KR20080110311A - 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한복합전극의 제조방법 - Google Patents
전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한복합전극의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 각종 전자제품 등의 전지 보조동력원으로 사용되는 전기이중층 콘덴서(EDLC;electric double layer capacitor)용 전극 활물질에 관한 것으로,
더욱 상세하게는 종래 탄소나노튜브(carbon nano tube) 활물질의 문제점인 전해액과 전극과의 계면저항, 사이클 성능에 관한 사항을 개선하기 위해, 탄소나노튜브를 황산에 분산시켜 초음파에 의한 이산화티탄(TiO2) 코팅처리 후 일정온도의 진공오븐에서 수분을 제거하여 혼합물을 제조하고, 유기 용매인 NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidione)에 도전재와 바인더를 혼합하여 카본 페이퍼에 코팅하여 다시 진공오븐에서 건조하여 이루어지는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법에 관한 것이다.
슈퍼캐패시터, 전기이중층, 콘덴서, 탄소나노튜브, 티타늄옥사이드, 복합전극, 졸, 겔
Description
도 1은 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 코팅을 증빙하는 X-Ray 회절분석결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 임피던스 측정결과를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 사이클(cycle)성능 측정결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 복합전극의 제조방법을 나타낸 순서도.
본 발명은 각종 전자제품 등의 전지 보조동력원으로 사용되는 전기이중층 콘덴서(EDLC;electric double layer capacitor)용 전극 활물질에 관한 것으로,
더욱 상세하게는 종래 탄소나노튜브(carbon nano tube) 활물질의 문제점인 전해액과 전극과의 계면저항, 사이클 성능에 관한 사항을 개선하기 위해, 탄소나노 튜브를 황산에 분산시켜 초음파에 의한 이산화티탄(TiO2) 코팅처리 후 일정온도의 진공오븐에서 수분을 제거하여 혼합물을 제조하고, 유기 용매인 NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidione)에 도전재와 바인더를 혼합하여 카본 페이퍼에 코팅하여 다시 진공오븐에서 건조하여 이루어지는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법에 관한 것이다.
고도의 정보화 매체 발달은 비디오카메라, 휴대용 전화 등 전자기기의 이용을 가속화시켰으며, 그에 따른 에너지 수요의 급증으로 대체물질에 대한 관심고조와 전기자동차 등의 발달을 가져오게 되었다.
이러한 흐름에 맞춰, 고용량, 긴 수명을 가진 대체에너지 활용기술이 요구되고 있으며, 더불어 전자기기들을 다양하고 편리하게 제어할 수 있는 메모리(memory) 수요가 급격히 증가하고 있는 추세이다.
그러나 이러한 기기들은 순간적인 정전이나 전압변화에 따른 메모리 손실이나 시스템 오류를 발생시킬 수 있기 때문에 이를 방지하기 위한 메모리 백업(memory back-up)용 전원에 대한 요구 또한 증대되고 있다.
이러한 요구에 따라, 전기이중층 콘덴서에 관한 연구가 활발히 진행 중이다.
그 전기이중층 콘덴서는 에너지 밀도와 파워밀도 측면에서 전해 커패시터와 2차 전지의 중간 특성을 갖는 것으로, 2차 전지에 비해 짧은 충전시간, 긴 수명, 고출력이 가능한 장점을 가지며, 기존의 전해 커패시터보다 10배에서 많게는 100 이상의 에너지 밀도가 높은 시스템이다.
상기 커패시터의 가장 핵심이 되는 부분은 전극에 사용되는 재료의 선택이라 할 수 있는데, 그 전극재료는 전기전도성이 크고, 비표면적이 높아야 하며, 전기화학적으로 안정해야하고, 가격이 저렴해야 한다.
