoparticles prepared by reducing the carbon nanotubes carrying the copper compound nanoparticles was uniformly dispersed on a nickel foil which is a current collector, and then under a nitrogen atmosphere. The electrode was manufactured by pressing while maintaining at 1100 ° C. The pressure applied was 10 atm and the compression time was 5 minutes.

실시예 3Example 3

역상에멀젼 방법에 의해서 제조된 구리나노입자를 탄소나노튜브의 접착제로사용한 실시예이다.Copper nanoparticles prepared by the reversed phase emulsion method is an embodiment using an adhesive of carbon nanotubes.

실시예 1에서 사용한 것과 같은 SWCNT (single wall carbon nanotube) (KH Chemicals Co.)와 별도로 제작된 30nm의 평균 직경을 갖는 구리나노입자를 8:2(CNT:Cu)의 중량비로 질소분위기 하에서 교반 하여 혼합한 다음, 10기압으로 압착하여 디스크를 만들었다.Copper nanoparticles having an average diameter of 30 nm prepared separately from single wall carbon nanotube (SWCNT) as used in Example 1 were stirred under a nitrogen atmosphere at a weight ratio of 8: 2 (CNT: Cu). After mixing, the disk was pressed by 10 atm.

전류 집전체인 두께 75㎛의 니켈 포일 위에, 상기 단계에서 제조된 구리나노입자가 담지된 탄소나노튜브 디스크를 올려놓고 질소 분위기 하에서 20기압으로 압착하며 1000℃에서 10분간 유지하여 전극을 제조하였다.The electrode was prepared by placing a carbon nanotube disk on which the copper nanoparticles prepared in the above step were placed on a nickel foil having a thickness of 75 μm, which is a current collector, and compressed at 20 atm under nitrogen atmosphere for 10 minutes at 1000 ° C.

실시예 4Example 4

코발트화합물 나노입자를 탄소나노튜브에 담지하고, 이를 환원시켜 제조된 코발트 나노입자를 접착제로 사용한 예이다.The cobalt compound nanoparticles are supported on carbon nanotubes, and cobalt nanoparticles prepared by reducing them are used as adhesives.

실시예 1에서 사용한 것과 같은 SWCNT(single wall carbon nanotube) (KH Chemicals Co.)에 탄소나노튜브와 코발트의 중량비를 8:2 (CNT:Co)로 하여서 Co(NO3)3를 담지법으로 담지하였다. 코발트화합물 나노입자가 담지된 탄소나노튜브를 110℃에서 하루동안 건조하고, 수소 분위기 하에서 400℃에서 2시간 동안 환원시켰다. 이렇게 제조된 코발트나노입자가 담지된 탄소나노튜브를 10기압으로 압착하여 디스크(disc) 형상으로 만들었다.Supporting Co (NO 3 ) 3 on a single wall carbon nanotube (SWCNT) as used in Example 1 (KH Chemicals Co.) with a weight ratio of carbon nanotubes to cobalt of 8: 2 (CNT: Co) It was. The carbon nanotubes carrying the cobalt compound nanoparticles were dried at 110 ° C. for one day, and reduced at 400 ° C. for 2 hours under a hydrogen atmosphere. The carbon nanotubes having the cobalt nanoparticles prepared as described above were pressed at 10 atmospheres to form discs.

전류 집전체인 두께 75㎛의 니켈 포일 위에, 상기 단계에서 제조된 코발트나노입자가 담지된 탄소나노튜브 디스크를 올려놓고 질소 분위기 하에서 10기압으로압착하며 1200℃에서 10분간 유지하여 전극을 제조하였다.An electrode was prepared by placing a carbon nanotube disk on which a cobalt nanoparticle prepared in the above step was mounted on a nickel foil having a thickness of 75 μm, which is a current collector, pressed at 10 atm under nitrogen atmosphere, and maintained at 1200 ° C. for 10 minutes.

실시예 5Example 5

구리입자를 탄소나노튜브에 스퍼터링 방법으로 담지하여 접착제로 사용한 예이다.Copper particles are supported on carbon nanotubes by sputtering and used as an adhesive.

