KR20100042672A - Electrode of supercapacitor manufactured by electrospinning and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An electrode for a super capacitor and a manufacturing method thereof are provided to simplify a manufacturing process for an electrode by directly spraying an electrode material to a current collector. CONSTITUTION: An electrodes(11,12) for a super capacitor comprises a current collector and an electrode material. A spinning solution is formed by mixing precursor, polymer, and solvent of the metal oxide. The polymer comprises a carbon component. The spinning solution is sprayed to the current collector. The electrode material is obtained by heat-processing the spinning solution. The electrode material is made of the metal oxide and the carbon component.

Description

전기 방사를 이용하여 제조된 초고용량 커패시터용 전극 및 그의 제조방법{Electrode of Supercapacitor Manufactured by Electrospinning And Method for Manufacturing The Same}Electrode of Supercapacitor Manufactured by Electrospinning And Method for Manufacturing The Same}

본 발명은 전기 방사를 이용하여 제조된 초고용량 커패시터용 전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 산화물의 전구체를 고분자 물질과 혼합하여 집전체에 전기 방사한 후에 열처리함으로써 초고용량 커패시터의 축전 용량을 증가시켜 주는 전기 방사를 이용하여 제조된 초고용량 커패시터용 전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a supercapacitor capacitor manufactured using electrospinning, and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a supercapacitor capacitor by mixing a precursor of a metal oxide with a polymer material, followed by electrospinning to a current collector. The present invention relates to an electrode for an ultracapacitor manufactured by using electrospinning to increase an electric storage capacity, and a method of manufacturing the same.

초고용량 커패시터는 전기이중층 커패시터(EDLC : Electric Double Layer Capacitor), 울트라 커패시터(ultracapacitor) 또는 수퍼 커패시터(supercapacitor)라고도 한다.Ultracapacitors are also referred to as Electric Double Layer Capacitors (EDLC), Ultracapacitors or Supercapacitors.

초고용량 커패시터는 크게 전기 이중층 커패시터(EDLC; electron double layer capacitor)와 산화·환원 커패시터(Pseudo capacitor)로 분류된다.Ultracapacitors are largely classified into electron double layer capacitors (EDLC) and oxidized / reduced capacitors (Pseudo capacitors).

상기 전기 이중층 커패시터는 표면에 전기 이중층이 생성되어 전하를 축적하는 반면, 상기 산화·환원 커패시터는 전극물질 표면에 형성되는 전기 이중층과 함 께 산화·환원 반응에 의해 전하를 축적함으로써 상대적으로 더 많은 에너지를 축적할 수 있는 장점이 있다. The electric double layer capacitor accumulates electric charge by generating an electric double layer on the surface, while the oxidation / reduction capacitor accumulates electric charge by oxidation and reduction reaction together with the electric double layer formed on the surface of the electrode material. There is an advantage to accumulate.

초고용량 커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십배 이상이다.Ultracapacitors use electrostatic characteristics, so the number of charge / discharge cycles is almost infinite and can be used semi-permanently compared to batteries using electrochemical reactions. That's it.

기존의 배터리로 구현 불가능한 이와 같은 초고용량 커패시터의 특성으로 인하여 산업계 전반에 걸쳐 그 응용 분야가 점차 확대되어 가고 있는 추세이다.Due to the characteristics of such ultracapacitors, which cannot be realized with conventional batteries, their application fields are gradually expanding throughout the industry.

특히 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경 친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로서 그 효용성은 날로 증가하고 있다.In particular, in the field of developing next-generation environmentally friendly vehicles such as electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), or fuel cell vehicles (FCVs), their utility as energy buffers is increasing day by day. have.

즉, 초고용량 커패시터는 보조 에너지저장장치로서 배터리와 병용됨으로써, 순시적인 에너지의 공급과 흡수는 초고용량 커패시터가 담당하고, 평균적인 차량의 에너지 공급은 배터리가 담당함으로써 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지 저장 시스템의 수명 연장 등의 효과를 기대할 수 있다.In other words, the ultracapacitor is used together with the battery as an auxiliary energy storage device, so that the instantaneous supply and absorption of energy is in charge of the supercapacitor, and the average vehicle energy is in charge of the battery, thereby improving the efficiency and energy of the overall vehicle system. Effects such as extending the life of the storage system can be expected.

또한, 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품에서 보조 전원으로 사용될 수 있으며, 그 중요성 및 용도가 크게 증가하고 있다.In addition, it can be used as an auxiliary power source in portable electronic components such as mobile phones or video recorders, and its importance and use are greatly increased.

이와 같은 특징을 가지는 초고용량 커패시터의 전극 물질에는 비표면적이 큰 활성탄소, 전도성 고분자, 금속 산화물 등을 이용하는데, 상기 소재를 전극으로 이 용하는 초고용량 커패시터는 제반 특성에 있어 각각 장단점이 있다.The electrode material of the ultracapacitor having such a characteristic uses activated carbon having a large specific surface area, a conductive polymer, a metal oxide, and the like. The ultracapacitor using the material as an electrode has advantages and disadvantages in terms of its characteristics.