현재 탄소계 만이 전기이중층 콘덴서로 상업화에 성공하여 제작되고 있는 실정이며, 금속 산화물을 이용하거나 전도성 고분자를 이용한 고용량 커패시터는 낮은 사이클 성능 및 낮은 구동전압 등으로 인하여 실제 상업화가 어려워 이를 개선하기 위해, 여러 재질 간의 하이브리드화(탄소-고분자, 탄소-금속산화물, 탄소-탄소, 금속산화물-고분자 등) 및 개질(탄소, 금속산화물 등) 등의 개발이 이루어지고 있다.
상기 커패시터는 양(+)이온과 음(-)이온으로 이루어진 전해질과 많은 이온들의 전기적인 흡착(absorb)을 할 수 있도록 큰 비표면적(specific surface area)을 가진 다공성 전도체 물질을 전극으로 이용하는 단위 셀(unit cell)의 구조를 갖는 것으로, 각 전극에 전압이 가해지면 전해액 내의 이온들이 전기장(electric field)을 따라 이동하면서 전극 표면에 흡착되어 발생하는 전기화학적 메커니즘(electrochemical mechanism)에 의해 작동한다.
상기의 전기이중층 콘덴서는 다음과 같은 장점이 있다. 충·방전 속도가 빠르고, 대전류를 순간적으로 저장하거나 공급할 수 있다. 넓은 작동온도 범위에서도 충·방전 효율이 매우 높으며 친환경적인 소재를 사용한다. 그리고 폭발의 우려가 거의 없으며 사용 수명이 반영구적이고 기술집약형 고부가가치 제품이다.
그러나, 이와 같은 장점을 갖는 전기이중층 콘덴서(electric double layer capacitor)의 가장 큰 단점은 다공성 탄소와 전해질 계면 사이에서 발생하는 분극현상으로 인하여 저항 크다는 점이다.
그래서, 기존의 활성탄소전극을 이용한 전기이중층 콘덴서의 경우, 사이클 수명은 반영구적이지만 용량이 작고, 발생하는 분극현상으로 저항이 증가하여 에너지 효율이 낮다는 문제점이 있었다.
상기 전기이중층 콘덴서의 전하를 빨리 공급할 수 있는 능력인, 전력 밀도(power density)를 결정하는 중요한 요소는 전기이중층 콘덴서의 모든 요소의 저항의 합과 비례하는 것으로, 즉 전극의 다공성 층의 전해질의 확산 저항(diffusion resistance), 전극과 전류 콜렉터(current collector) 사이의 접촉 저항(contact resistance)과 전극 물질 자체의 저항을 모두 포함한다.
따라서, 종래 전기이중층 콘덴서의 내부저항이 크다는 문제점을 해소하여 출력밀도의 희생 없이 에너지 밀도를 향상시키고, 내부저항을 줄임과 동시에 흐르는 전류량을 증가시키기 위하여 탄소 재질에 대한 개선이 필요하며 이에 대한 개발이 현재 요구되고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 탄소나노튜브를 지지체로 하 고, 그 위에 반도체인 이산화티탄(TiO2)을 졸-겔 방법으로 코팅하여 하이브리드 형태의 전극을 제조함으로 전극과 전해질 계면에 발생하는 분극현상을 줄여 주어, 에너지밀도를 향상시킬 뿐만 아니라, 내부저항을 줄여 전류량을 증가시켜 산업적, 상업적 이용가치를 높일 수 있는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 탄소나노튜브, 티타늄 아이소프로폭사이드를 각각 용매에서 분산성을 증대시켜 분산시키는 분산단계(S10);와,
그 분산된 탄소나노튜브 표면에 소니케이션(Sonication)으로 분산 티타늄 아이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide)를 코팅하는 티타늄코팅단계(S20);와,
그 티타늄이 코팅된 탄소나노튜브(CNT/TiO2) 복합분말을 진공오븐에서 110℃로 건조한 후 450 ~ 550℃에서 소성하는 건조 및 소성단계(S30);와,
상기 소성시킨 CNT/TiO2 복합분말과, 케젠블랙(Ketjen black), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride;PVDF)을, 유기용매인 NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidione)에서 교반하고, 그 교반된 슬러리를 카본페이터 상부로 나이프 캐스팅(knife casting)하여 전극을 제조하는 전극제조단계(S40)
그 제조된 전극을 진공오븐에서 건조하는 건조단계(S50)로 이루어지는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극 제조방법을 그 주 요 기술적 구성으로 한다.