실시예 1에서 사용한 것과 같은 SWCNT(single wall carbon nanotube) (KH Chemicals Co.)를 5기압으로 압착하여 두께 100∼300 ㎛의 디스크를 만들었다.Single wall carbon nanotube (SWCNT) as used in Example 1 (KH Chemicals Co.) was pressed at 5 atmospheres to form a disc having a thickness of 100 to 300 μm.

상기에서 제조된 탄소나노튜브 디스크를 스퍼터 (sputter, 박막제조기)에 넣고 약 10-6Torr정도의 진공상태를 만든 후, 아르곤(Ar)을 흘리면서 약 2x10-2Torr로 압력을 맞추고, DC 전압을 이용하여 아르곤 플라즈마를 형성하고 이에 의해 구리를 5분간 스퍼터링하였다. 구리-스퍼터링된 탄소나노튜브 디스크를 스퍼터에서 꺼낸 후, 분쇄하고, 균일하게 혼합한 다음, 또다시 5기압으로 압착하여 디스크로 만들었다. 이렇게 제조된 디스크를 상술한 바처럼 다시 스퍼터에 넣고 구리를 스퍼터링하였다.Put the carbon nanotube disk prepared above into a sputter (thin film maker) and make a vacuum of about 10 -6 Torr, adjust the pressure to about 2x10 -2 Torr while flowing argon (Ar), and adjust the DC voltage To form an argon plasma, thereby sputtering copper for 5 minutes. The copper-sputtered carbon nanotube disks were taken out of the sputters, pulverized, mixed uniformly, and then pressed again at 5 atmospheres to form disks. The disk thus prepared was put back into the sputter as described above and sputtered copper.

위와 같은 스프터링-분쇄-압착의 과정을 20회 반복하여 탄소나노튜브의 표면에 균일하게 구리입자가 담지된 탄소나노튜브 분말을 수득하고, 이를 마지막으로 10기압으로 압착하여 디스크로 만들었다.The above sputtering-grinding-compression process was repeated 20 times to obtain carbon nanotube powder having copper particles uniformly supported on the surface of the carbon nanotubes, which was finally compressed to 10 atm to form a disc.

전류 집전체인 두께 75㎛의 니켈 포일 위에, 상기 단계에서 제조된 구리나노입자가 담지된 탄소나노튜브 디스크를 올려놓고 질소 분위기 하에서 10기압으로 압착하며 1000℃에서 10분간 유지하여 전극을 제조하였다.On the nickel foil having a thickness of 75 μm, which is a current collector, the carbon nanotube disc loaded with the copper nanoparticles prepared in the above step was placed, pressed at 10 atm under nitrogen atmosphere, and maintained at 1000 ° C. for 10 minutes to prepare an electrode.

실시예 6Example 6

실시예1에서 제조한 탄소나노튜브 디스크에 백금(Pt)을 담지하여 연료전지의 전극을 제조한 예이다.An example of manufacturing an electrode of a fuel cell by supporting platinum (Pt) on a carbon nanotube disk prepared in Example 1.

실시예 1에서 제조한 탄소나노튜브 디스크에 H2PtCl6를 물에 녹여 담지하고 110℃에서 건조한 후 수소를 흘리면서 400oC에서 2시간동안 환원하여 전극을 제조하였다.H 2 PtCl 6 was dissolved in water and supported on the carbon nanotube disk prepared in Example 1, dried at 110 ° C., and then reduced at 400 ° C. for 2 hours while flowing hydrogen to prepare an electrode.

실시예 7Example 7

연료전지 전극으로 사용하기 위해 백금화합물 나노입자를 탄소나노튜브에 담지하고 이를 환원시켜 제조된 백금나노입자를 접착제로 사용한 예이다.In order to use as a fuel cell electrode, platinum nanoparticles prepared by supporting platinum compound nanoparticles in carbon nanotubes and reducing them are used as adhesives.