가령, 금속산화물 전극은 높은 비용량을 나타내나 전극 두께가 증가하면 산화 환원 반응이 표면 영역에 국한되어 용량이 급격히 감소하는 단점이 있고, 활성탄소 전극은 가격이 저렴하고 고출력 특성을 나타내는 장점이 있지만 축전용량이 비교적 낮으며, 전도성 고분자 전극은 고분자 특성에 기인한 전극의 형태의 다변화, 제조과정, 축전용량 면에서 장점이 있지만 수명이 상대적으로 떨어지는 단점이 있다.For example, metal oxide electrodes have a high specific capacity, but when the electrode thickness is increased, the redox reaction is limited to the surface area, which leads to a sharp decrease in capacity. An activated carbon electrode has the advantages of low cost and high output characteristics. The storage capacity is relatively low, and the conductive polymer electrode has advantages in terms of diversification of the shape of the electrode due to polymer properties, manufacturing process, and storage capacity, but has a disadvantage in that its life is relatively short.

상기 금속 산화물 전극으로 이용되는 금속 산화물에는 루테늄 산화물, 코발트, 니켈 산화물, 텅스텐 산화물 등이 있다.Metal oxides used as the metal oxide electrodes include ruthenium oxide, cobalt, nickel oxide, tungsten oxide, and the like.

그중에서도 루테늄 산화물의 경우에는 1000F/g 이상의 높은 비용량을 발현 하여 많은 연구가 이루어져 있지만, 재료 물질인 루테늄의 높은 단가(20,000원/g)와 환경에 친화적이지 못하고 많은 금속 산화물이 그러 하듯 전극물질의 두께에 따라 그 특성이 크게 변하는 단점으로 인하여 현재는 비상업적 용도인 군사 목적과 같이 특수한 목적으로만 사용되며, 박막화에 대한 연구가 진행되고 있다.Among the ruthenium oxides, many studies have been carried out by expressing a high specific capacity of 1000F / g or more, but as the high unit cost of ruthenium (20,000 won / g) and material is not environmentally friendly and many metal oxides, Due to the drawback that its characteristics vary greatly depending on the thickness, it is currently used only for special purposes such as military purposes, which is a non-commercial use, and research on thinning is being conducted.

따라서, 상기 루테늄 산화물을 대체할 수 있는 금속 산화물들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 망간 산화물이나 니켈 산화물, 코발트 산화물 등에 대한 연구가 진행되고 있으며 특히 망간 산화물에 대한 관심이 높아지고 있다.Therefore, while researches on metal oxides that can replace the ruthenium oxide are being actively conducted, researches on manganese oxide, nickel oxide, cobalt oxide, and the like are in progress, and in particular, interest in manganese oxide is increasing.

상기 망간 산화물은 루테늄 산화물의 가격의 반도 되지 않으면서 환경 친화적이며, 합성 방법이나 실험 조건에 따라 다소 차이가 있지만 400F/g에 가까운 비교적 높은 비 용량을 발현한다.The manganese oxide is environmentally friendly without being less than half the price of ruthenium oxide, and expresses a relatively high specific capacity close to 400 F / g although somewhat different depending on the synthesis method and experimental conditions.

이와 같은 망간 산화물을 이용한 초고용량 커패시터의 전극 제조에 대한 기술로서, 특허 제701627호에는 '금속산화물 함유 나노활성탄소섬유의 제조방법 및 그로부터 수득되는 나노활성탄소섬유를 이용한 슈퍼 커패시터용 전극'이 개시되어 있다.As a technique for manufacturing an electrode of an ultracapacitor using such a manganese oxide, Patent No. 701627 discloses a method for producing a metal oxide-containing nanoactive carbon fiber and an electrode for a super capacitor using the nanoactive carbon fiber obtained therefrom. It is.

상기 특허에 개시된 수화 망간 산화물(MnOx·nH2O)을 예로 보면 망간 아세테이트(manganese acetate)와 산화제인 과망간산칼륨(potassium permanganate)를 0.1M, 0.15M로 반응시켜 화학식 1과 같은 반응식에 의해 망간 산화물의 혼합 용액을 얻는다.Disclosed in Patent hydrated manganese oxide (MnO x · nH 2 O) In the example manganese acetate by the reaction of (manganese acetate) and the oxidant is potassium permanganate (potassium permanganate) to 0.1M, 0.15M manganese by the reaction formula as the formula (1) Obtain a mixed solution of oxides.

KMnO4 + 1.5 Mn(OAc)2· 4H2O -> 2.5 MnO2· nH2O KMnO 4 + 1.5 Mn (OAc) 2 · 4H 2 O -> 2.5 MnO 2 · nH 2 O

상기 망간 산화물 혼합용액을 3시간동안 교반하고 초음파 처리를 반복하여 균일하게 혼합한 후에, 감압 여과 및 진공 건조를 통해 분말을 얻어 막자사발을 이용해 분쇄한다.The manganese oxide mixed solution was stirred for 3 hours, and the mixture was uniformly mixed by sonication, and then powder was obtained by vacuum filtration and vacuum drying to grind using a mortar and pestle.