상기 분산단계는 에탄올을 용매로 하여 탄소나노튜브를 분산하고, 2-프로판올(2-propanol)을 용매로 하여 티타늄 아이소프로폭사이드를 분산시킨다.
그리고, 상기 티타늄코팅단계에서의 초음파 코팅은 300 ~ 500rpm로 강력 교반이 이루어지는 상태에서 20 ~ 30W의 초음파 세기로 2시간 동안 이루어진다.
또한, 상기 전극제조단계에서 사용되는 도전재는 케젠블랙(Ketjen black)이고, 바인더는 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride;PVDF)이다.
이하, 상기한 기술적 구성에 대해 제조단계별로 상세히 살펴보도록 한다.
분산단계(
S10
)
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합전극의 제조과정은 분산단계(S10), 티타늄코팅단계(S20), 건조 및 소성단계(S30), 전극제조단계(S40), 건조단계(S50)로 이루어지는 것으로, 상기 분산단계(10)는 탄소나노튜브에 티타늄 아이소프로폭사이드를 코팅하기 위한 전단계로써 상기 탄소나노튜브와 티타늄 아이소프로폭사이드를 각각 용매에서 분산시키는 단계이다.
상기 탄소나노튜브의 분산용매는 에탄올이고, 상기 티타늄 아이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide) 분산용매는 2-프로판올(2-propanol)인 것으로, 상기 탄소나노튜브 분산시 용매와 탄소나노튜브의 양에 대해 구체적으로 언급하자면, 일례 로, 2-프로판올(2-propanol) 100㎖에 탄소나노튜브 0.95g을 투입한다.
또한, 상기 티타늄 아이소프로폭사이드 분산시 용매와 티타늄 아이소프로폭사이드의 양에 대해 구체적으로 언급하자면, 일례로, 2-프로판올(2-propanol) 50㎖에 티타늄 아이소프로폭사이드 0.52㎖을 투입한다.
상기 분산용매를 이용한 탄소나노튜브와 티타늄 아이소프로폭사이드는 분산은 그 분산성을 높이기 위해, 강력교반기를 이용하여 300 ~ 500rpm으로 교반시켜 주게 된다.
코팅단계(
S20
)
상기 분산단계(S10)를 통해 분산된 탄소나노튜브에 티타늄 아이소프로폭사이드를 코팅하는 단계로써, 분산된 탄소나노튜브에 티타늄 아이소프로폭사이드를 넣고, 300 ~ 500rpm로 강력 교반이 이루어지는 상태에서 20 ~ 30W의 초음파로 소니케이션(Sonication)을 2시간 동안 한다.
상기 소니케이션(Sonication)을 통한 티타늄 아이소프로폭사이드의 코팅은 다음과 같은 원리를 통해 이루어진다.
초음파는 일반적으로 횡파이기 때문에 반복적으로 파가 진행하게 되며, 초음파를 사용하게 되면 물(H2O)이 OH- + H+ 로 변하면서 기포(Bubble)를 발생시키고, 이러한 기포가 계속적으로 증가하다가 일정한 기포직경(bubble radius)을 가지면서 폭발하는 지점, 즉 Hot spot이 되는 점에서의 온도는 5000K, 압력은 2000atm을 가 지게 된다. 이러한 폭발이 일어나게 되면 공동현상(cavitation)이 발생하고, 공동현상이 발생하는 구역(cavitation zone)에서 불안정한 OH- 과 H+ 가 강한 산화력을 지니게 되며, 이러한 산화력과 공동현상(cavitation)이 반복적으로 이루어지면서 분산과 물질의 흡착을 도와주게 된다.