실시예 1에서 사용한 것과 같은 SWCNT(single wall carbon nanotube) (KH Chemicals Co.)에 탄소나노튜브와 백금의 중량비를 95:5(CNT:Pt)로 하여서 H2PtCl6를 담지법으로 담지하였다. 백금화합물 나노입자가 담지된 탄소나노튜브를 110℃에서 하루동안 건조하고, 수소 분위기 하에서 400℃에서 2시간 동안 환원시켰다. 이렇게 제조된 백금나노입자가 담지된 탄소나노튜브를 10기압으로 압착하여 디스크(disc) 형상으로 만들었다.A single wall carbon nanotube (SWCNT) used in Example 1 (KH Chemicals Co.) was supported by H 2 PtCl 6 with a weight ratio of carbon nanotubes and platinum of 95: 5 (CNT: Pt). The carbon nanotubes carrying the platinum compound nanoparticles were dried at 110 ° C. for one day, and reduced at 400 ° C. for 2 hours under a hydrogen atmosphere. The carbon nanotubes loaded with the platinum nanoparticles thus prepared were pressed at 10 atmospheres to form discs.

전류 집전체인 두께 75㎛의 니켈 포일 위에, 상기 단계에서 제조된 백금나노입자가 담지된 탄소나노튜브 디스크를 올려놓고 질소 분위기 하에서 10기압으로 압착하며 1500℃에서 10분간 유지하여 전극을 제조하였다.An electrode was prepared by placing a carbon nanotube disk on which platinum nanoparticles prepared in the above step were loaded on a nickel foil having a thickness of 75 μm, which is a current collector, and pressing at 10 atm under nitrogen atmosphere for 10 minutes.

[전극의 성능측정][Measurement of electrode performance]

위에서 합성한 전극의 성능테스트는 다음과 같이 진행되었다.The performance test of the electrode synthesized above was carried out as follows.

전극의 전해질은 7M의 KOH수용액을 사용하였다. 위에서 제조한 각각의 전극은 직경 1.5㎝로 가공하였고, 전극의 분리막은 고분자 분리막(Celgard)를 사용하였다. 두 전극과의 간격은 300㎛를 유지했다. 전극의 저항률(resistivity)은 Van der Pauw 방법을 사용하여 측정하였다.As the electrolyte of the electrode, 7M KOH aqueous solution was used. Each electrode manufactured above was processed to a diameter of 1.5 cm, and a separator of the electrode was used as a polymer separator (Celgard). The distance between the two electrodes was maintained at 300 μm. The resistivity of the electrode was measured using the Van der Pauw method.

시험예 1Test Example 1

실시예 1에서 제조한 전극에 대해서 Van der Pauw 방법으로 측정한 저항률(resistivity)은 9.1 mΩ㎝였다. 복소면 임피던스 플롯 (complex plane impedance plot)에서 유추한 ESR(등가직렬저항)은 35 mΩ로 나타났다. DC 전압으로 전류를 일정하게 공급하는 방법으로 측정한 커패시턴스는 175 F/g로 나타났고, 전극의 전체무게를 기준으로 계산된 출력밀도는 15 kW/kg에 달했으며, 에너지밀도는 5.8 Wh/kg이었다. 단일셀 전극의 라곤 플롯 (Ragone plot)은 그림 3에 나타내었다.The resistivity measured by Van der Pauw method with respect to the electrode prepared in Example 1 was 9.1 mΩcm. The equivalent series resistance (ESR) inferred from the complex plane impedance plot was 35 m 35. Capacitance measured by constant current supply at DC voltage was 175 F / g. The calculated power density was 15 kW / kg and the energy density was 5.8 Wh / kg based on the total weight of the electrode. . The Ragone plot of the single cell electrode is shown in Figure 3.

시험예 2Test Example 2

실시예 2에서 제조한 전극의 저항률은 10 mΩ㎝였다. 복소면 임피던스 플롯 에서 유추한 ESR는 41 mΩ로 나타났다.The resistivity of the electrode produced in Example 2 was 10 mPacm. The ESR inferred from the complex surface impedance plot was 41 m 41.

시험예 3Test Example 3

실시예 3에서 제조한 전극의 저항률은 25 mΩ㎝였다. 복소면 임피던스 플롯에서 유추한 ESR는 151 mΩ로 나타났다.The resistivity of the electrode produced in Example 3 was 25 mPacm. The ESR inferred from the complex surface impedance plot was 151 m151.

시험예 4Test Example 4

실시예 4에서 제조한 전극의 저항률은 15 mΩ㎝였다. 복소면 임피던스 플롯에서 유추한 ESR는 91 mΩ로 나타났다.The resistivity of the electrode produced in Example 4 was 15 mPacm. The ESR inferred from the complex surface impedance plot was 91 m 91.