상기 분쇄된 망간 산화물의 분말을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 스타이렌 부타디엔 러버(SBR; Styrene butadiene rubber), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-co-HFP; polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) 등과 같은 바인더 및 용매에 혼합하여 집전체에 코팅한다. 즉, 망간 산화물 전극물질과 바인더 및 용매로 이루어진 슬러리나 분말을 집전체 위에 코팅/압착한 후 건조 과정을 거쳐 전극을 제조한 다.The powder of the pulverized manganese oxide is polytetrafluoroethylene (PTFE; polytetrafluoroethylene), styrene butadiene rubber (SBR; Styrene butadiene rubber), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-co-HFP; polyvinylidene fluoride It is mixed with a binder such as -co-hexafluoropropylene) and a solvent to coat the current collector. That is, a slurry or powder made of a manganese oxide electrode material, a binder, and a solvent is coated / compressed on a current collector to prepare an electrode through a drying process.

이때, 상기 집전체는 상기 슬러리나 분말이 테이프 캐스팅 및 압연법으로 코팅되어야 하고 균일한 두께로 형성되어야 하기 때문에 그 표면이 매끄럽게 형성된 금속으로 한정된다.In this case, the current collector is limited to a metal having a smooth surface because the slurry or powder should be coated by tape casting and rolling and formed to have a uniform thickness.

그런데, 상기와 같은 방식으로 초고용량 커패시터의 전극을 형성하기 위해서는 많은 화학 처리 공정과 시간이 소요되며, 도전성이 없는 고분자 계열의 바인더가 첨가되기 때문에 전극의 저항이 증가되는 문제점이 있다.However, in order to form the electrode of the ultracapacitor in the same manner as described above, it takes a lot of chemical treatment process and time, and there is a problem in that the resistance of the electrode is increased because a polymer-based binder having no conductivity is added.

한편, 특허 제649092호에는 '금속산화물 코팅 산화티타늄 초극세섬유로 구성된 금속산화물 계 슈퍼커패시터 및 그 제조방법'이 개시되어 있다. On the other hand, Patent No. 649092 discloses a metal oxide-based supercapacitor composed of metal oxide coated titanium oxide ultrafine fibers and a method of manufacturing the same.

상기 특허에서는 고가인 루테늄 산화물을 가능한 최소량을 사용하여 전극을 제조하기 위해, 먼저 집전체로 사용되는 티타늄 금속판에 산화티탄 전구체와 고분자 용액을 전기방사한 후, 소결하여 집전체 위에 고비표면적의 다공성 산화티타늄 초극세 섬유 매트릭스 층을 형성한 기판을 준비하고, 상기 기판 위에 루테늄 산화물을 전해 도금하는 공정을 채택하고 있다. In this patent, in order to manufacture an electrode using the least amount of expensive ruthenium oxide, first, the titanium oxide precursor and the polymer solution are electrospun on a titanium metal plate used as a current collector, and then sintered to obtain a high specific surface area porous oxidation on the current collector. The process of preparing the board | substrate with which the titanium ultra-fine fiber matrix layer was formed, and electroplating ruthenium oxide on the said board | substrate is employ | adopted.

그런데 티타늄 집전체에 전기 방사되어 소결 공정을 거친 산화티타늄의 축전 용량(capacitance)을 확인한 결과, 상기 산화티타늄 자체는 패러데이 반응(faradaic reaction)을 하지 않아 용량 거동을 하지 않으므로 산화티타늄 자체는 커패시터용 전극으로 사용한 것이 아니라 비표면적을 넓게 하여 루테늄 산화물을 최소량을 사용하면서 초고용량 커패시터를 제조하기 위한 용도인 것을 알 수 있다. 즉, 상기 전기 방사에 의한 산화티타늄 형성 공정은 커패시터의 기능 구현과는 상 관이 없는 공정이었다.However, as a result of confirming the capacitance of the titanium oxide electrospun into the titanium current collector and undergoing the sintering process, the titanium oxide itself does not have a faradaic reaction and thus does not have a capacity behavior. Therefore, the titanium oxide itself is a capacitor electrode. Rather than using it, it can be seen that it is intended to manufacture a supercapacitor while using a minimum amount of ruthenium oxide by increasing the specific surface area. In other words, the process of forming titanium oxide by electrospinning was not related to the function implementation of the capacitor.

또한, 상기 특허에 소개된 전극은 다음과 같은 문제점을 안고 있다. 즉, 상기 티타늄 집전체의 두께가 얇을 경우(100㎛ 이하)에는 450℃ 소결 공정 후에 약간의 충격에도 부서지는 현상이 발생하여 완제품의 안정성이 취약해지는 문제점이 있다. 이와 같이 전극이 부서지는 것을 방지하기 위해서 두께 127㎛의 티타늄 집전체로 확인해 본 결과 쉽게 부서지지는 않지만 여전히 안정성에 문제가 있었다.In addition, the electrode introduced in the patent has the following problems. That is, when the thickness of the titanium current collector is thin (100 μm or less), there is a problem in that breakage occurs even after a slight impact after the sintering process at 450 ° C., resulting in a weak stability of the finished product. In order to prevent the electrode from being broken in this way, it was confirmed that the current collector with a thickness of 127 μm was not easily broken, but there was still a problem in stability.