상기 소니케이션(Sonication)을 2시간으로 한정하는 이유는 탄소나노튜브의 충분한 분산과 활성을 띄게 하기 위한 것이며, 또한 티타늄 입자의 크기가 커지기 때문에 2시간으로 제한하는 것이다.
그리고, 상기 분산된 탄소나노튜브와 티타늄입자의 균일한 분산 및 코팅을 위해 분산제인 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl Pyrrolidone;PVP)을 탄소나노튜브와 티타늄입자의 전체 중량에 대해 0.1 ~ 1.0 중량%를 첨가하여 사용할 수도 있다.
건조 및 소성단계(
S30
)
상기 코팅단계(S20)를 거쳐 티타늄 입자가 코팅된 탄소나노튜브 즉, CNT/TiO2 복합분말은 셀룰로오스 필터를 사용하여 여과시키게 되고, 그 여과된 CNT/TiO2 복합분말은 세척과정을 거치게 되며, 그 세척은 에탄올을 이용하여 먼저 불순물을 제거한 후 증류수로 다시 세척하기를 50회 정도 반복한다.
상기와 같은 세척과정을 거친 후에는 pH를 조정하게 되며, pH를 측정하여 pH 7이 되도록 한다. 이와 같이 pH를 7로 조정하는 이유는 중성을 유지함으로써 다른 산화 및 환원작용을 없게 하기 위한 것이다.
상기 세척과 pH 조정과정을 거친 CNT/TiO2 복합분말은 수분을 완전히 제거하기 위해 진공오븐에서 110℃에서 24시간 동안 건조하게 된다.
다음으로, 이와 같이 건조과정을 거친 CNT/TiO2 복합분말은 소성과정을 거치게 되며, 그 소성은 450℃의 온도조건에서 2시간 동안 이루어진다.
상기 소성온도를 450℃로 정한 이유는 아나타제(anatase) 구조의 티타늄 옥사이드를 얻기 위한 것으로, 아나타제 구조의 티타늄 옥사이드는 루틸(rutile) 구조의 티타늄 옥사이드 보다 습윤성이 좋기 때문이다. 반면, 450℃를 초과하는 온도, 예를 들어 600℃이상의 온도에서는 탄소나노섬유가 분해가 일어나게 된다.
따라서, 상기 분해현상을 방지하면서 아나타제(anatase) 구조의 티타늄 옥사이드를 얻기 위해 그 소성온도를 450℃로 한정한다.
전극제조단계(
S40
)
상기 건조 및 소성단계(S30)를 거친 CNT/TiO2 복합분말을 활물질로 하여 전극을 제조하는 단계로써,
유기용매인 N-메틸피롤리돈(N-Metyl-2-Pyrrolidione;NMP) 하에서,
상기 CNT/TiO2 복합분말 70 ~ 80중량%, 도전재인 케젠블랙(Ketjen black) 18 ~ 23중량%, 바인더인 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride;PVDF) 2 ~ 7중량%를 첨가하여 교반 혼합하고, 교반된 슬러리를 카본페이퍼 상부로 반응 면적 1×1㎠의 크기로 나이프 캐스팅한다.
이때, 상기 N-메틸피롤리돈(N-Metyl-2-Pyrrolidione;NMP)는 휘발성으로써 혼합물의 중량에 영향을 미치지 않는 것이기 때문에 CNT/TiO2 복합분말, 도전재, 바인더 간의 혼합비 만을 고려한다.