시험예 5Test Example 5

실시예 5에서 제조한 전극의 저항률은 14.4 mΩ㎝ 이었다. 복소면 임피던스 플롯에서 유추한 ESR는 88 mΩ로 나타났다.The resistivity of the electrode produced in Example 5 was 14.4 mPacm. The ESR inferred from the complex surface impedance plot was 88 m 88.

이상의 실험결과 금속나노입자를 탄소나노튜브의 접착제로 이용하여 다양한 방법으로 제조한 전극은 내부저항을 줄이는데 매우 효과적인 방법임을 알 수 있다.As a result of the experiment, it can be seen that the electrode manufactured by various methods using metal nanoparticles as an adhesive of carbon nanotubes is a very effective method for reducing internal resistance.

상기 실시예들에서 얻은 내부저항의 값은 그 동안 보고된 문헌상의 수치들 보다 훨씬 낮으며, 이는 탄소나노튜브를 접착하는데 있어서 금속나노입자를 이용하는 것이 유기접착제나 탄소를 이용한 접착 혹은 탄소나노튜브의 표면처리 후 접착 등 기존에 제시된 방법보다 월등함을 입증하는 것이다.The values of internal resistance obtained in the above examples are much lower than those reported in the literature, which suggests that the use of metal nanoparticles to bond the carbon nanotubes can be achieved by the use of organic adhesives or carbon or carbon nanotubes. It is to prove that it is superior to existing methods such as adhesion after surface treatment.

다음으로, 본 발명의 방법으로 제조된 탄소나노튜브 전극의 정전용량은 175 F/g로서, 이는 통상 탄소나노튜브를 사용한 전극으로 얻을 수 있다고 계산되는 이론적 정전용량 180 F/g에 근접하는 수치이다.Next, the capacitance of the carbon nanotube electrode manufactured by the method of the present invention is 175 F / g, which is a value close to the theoretical capacitance of 180 F / g, which is calculated to be generally obtained with an electrode using carbon nanotubes. .

시험예 1의 결과를 보면 전극의 ESR이 매우 작으므로 전극의 출력밀도가 매우 높게 나타났다. 또한 이로 인해서 출력밀도에 따른 에너지밀도의 변화가 매우 작은 것을 그림 3의 라곤 플롯(Ragone plot)에서 볼 수 있었다.In the results of Test Example 1, since the ESR of the electrode was very small, the output density of the electrode was very high. In addition, the change in energy density due to the power density is very small in the Ragone plot of Figure 3.

이와 같이 내부 저항이 매우 작은 전극은 2차전지의 전극과 수퍼커패시터의 전극, 그리고 연료전지의 전극으로 매우 유용하며, 기존의 전극을 사용한 것보다 훨씬 고성능의 안정된 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.The electrodes with very low internal resistance are very useful as electrodes of secondary batteries, electrodes of supercapacitors, and electrodes of fuel cells, and are expected to produce stable products with much higher performance than those of conventional electrodes.

본 발명의 방법에 따르면, 2차전지나 수퍼커패시터, 연료전지에 사용될 수 있는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 전극의 재료로 하는 전극을 제조하는데 있어서, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이의 접합과 전류 집전체(current collector)를 구성하는 금속에 전극물질을 접착시키는데 있어서 금속나노입자를 접착제로 사용하여 열을 가하거나 혹은 열과 압력을 동시에 가하여 전극을 제조함으로써 기존의 유기접착제등을 이용하여 제작한 전극에 비해서 내부저항이 매우 작고 내구성이 매우 강한 효과적인 전극을 쉽게 제조할 수 있다.According to the method of the present invention, in manufacturing an electrode using carbon nanotubes or carbon nanofibers as an electrode material, which can be used in a secondary battery, a supercapacitor, or a fuel cell, a junction and a current between the carbon nanotubes or the carbon nanofibers are used. In bonding electrode material to metal constituting current collector, electrode is manufactured using existing organic adhesives by applying heat by using metal nanoparticles as an adhesive or by applying heat and pressure simultaneously. Compared to this, an effective electrode having a very small internal resistance and a very strong durability can be easily manufactured.