또한 상업화된 커패시터 전극들이 20~40㎛ 사이의 두께를 갖는다는 것을 감안하면 그의 3~6배에 달하는 두께로 인하여 상업화 즉, 부피 비 용량성 저하로 인한 상업성이 떨어지는 문제점이 있다.In addition, considering that commercialized capacitor electrodes have a thickness of 20 to 40 μm, there is a problem in that commercialization, that is, commercialization due to deterioration in volume specific capacity is poor due to its thickness of 3 to 6 times.

따라서, 본 발명의 목적은 집전체에 직접 전극 활물질을 전기 방사한 후 간단한 가열 가압 처리를 통해 커패시터용 전극을 형성하는 방법으로, 바인더와 같은 추가 물질을 사용하지 않고 초고용량 커패시터의 제조에 사용되는 커패시터용 전극 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is a method of forming an electrode for a capacitor through a simple heat and pressure treatment after electrospinning an electrode active material directly on a current collector, which is used for the production of an ultracapacitor without using an additional material such as a binder. An electrode for a capacitor and a method of manufacturing the same are provided.

본 발명의 다른 목적은 고분자 물질을 이용하여 금속 산화물 전구체를 전기 방사법으로 집전체에 직접 형성한 후에 고분자를 열처리함으로써 고분자 물질의 탄화에 따른 탄소와 금속 산화물 전구체의 함량비에 따라 의사 용량(pseudo capacitance) 및 전기 이중층 용량(electron double layer capacitance)이 혼합된 하이브리드형(hybrid type) 초고용량 커패시터용 전극 및 그의 제조방법을 제공하 는 데 있다.Another object of the present invention is to form a metal oxide precursor directly on the current collector by electrospinning using a polymer material, and then heat-treat the polymer so that a pseudo capacitance according to the content ratio of carbon and metal oxide precursor according to carbonization of the polymer material is obtained. The present invention provides a hybrid type ultra-high capacitance capacitor electrode and a method of manufacturing the same.

본 발명의 또 다른 목적은 전기 방사법으로 금속 산화물을 섬유상으로 형성함으로써 섬유상의 도전 네트워크를 갖기 때문에 전기 전도도를 향상시키고, 높은 주사 속도에서도 높은 용량을 유지할 수 있는 전기 방사를 이용하여 제조된 초고용량 커패시터용 전극 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to form a metal oxide in a fibrous form by the electrospinning method to have a fibrous conductive network to improve the electrical conductivity, and ultracapacitors manufactured using electrospinning which can maintain a high capacity even at high scanning speed It is to provide an electrode and a manufacturing method thereof.

본 발명의 다른 목적은 금속 산화물을 전기 방사법으로 집전체의 재질 및 구조에 상관없이 형성함으로써 용도에 따른 형태를 다양화할 수 있고, 대량 생산이 저렴하게 이루어질 수 있는 전기 방사를 이용하여 제조된 초고용량 커패시터용 전극 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to form a metal oxide irrespective of the material and structure of the current collector by the electrospinning method to vary the form according to the use, ultra-high capacity manufactured by using electrospinning that can be mass produced inexpensively An electrode for a capacitor and a method of manufacturing the same are provided.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명은 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 금속 산화물의 전구체와, 탄소 성분을 가지는 고분자 물질과, 상기 고분자 물질을 용해시키기 위한 용매를 혼합하여 방사 용액을 준비하는 단계; 상기 방사 용액을 집전체에 전기 방사하는 단계; 및 상기 집전체에 방사된 방사체를 열처리하여 금속 산화물 및 탄소 성분을 제외한 다른 성분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a precursor of a metal oxide expressing a pseudo capacitance through a faradaic reaction, a polymer material having a carbon component, and a solvent for dissolving the polymer material. Preparing a spinning solution by mixing; Electrospinning the spinning solution on a current collector; And removing other components except metal oxides and carbon components by heat-treating the radiator radiated to the current collector, to provide an electrode manufacturing method for an ultra-capacitor using electrospinning.

상기 초고용량 커패시터용 전극 제조방법은 상기 방법에 따라 얻어진 전극의 표면에 루테늄 산화물 전구체를 전해 도금하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. The electrode manufacturing method for the ultracapacitor preferably further comprises electroplating a ruthenium oxide precursor on the surface of the electrode obtained according to the method.

상기 초고용량 커패시터용 전극 제조방법은 루테늄 산화물 전구체를 전해 도금하는 단계 이후에 산화 분위기에서 160~200℃ 사이에서 30분 내지 2시간 열처리하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게는 상기 열처리는 175℃에서 이루어진다.The electrode manufacturing method for the ultracapacitor further includes the step of heat-treating for 30 minutes to 2 hours between 160 to 200 ° C. in an oxidizing atmosphere after electroplating the ruthenium oxide precursor. Preferably the heat treatment is at 175 ° C.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 본 발명은 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 적어도 하나의 금속 산화물의 전구체와, 고분자 물질과, 상기 고분자 물질을 용해시키기 위한 용매를 혼합하여 방사 용액을 준비하는 단계; 상기 방사 용액을 다공성 폼으로 이루어진 집전체에 전기 방사하는 단계; 및 상기 집전체에 방사된 방사체를 열처리하여 금속 산화물 및 탄소 성분을 제외한 다른 성분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a precursor of at least one metal oxide that expresses pseudo capacitance through a Faradaic reaction, a polymer material, and a solvent for dissolving the polymer material. Preparing a spinning solution by mixing; Electrospinning the spinning solution to a current collector made of a porous foam; And removing other components except metal oxides and carbon components by heat-treating the radiator radiated to the current collector, to provide an electrode manufacturing method for an ultra-capacitor using electrospinning.