단, 상기 유기용매인 N-메틸피롤리돈(N-Metyl-2-Pyrrolidione;NMP)는 점도가 2 ~ 10 Pa·s(Pascal-second)인 것을 사용하는 것으로, 그 점도가 2 Pa·s 미만인 경우에는 전극활물질(복합물질, 도전재, 바인더)의 균일한 혼합이 이루어지지 않고, 집전체 위에 코팅시 균일한 코팅이 이루어지지 않는 문제가 발생하고, 10 Pa·s를 초과하게 될 경우에는 너무 묽어지며, 집전체 위에 코팅시켜 건조할 경우, 갈라짐 현상 및 집전체와의 탈리 현상이 발생하게 되므로, 상기 유기용매의 점도가 2 ~ 10 Pa·s(Pascal-second)인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 CNT/TiO2 복합분말은 혼합물의 전체중량에 대해 70 ~ 80중량%의 범위 내에서 사용되는 것으로, 70중량% 미만으로 사용하게 될 경우에는 상대적으로 도전재로 사용되는 물질의 양이 커져 복합분말의 용량이 감소하여, 복합물질의 영향이 감소하게 되고, 80중량%를 초과하게 되는 경우에는 저항이 증가하게 되는 문제가 발생하므로, 상기 CNT/TiO2 복합분말은 혼합물의 전체중량에 대해 70 ~ 80중량%의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 도전재는 혼합물의 전체중량에 대해 18 ~ 23중량%의 범위 내에서 사용되는 것으로, 18중량% 미만인 경우에는 저항이 증가하여 복합전극 제조시 용량 및 내부저항이 증가하는 문제가 발생하고, 23중량%를 초과하게 되는 경우에는 복합물질이 가지고 있는 용량이 감소는 문제가 발생하게 되므로, 상기 도전재는 혼합물의 전체중량에 대해 18 ~ 23중량%의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 혼합물의 전체중량에 대해 2 ~ 7중량%의 범위 내에서 사용되는 것으로, 2중량% 미만인 경우에는 충분한 결착력이 생기지 않아 전극제조시 갈라짐 현상과 집전체와의 탈리 현상이 발생하게 되고, 7중량%를 초과하게 되는 경우에는 전극내에 비전도성 물질이 많이 들어가기 때문에 급격한 저항 증가와 응집 현상이 발생하게 되므로, 상기 바인더는 혼합물의 전체중량에 대해 2 ~ 7중량%의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
건조단계(
S50
)
상기 전극제조단계(S40)를 거친 후에는, 제조된 전극의 충분한 건조와 표면의 불필요한 가스 등을 제거하기 위해 건조단계를 거치게 된다.
그 건조단계는 복합전극 제조의 마지막 단계로써, 제조된 전극을 진공오븐에서 150 ~ 220℃, 24시간 건조한다.
상기 건조 온도가 150℃미만인 경우에는 내부(복합전극 내부)의 수분이 다소 남게 되는 문제가 발생하고, 220℃를 초과하게 되는 경우에는 결정구조가 조금씩 변하여, 후에 소성시 원하는 정확한 결정성을 가지지 않는 문제가 발생하므로, 상기 진공오븐에서의 건조온도는 150 ~ 220℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 실시 예를 통해 본 발명의 기술적 구성을 더욱 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이러한 실시 예는 단지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 기술 범위가 이들 실시 예에 국한되는 것이 아님을 밝히는 바이다.
실시 예 1
비이커에 용매인 2-프로판올(2-propanol) 50㎖ 채운 후, 그 비이커에 티타늄 아이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide) 0.52㎖를 넣어 소니케이션(Sonication)을 2시간 동안 가해준다.
또한, 비이커에 용매인 에탄올 50㎖를 채운 후, 그 비이커에 탄소나노튜브 0.95g을 넣어 소니케이션을 2시간 동안 가해준다. 그 후 두 용매를 혼합하여 소니케이션(Sonication)을 2시간 동안 가해준다.
그리고, 소니케이션(Sonication) 장치로 초음파를 가하는 과정에서 PVP(Polyvinyl Pyrrolidone)를 0.005g을 상기 두 용매를 혼합시킨 비이커에 첨가하며, 상기 초음파를 가해주는 동안 강력 교반기로 교반을 지속시킨다. 이때 반응온도는 25℃로 유지한다.