Claims (19)

전류 집전체, 접착제인 금속나노입자 및 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 포함하고, 전술한 금속나노입자는 전술한 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 부착 또는 융착되어 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 사이의 접합 및 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 전류집전체 사이의 접착을 달성하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극.A current collector, metal nanoparticles as an adhesive and carbon nanotubes or carbon nanofibers, and the above-described metal nanoparticles are attached or fused to the surface of the above-described carbon nanotubes or carbon nanofibers and are carbon nanotubes or carbon nanofibers. A carbon nanotube or carbon nanofiber electrode, characterized in that bonding between the carbon nanotubes or the carbon nanofibers and the current collector is achieved. 제 1 항에 있어서, 전술한 금속나노입자는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 중량을 기준으로 0.01 내지 3배의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극.The carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to claim 1, wherein the metal nanoparticle is used in an amount of 0.01 to 3 times based on the weight of the carbon nanotube or the carbon nanofiber. 제 1 항에 있어서, 전술한 금속나노입자를 구성하는 금속은 알칼리금속, 알칼리토금속, 전형금속, 전이금속으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극.The carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to claim 1, wherein the metal constituting the metal nanoparticles is selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, typical metals, and transition metals. 제 1 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 전술한 금속나노입자를 구성하는 금속은 금속 자체, 금속 합금, 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 산화물 또는 금속 질화물의 형태로 존재 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극.According to any one of claims 1 to 3, the metal constituting the above-described metal nanoparticles are carbon nano, characterized in that in the form of the metal itself, metal alloys, metal sulfides, metal carbides, metal oxides or metal nitrides Tube or carbon nanofiber electrode. 제 1 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 전술한 금속나노입자는 1 ㎛ 이하의 평균입경을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극.The carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the aforementioned metal nanoparticles have an average particle diameter of 1 µm or less. 제 1 항에 있어서, 전술한 전류 집전체는 금속을 주성분으로 하여 플레이트, 망, 폼(form) 의 형태 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극.The carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to claim 1, wherein the current collector is selected from a plate, a net, and a form having a metal as a main component. 제 1 항에 있어서, 전술한 금속나노입자는 1 내지 500 기압 하에 압착시키거나 금속 또는 금속화합물의 융점 ±500℃의 온도에서 열처리함으로써 탄소나노튜브에 부착 또는 융착되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극.[Claim 2] The carbon nanotubes according to claim 1, wherein the metal nanoparticles described above are attached or fused to the carbon nanotubes by pressing under a pressure of 1 to 500 atm or by heat treatment at a temperature of ± 500 ° C of the metal or metal compound. Or carbon nanofiber electrodes. 하기 단계로 구성된 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.Method of producing a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode consisting of the following steps. (1) 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 분말을 금속나노입자 접착제와 혼합 또는 담지하여 전극물질을 제조하고,(1) preparing an electrode material by mixing or supporting carbon nanotube or carbon nanofiber powder with metal nanoparticle adhesive; (2) 상기 전극물질을 1차로 압착하여 압착된 전극물질을 제조하고,(2) first compressing the electrode material to produce a compressed electrode material; (3) 상기 1차로 압착된 전극물질을 전류 집전체 상에 위치시키고 2차로 압착 또는 열처리함으로써 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 사이 혹은 탄소나노파이버와 탄소나노파이버 사이를 접합시키고 동시에 전류 집전체와 전극물질을 접착시킴.(3) By placing the first electrode material pressed on the current collector and pressing or heat treatment secondly, the carbon nanotubes and the carbon nanotubes or the carbon nanofibers and the carbon nanofibers are bonded to each other, and at the same time, the current collector and the electrode Bond the material. 제 8 항에 있어서, 상기 단계 (2)에서, 전술한 전극물질을 전류 집전체 위에 균일하게 분산시키거나 또는 분산과 동시에 1차로 압착하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.The method of manufacturing a carbon nanotube or a carbon nanofiber electrode according to claim 8, wherein in the step (2), the aforementioned electrode material is uniformly dispersed on the current collector or simultaneously compressed at the same time as the dispersion. . 