또한 상기 방법은, 상기 열처리 후에 전해 도금방법 또는 열분해법으로 루테늄 산화물 전구체를 코팅한 후 열처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the method may further include a step of heat treatment after coating the ruthenium oxide precursor by the electroplating method or pyrolysis method after the heat treatment.

상기 집전체는 다공성 니켈 폼 또는 니켈 플레이트로 이루어지고, 상기 전극은 탄소-금속 산화물/루테늄 산화물/다공성 니켈 폼 또는 탄소-금속 산화물/루테늄 산화물/다공성 니켈 플레이트의 구조를 이루는 것도 가능하다.The current collector may be made of a porous nickel foam or a nickel plate, and the electrode may have a structure of carbon-metal oxide / ruthenium oxide / porous nickel foam or carbon-metal oxide / ruthenium oxide / porous nickel plate.

또한, 상기 방사 용액은 다수개로 이루어지고 각각 다수의 노즐을 통하여 방사되거나, 상기 방사 용액은 다수개로 이루어지고 하나의 노즐을 통하여 방사된다.In addition, the spinning solution is composed of a plurality of spinning through a plurality of nozzles, respectively, or the spinning solution is composed of a plurality of spinning through one nozzle.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 집전체와, 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 금속 산화물의 전구체와 탄소 성분을 가지는 고분자 물질을 상기 고분자 물질을 용해시키 기 위한 용매로 혼합한 방사 용액을 상기 집전체에 전기 방사된 방사체를 열처리하여 얻어진 금속 산화물 및 탄소 성분으로 이루어진 전극 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극을 아울러 제공한다.According to another aspect of the invention, the present invention is dissolved in the polymer material with a current collector, a polymer material having a precursor and a carbon component of a metal oxide expressing pseudo capacitance through a Faradaic reaction. It also provides an electrode for ultracapacitors using electrospinning, characterized in that it comprises an electrode material consisting of a metal oxide and a carbon component obtained by heat-treating the radiator electrospun to the current collector in a spinning solution mixed with a solvent for the purpose of do.

바람직하게는 상기 전기 방사를 이용하여 초고용량 커패시터용 전극으로 제조된 금속 산화물 및 탄소 성분으로 이루어진 전극 물질의 표면에 축전용량의 증가를 위해 전기 도금된 루테늄 산화물층을 더 포함할 수 있다.Preferably, the electroplating may further include an electroplated ruthenium oxide layer on the surface of an electrode material made of a metal oxide and a carbon component prepared as an electrode for an ultracapacitive capacitor to increase capacitance.

상기 열처리는 산소분위기에서 이루어지며, 바람직하게는 전기 전도도 향상을 위해 질소 분위기에서 후열처리를 하는 것이 바람직하다.The heat treatment is carried out in an oxygen atmosphere, preferably after the heat treatment in a nitrogen atmosphere to improve the electrical conductivity.

상기 금속 산화물은 망간 산화물, 니켈 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 코발트 산화물, 텅스텐 산화물 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진다.The metal oxide is at least one selected from manganese oxide, nickel oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, cobalt oxide, and tungsten oxide.

또한, 상기 집전체는 금속과 탄소 및 유리 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지며, 상기 금속의 판(plate), 포일(metal-foil), 메쉬(mesh), 3차원 다공성 폼(foam) 중의 어느 한 구조로 이루어진다. 상기 금속은 예를 들어, Ni, Ti, Al, Pt, Au 중의 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the current collector is made of any one selected from metal, carbon, and glass, and has a structure of any one of a plate, a metal-foil, a mesh, and a three-dimensional porous foam of the metal. Is done. It is preferable that the said metal consists of any of Ni, Ti, Al, Pt, Au, for example.

또한, 상기 집전체는 상기 탄소의 씨트(carbon sheet)나 폼(foam) 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진다.In addition, the current collector is made of at least one selected from a sheet of carbon or a foam of carbon.

상기 고분자 물질은 PVAc, PAN, PI, PVdF, PVA(polyvinyl alcohol) 등의 고분자 물질 중에서 선택된 적어도 어느 하나이다.The polymer material is at least one selected from polymer materials, such as PVAc, PAN, PI, PVdF, and polyvinyl alcohol (PVA).

상기 용매는 DMAc, DMF, 아세톤(Acetone), 에탄올(Ethanol), THF(tetra hydro furan) 등 용매 중에서 선택된 적어도 어느 하나이다.The solvent is at least one selected from a solvent such as DMAc, DMF, acetone, ethanol, and tetrahydrofuran (THF).