상기와 같은 과정을 통해 반응이 끝난 후에는 상기 비이커 속의 반응물을 셀룰로오스 필터를 이용하여 필터링한 후, 50회 정도 에탄올과 증류수를 이용하여 세척한다. 그리고, 세척 후에는 pH를 측정하여 pH 7이 되는지 확인하고, pH가 7이 되지 않는 경우에는 pH를 조절한다. 여기서 pH조절은 반투과 여과막으로 사용되는 셀룰로오스 막을 사용하여 증류수가 담긴 수조에서 삼투압 현상으로 조절하게 된다.
이와 같이 pH가 조정된 후에는 진공오븐에서 110℃ 조건에서 24시간 동안 건조한 후, 450℃에서 2시간 소성 시킨다.
이 분말을 활물질로 하여 활물질 0.75g, 도전재인 케젠 블랙(Ketjen black) 0.2g 바인더인 PVDF 0.05g을 유기용매인 NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidione)에서 혼합하여 교반을 24시간 시킨 후 교반된 슬러리를 카본페이퍼 위에 나이프 캐스팅(knife casting)하여 전극을 제조하고, 탄소지(carbon plate) 상부로 두께 2mm, 반응 면적 1×1㎠의 크기로 나이프캐스팅(knife casting) 한다. 그 후 다시 180℃에서 24시간 건조하여 전극 제조를 완료한다.
상기 나이프 캐스팅(knife casting)은 평평한 판 위에 집전체를 놓고 일정한 두께를 유지할 수 있는 벽(절연 테이프 등 사용)을 형성시킨 후 칼과 같은 평평한 봉을 이용하여 활물질을 도포시켜 코팅을 시키는 방법이다.
실시 예 2
상기 실시 예 1과 동일한 방법을 통해 이루어지나, 다만 비이커에 용매인 2-프로판올(2-propanol) 100㎖ 채운 후, 그 비이커에 탄소나노튜브 1g과 티타늄 아이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide) 1.04㎖를 넣어 소니케이션을 가한다.
상기 실시 예 1에서 제조된 탄소나노튜브(CNT/TiO2)에 대한 분석 결과는 도 1 내지 3에 나타낸 바와 같으며,
도 1은 순수한 탄소나노튜브(CNT)와 티타늄 아이소프로폭사이드가 코팅된 탄소나노튜브(CNT/TiO2)의 X-Ray 회절분석도를 나타낸 것으로, 구조적인 해석을 통해 관찰한 결과, 순수한 탄소나노튜브(CNT)는 티타늄 아이소프로폭사이드 코팅이 이루어진 후에 아나타제(anatase) 구조를 가짐을 관찰할 수 있었다.
상기 아나타제(예추석;anatase)는 금홍석(루틸-rutile)이나 판티탄석과 같은 성분으로, 600℃ 이상의 고온에서 금홍석(루틸-rutile)으로 변한다. 일반적으로 습윤성이 루틸(rutile) 보다 아나타제(anatase) 구조를 가지는 이산화 티탄이 더 우수한 것으로 알려져 있다.
도 2는 순수한 탄소나노튜브(CNT)와 티타늄 아이소프로폭사이드가 코팅된 탄소나노튜브(CNT/TiO2)의 임피던스 측정도를 나타낸 것으로, 그 측정범위는 50Khz ~ 10mHz 이다.
초기 저항은 순수 탄소나노튜브의 경우 1.85Ω·㎠이고, 티타늄 아이소프로폭사이드가 코팅된 탄소나노튜브(CNT/TiO2)의 경우 1.56Ω·㎠이다.
상기, 도 2에 나타낸 바와 같이, 저주파영역으로 갈수록 CNT/TiO2의 직선의 기울기가 90°에 더 가까웠으며, 이는 전극표면에서 전해질 쪽으로 이온들이 향하는 확산층으로 갈수록 저항이 감소함을 나타낸다. 즉, 일반적으로 전극과 전해질 계면 사이에서 전해질 영역쪽으로 이온들이 진행해 나아갈수록 저항이 증가하지만 본 발명에서는 저항이 감소하였다.