제 8 또는 9 항에 있어서, 단계 (2)에서, 전술한 금속나노입자는 1 내지 500 기압 하에 압착되는 것을 특징으로 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.10. The method according to claim 8 or 9, wherein in the step (2), the above-described metal nanoparticles are compressed under 1 to 500 atmospheres of carbon nanotubes or carbon nanofiber electrodes. 제 8 또는 9 항에 있어서, 단계 (3)에서, 전술한 금속나노입자는 1 내지 500 기압 하에 압착되거나 사용된 금속 또는 금속화합물의 융점 ±500℃의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.10. The carbon nanotubes according to claim 8 or 9, wherein in the step (3), the aforementioned metal nanoparticles are heat-treated at a temperature of melting point ± 500 ° C. of the metal or metal compound pressed or used under 1 to 500 atm. Or a method of producing a carbon nanofiber electrode. 제 8 또는 9 항에 있어서, 단계 (1)에서, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버와 금속나노입자의 혼합은 물리적 혼합법, 초음파를 이용한 혼합법, 용매를 이용한 혼합법, 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 고르게 분산시키는 법으로 구성된 군에서 선택되는 방법에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.10. The method according to claim 8 or 9, wherein in step (1), the carbon nanotubes or carbon nanofibers and the metal nanoparticles are mixed by physical mixing, ultrasonic mixing, solvent mixing, carbon nanotubes or carbon nanoparticles. A method for producing a carbon nanotube or a carbon nanofiber electrode, characterized in that it is carried out by a method selected from the group consisting of a method of uniformly dispersed on the surface of the fiber. 제 12 항에 있어서, 전술한 '탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버의 표면에 고르게 분산시키는 법'은, 금속나노입자의 전구체를 촉매담지법과 같은 담지법에 의해 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버에 담지한 다음 임의의 산화 또는 환원을 거치는 방법, 침전법, 화학기상증착법, 전착, 플라즈마 스프레잉, 및 스퍼터링으로 구성된 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.The method according to claim 12, wherein the method of dispersing the carbon nanotubes or the carbon nanofibers evenly on the surface of the carbon nanotubes is carried on the carbon nanotubes or carbon nanofibers by a supporting method such as a catalyst carrying method. Next, the production of carbon nanotubes or carbon nanofiber electrodes, characterized in that carried out by a method selected from the group consisting of any oxidation or reduction, precipitation, chemical vapor deposition, electrodeposition, plasma spraying, and sputtering Way. 제 8 또는 9 항에 있어서, 1차 압착은 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버를 디스크의 형태나 얇은 막의 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.10. The method of manufacturing a carbon nanotube or a carbon nanofiber electrode according to claim 8 or 9, wherein the primary compression is made of a carbon nanotube or a carbon nanofiber in the form of a disk or a thin film. 제 8 또는 9 항에 있어서, 단계 (3)에서, 압착과 열처리를 동시에 또는 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극의 제조방법.10. The method for producing a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to claim 8 or 9, wherein in step (3), pressing and heat treatment are performed simultaneously or sequentially. 제 8 또는 9항에 있어서, 단계 (3)에서, 열처리는 열적 가열법(thermal heating), 화학기상증착법, 플라즈마, RF(radio frequency) 가열법, 마이크로파(microwave)에 의한 가열법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.10. The method according to claim 8 or 9, wherein in step (3), the heat treatment is performed in a group consisting of thermal heating, chemical vapor deposition, plasma, radio frequency (RF) heating, microwave heating. Characterized in that the method is carried out in a selected manner. 제 1 항에 따른 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극 또는 제 8 또는 9 항의 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극을 사용한 전기이중층 축전기.An electric double layer capacitor using a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to claim 1 or a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode manufactured by the manufacturing method of claim 8 or 9. 제 1 항에 따른 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극 또는 제 8 또는 9 항의 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극을 사용한 2차 전지.A secondary battery using a carbon nanotube or a carbon nanofiber electrode according to claim 1 or a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode manufactured by the manufacturing method of claim 8 or 9. 제 1 항에 따른 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극 또는 제 8 또는 9 항의 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 혹은 탄소나노파이버 전극을 사용한 연료 전지.A fuel cell using a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode according to claim 1 or a carbon nanotube or carbon nanofiber electrode manufactured by the manufacturing method of claim 8 or 9.
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