또한, 본 발명은 금속 산화물의 전구체와 상기 집전체간의 접촉성을 향상시키기 위해 상기 열처리 전에 가압하는 단계를 더 포함하는데, 가열 가압이 더 바람직하다.In addition, the present invention further includes the step of pressing before the heat treatment to improve the contact between the precursor of the metal oxide and the current collector, heat pressurization is more preferred.

상기 금속 산화물의 전구체와 상기 고분자 물질의 비율은 중량%로 5 ~ 95 : 95 ~ 5%로 이루어지는데, 금속 산화물의 함량이 5% 미만인 경우에는 낮은 등가 직렬 저항을 갖지만 산화 환원 반응을 할 수 있는 금속 산화물의 양이 적기 때문에 낮은 축전 용량을 가지며, 반대로 금속 산화물의 함량이 95%를 초과하는 경우에는 축전 용량은 크지만 낮은 전기 전도도로 인해 높은 등가 직렬저항을 가지며 섬유상을 유지하기가 힘들게 된다. 또한, 상기 금속 산화물의 전구체와 상기 고분자 물질의 비율은 중량%로 60~80 : 40~20%로 이루어지는 것이 축전용량의 극대화 측면에서 더욱 바람직하다.The ratio of the precursor of the metal oxide and the polymer material is 5 to 95: 95 to 5% by weight. When the content of the metal oxide is less than 5%, it has a low equivalent series resistance but is capable of redox reaction. Since the amount of the metal oxide is low, it has a low storage capacity. On the contrary, when the content of the metal oxide exceeds 95%, the storage capacity is large, but due to low electrical conductivity, it has a high equivalent series resistance and it is difficult to maintain the fibrous shape. In addition, the ratio of the precursor of the metal oxide and the polymer material is 60% to 80% by weight to 20% by weight is more preferable in terms of maximizing the storage capacity.

상기 전기 방사는 3000V 미만의 전압으로 실시하면 미세 섬유상을 유지하지 못하고 박막을 형성하며, 50,000V를 초과하는 전압으로 하면 섬유의 길이가 너무 짧아지므로 3,000 ~ 50,000V의 전압 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 전기 방사기의 방사 노즐과 집전체간의 간격이 멀어질수록 방사된 섬유의 선경이 얇아지며 그 전압값을 크게 해주어야 하므로 섬유상 형성이 가능한 5cm부터 60cm 이내의 간격으로 유지된 상태에서 전기 방사가 이루어지는 것이 바람직하다.When the electrospinning is carried out at a voltage of less than 3000V, it is not possible to maintain a fine fibrous form to form a thin film, and if the voltage exceeds 50,000V, the length of the fiber becomes too short, so it is preferably made in a voltage range of 3,000 to 50,000V. In addition, as the distance between the spinning nozzle of the electrospinner and the current collector increases, the wire diameter of the spun fiber becomes thinner and the voltage value must be increased. Therefore, the electrospinning is performed in the state of being maintained within 5 cm to 60 cm of the fibrous formation. It is preferable.

상기 금속 산화물 전구체는 금속 아세테이트(Metal acetate), 금속 나이트레이트(Metal nitrate), 염화 금속(Metal chloride), 금속 아세틸 아세토네이트(Metal acetyl acetonate) 중에서 선택된 어느 하나이다.The metal oxide precursor is any one selected from metal acetate, metal nitrate, metal chloride, and metal acetyl acetonate.

따라서, 본 발명은 집전체에 직접 전극 물질을 전기 방사하여 간단한 가열 가압 처리를 통해 바인더와 같은 추가 물질을 사용하지 않고 커패시터용 전극을 제조함으로써 초고용량 커패시터를 제조할 수 있다.Accordingly, the present invention can produce an ultracapacitor by electrospinning the electrode material directly to the current collector and manufacturing the electrode for the capacitor without using additional material such as a binder through a simple heat press treatment.

또한, 본 발명은 망간 산화물뿐 아니라 니켈 산화물, 코발트 산화물, 이리듐 산화물 등의 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 금속 산화물의 전구체를 고분자 물질과 혼합하여 전기 방사법으로 방사한 후에 열처리를 통하여 고분자 물질로부터 생성되는 탄소 성분으로 인하여 전기 이중층 커패시터(EDLC) 전극을 형성함으로써 축전용량이 높고 및 수명이 긴 초고용량 커패시터를 제조할 수 있다.In addition, the present invention is not only a manganese oxide, but also a precursor of a metal oxide expressing pseudo capacitance through a faradaic reaction such as nickel oxide, cobalt oxide, iridium oxide, etc. mixed with a polymer material and radiated by electrospinning After the heat treatment, the carbon component generated from the polymer material forms an electric double layer capacitor (EDLC) electrode, thereby producing an ultracapacitor having a high capacitance and a long lifetime.

더욱이, 본 발명에 따른 전기 방사법을 이용하면 저렴하게 커패시터용 전극을 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.Moreover, the electrospinning method according to the present invention has the advantage of being able to mass-produce a capacitor electrode at low cost.