이와 같은 이유는, 순수 탄소나노튜브에 티타늄 아이소프로폭사이드를 코팅함으로써, 전극표면에서 발생하는 기포에 의해 발생하는 저항(분극현상)을 감소시킴으로써, 가스가 줄어들고 전해질과의 접촉저항이 줄어드는 것이다.
도 3은 순수 탄소나노튜브(CNT)와 티타늄 아이소프로폭사이드가 코팅된 탄소나노튜브(CNT/TiO2)의 사이클(cycle) 성능을 측정한 그래프로, 1mA/㎠, 1M의 황산전해질에서 대칭전극을 이용하여 평가하였다.
상기, 도 3을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 순수한 탄소나노섬유의 전극성능(specific capacitance)은 평균 10F/g이고, CNT/TiO2의 전극성능은 평균 10.6F/g이다. 그리고, 1000 사이클(cycle) 후에서 코팅된 CNT/TiO2 전극의 용량이 우수하며 또한 안정한 용량을 나타내는 것을 확인하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법을 통해 제조된 전기이중층 콘덴서(Electric Double Layer Capacitor)용 전극은 도 2에서 확인할 수 있듯이 코팅 후 복합전극의 전해질과 계면사이의 저항이 감소할 뿐만 아니라, 정전용량이 우수하고 안정한다.
그리고, 순수 탄소나노튜브를 이용하여 전극을 제조할 경우 발생하는 문제점인, 계면저항을 극복하고, 또한 분극(polarization) 현상을 줄여주어 전극의 성능이 향상시킬 뿐만 아니라, 종래 순수 탄소나노튜브를 전극으로 사용한 전기이중층 콘덴서와 비교하여 성능 및 수명이 향상된 전기이중층 콘덴서용 전극을 제공한다.
Claims (5)
- 탄소나노튜브, 티타늄 아이소프로폭사이드를 각각 용매를 이용하여 분산시키는 분산단계(S10);와,그 분산된 탄소나노튜브 표면에 소니케이션(Sonication)으로 분산 티타늄 아이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide)를 코팅하는 티타늄코팅단계(S20);와,그 티타늄이 코팅된 탄소나노튜브(CNT/TiO2) 복합분말을 진공오븐에서 110℃로 건조한 후 450 ~ 550℃에서 소성하는 건조 및 소성단계(S30);와,상기 소성시킨 CNT/TiO2 복합분말과, 케젠블랙(Ketjen black), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride;PVDF)을, 유기용매인 NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidione)에서 교반하고, 그 교반된 슬러리를 카본페이터 상부로 나이프 캐스팅(knife casting)하여 전극을 제조하는 전극제조단계(S40);와,그 제조된 전극을 진공오븐에서 건조하는 건조단계(S50);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극 제조방법.
- 제 1항에 있어서,분산단계(S10)는 에탄올을 용매로 하여 탄소나노튜브를 분산하고, 2-프로판 올(2-propanol)을 용매로 하여 티타늄 아이소프로폭사이드를 분산시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,티타늄코팅단계(S20)는 분산된 탄소나노튜브와 분산된 티타늄 아이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide)를 혼합하여 20 ~ 30W의 초음파 세기로 2시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,전극제조단계(S40)에서 CNT/TiO2 복합분말, 케젠블랙(Ketjen black), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride;PVDF)의 혼합비율은 CNT/TiO2 복합분말 70 ~ 80중량%, 케젠블랙(Ketjen black) 18 ~ 23중량%, 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride;PVDF) 2 ~ 7중량%인 것을 특징으로 하는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,건조단계(S50)는 전극을 진공오븐에 넣어 150 ~ 220℃ 온도로, 24시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기이중층 콘덴서용 탄소나노튜브와 이산화티탄을 이용한 복합전극의 제조방법.
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