아울러, 전기 방사를 통해 제조되는 금속 산화물은 전기 방사의 특성상 초극세의 섬유상을 갖기 때문에 화학적이나 전해도금을 통해 합성된 입자 대 입자간의 도전 형식이 아닌 섬유상의 도전 네트워크를 갖기 때문에 전기 전도도가 우수해지는 장점이 있으며, 또 이종의 금속 산화물들이나 탄소재료와 병용한 하이브리드 커패시터용 전극을 용이하게 제조할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the metal oxide produced through electrospinning has an ultrafine fibrous shape due to the characteristics of electrospinning, it has an advantage of excellent electrical conductivity because it has a fibrous conductive network rather than a conductive form between particles and particles synthesized through chemical or electroplating. In addition, there is also an advantage that can easily manufacture the electrode for a hybrid capacitor in combination with heterogeneous metal oxides or carbon materials.

본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the advantages of the operability of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings showing preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments of the present invention. The following examples are merely provided to explain the present invention in more detail, whereby the technical scope of the present invention is not limited.

본 발명은 초고용량 캐패시터용 전극을 제조하기 위하여 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 금속 산화물의 전구체와, 전기 방사가 가능한 고분자 물질, 즉 용매에 용해될 수 있는 고분자 물질과, 상기 고분자 물질을 용해시킬 수 있는 용매를 혼합하여 방사용액을 준비한 후, 집전체에 전기 방사를 실시한다. The present invention provides a precursor of a metal oxide that expresses pseudo capacitance through a Faradaic reaction, and a polymer material capable of electrospinning, that is, a polymer that can be dissolved in a solvent in order to manufacture an electrode for a very high capacity capacitor. After the preparation of the spinning solution by mixing a substance and a solvent capable of dissolving the polymer material, the current collector is electrospun.

이 경우, 상기 고분자 물질은 용매에 용해되는 것은 모두 전기 방사가 가능하나, 고분자 물질 중에 열처리 후에 활성 탄소 역할을 할 수 있는 탄소를 갖는 것이 바람직하고, 전기 방사가 이루어질 때 섬유상으로 형성될 수 있는 고분자 물질이 열처리 후에 도전성 네트워크를 형성하기 때문에 더욱 바람직하다.In this case, the polymer material is capable of electrospinning all dissolved in a solvent, it is preferable to have a carbon that can act as activated carbon after heat treatment in the polymer material, a polymer that can be formed into a fibrous form when the electrospinning More preferred is that the material forms a conductive network after heat treatment.

상기 고분자 물질은 예를 들어, PVAc, PAN, PI, PVdF, PVA(polyvinyl alcohol) 등의 고분자 물질 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.The polymer material may be, for example, at least one selected from polymer materials such as PVAc, PAN, PI, PVdF, and polyvinyl alcohol (PVA).

상기 금속 산화물의 전구체는 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 것이라면 어떤 것도 사용 가능하며, 하나 또는 하나 이상의 금속 산화물의 전구체를 혼합하여 함께 방사하는 것도 가능하다.Any precursor of the metal oxide may be used as long as it expresses a pseudo capacitance through a Faradaic reaction, and a precursor of one or more metal oxides may be mixed and spun together.

상기 금속 산화물 전구체는 예를 들어, 금속 아세테이트(Metal acetate), 금속 나이트레이트(Metal nitrate), 염화 금속(Metal chloride), 금속 아세틸 아세토 네이트(Metal acetyl acetonate) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.For example, the metal oxide precursor may be any one selected from metal acetate, metal nitrate, metal chloride, and metal acetyl acetonate.

상기 금속 산화물의 전구체는 고분자 물질과 함께 용매에 용해되는 것(예를 들어, 염화 금속)도 있으나, 대부분 다른 전구체들은 용해되지 않고 고분자 물질이 용해된 방사액에 분산되는 것도 사용가능하다.The precursor of the metal oxide may be dissolved in a solvent together with the polymer material (for example, metal chloride), but most other precursors may not be dissolved but may be dispersed in a spinning solution in which the polymer material is dissolved.

상기 집전체는 전기 방사에 의해 전극 물질이 방사되는 것이므로 도전성이 있는 물질이라면 어떤 것도 가능하고, 판, 포일, 메쉬, 폼 등 어떤 형태를 가지는 것도 사용 가능하다.Since the current collector is an electrode material is radiated by electrospinning, any material may be used as long as it is a conductive material, and any shape such as a plate, a foil, a mesh, and a foam may be used.

따라서, 상기 집전체는 금속과 탄소 및 유리 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지며, 상기 금속의 판(plate), 포일(metal-foil), 메쉬(mesh), 3차원 다공성 폼(foam) 중의 어느 한 구조로 이루어진다. 상기 금속은 예를 들어, Ni, Cu Ti, Al, Pt, Au 중의 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.Therefore, the current collector is made of any one selected from metal, carbon, and glass, and has a structure of any one of a plate, a metal-foil, a mesh, and a three-dimensional porous foam of the metal. Is done. It is preferable that the said metal consists of any of Ni, Cu Ti, Al, Pt, Au, for example.

또한, 상기 집전체는 상기 탄소의 씨트(carbon sheet)나 폼(foam) 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진다.In addition, the current collector is made of at least one selected from a sheet of carbon or a foam of carbon.

상기 집전체에 고분자 물질과 함께 방사된 금속 산화물 전구체는 접촉 특성을 좋게 하기 위하여 열간 압착을 실시하며, 고분자 물질 중에 탄소를 제외한 나머지 잔기의 제거와 금속 산화물 전구체의 산화를 위해 산소분위기에서 열처리를 실시하는 열처리 공정을 실시한다. 이어서, 필요에 따라 전기 전도도를 증가시키기 위한 질소 분위기 열처리를 실시하는 것이 좋다. The metal oxide precursor radiated together with the polymer material on the current collector is hot pressed to improve contact characteristics, and heat treatment is performed in an oxygen atmosphere to remove residues other than carbon and oxidize the metal oxide precursor in the polymer material. A heat treatment step is performed. Subsequently, it is good to perform nitrogen atmosphere heat processing to increase electrical conductivity as needed.

상기와 같은 열처리 공정이 완료되는 경우 얻어지는 금속 산화물은 예를 들어, 망간 산화물, 니켈 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 코발트 산화물, 텅 스텐 산화물 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진다.When the heat treatment process is completed as described above, the metal oxide obtained is made of at least one selected from, for example, manganese oxide, nickel oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, cobalt oxide, and tungsten oxide.

상기 열처리 공정을 완료하면 금속 산화물과 고분자 물질의 탄화에 따른 탄소의 함량에 따라 전기 이중층 커패시터(EDLC ; electron double layer capacitor), 의사 커패시터(Pseudo capacitor) 및, EDLC와 의사 커패시터가 혼합된 혼성 커패시터(hybrid capacitor) 중 어느 하나의 전극으로 사용되는 전극이 얻어진다.Upon completion of the heat treatment process, an electric double layer capacitor (EDLC), a pseudo capacitor, and a hybrid capacitor in which EDLC and a pseudo capacitor are mixed according to the carbon content of the metal oxide and the carbon material according to carbonization. An electrode used as an electrode of any one of a hybrid capacitor is obtained.

본 발명은 전극을 제조하기 위한 금속 산화물, 예를 들어, 망간 산화물의 경우 망간 아세테이트( manganese acetate), 망간 나이트레이트(manganese nitrate), 망간 아세틸 아세토네이트(manganese acetyl acetonate)와 같은 금속 유기 화합물을 전구체로 사용하여 이와 함께 전기 방사가 가능한 고분자 물질, 바람직하게는 섬유상을 유지해줄 수 있는 폴리비닐아세테이트(PVAc ; polyvinylacetate)나 폴리아크릴로나이트릴(PAN ; polyacrylonitrile)과 같은 고분자를 디메틸포름아미드(DMF ; di-methylformamide)나 디메틸아세타마이드(DMAc; di-methylacetamide)와 같은 용매에 용해시켜 커패시터의 전극으로 사용할 기판에 직접 전기 방사하여 간단한 열처리를 한 후 바로 전극으로 사용한다. The present invention provides a metal oxide compound for preparing an electrode, for example, manganese oxide (manganese acetate (manganese acetate), manganese nitrate (manganese nitrate), manganese acetyl acetonate (metal manganese acetyl acetonate) precursors A polymer such as polyvinylacetate (PVAc; polyvinylacetate) or polyacrylonitrile (PAN), which can maintain an electrospinning, preferably a fibrous form, is used as a dimethylformamide (DMF; It is dissolved in a solvent such as di-methylformamide) or dimethylacetamide (DMAc) and directly electrospun onto a substrate to be used as an electrode of a capacitor.

상기한 전기 방사에 이용되는 전기 방사기(10)는 도 7, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 방사액 공급장치(1a-1d)로부터 방사액을 공급 받아서 고전압발생장치(5)의 (+) 전압이 적어도 하나의 방사 노즐(3,3a-3c)에 인가되고 (-) 전압이 하측에 배치된 집전체에 인가되거나, 또는 그 반대 방법으로 전압이 인가된 구조를 갖는다.As shown in FIGS. 7, 8A and 8B, the electrospinner 10 used for the electrospinning is provided with a high voltage generator 5 by receiving the spinning liquid from at least one spinning liquid supply device 1a-1d. (+) Is applied to at least one of the spinning nozzles 3, 3a-3c and (-) is applied to the current collector disposed below, or vice versa.

상기 전기 방사기에서 방사 노즐과 집전체 사이에 방사액의 전기 방사를 위해 인가되는 전압은 3,000 ~ 50,000V의 전압 범위에서 이루어지며, 전기 방사기의 방사 노즐과 집전체간의 간격은 5cm부터 60cm 범위로 설정된다.The voltage applied for the electrospinning of the spinning liquid between the spinning nozzle and the current collector in the electrospinner is made in the voltage range of 3,000 ~ 50,000V, the interval between the spinning nozzle and the current collector of the electrospinner is set in the range of 5cm to 60cm do.

이 경우, 3000V 미만의 전압으로 실시하면 미세 섬유상을 유지하지 못하고 박막을 형성하며, 50,000V를 초과하는 전압으로 실시하면 섬유의 길이가 너무 짧아지게 되어 열처리 후에 도전성 네트워크가 형성되기 어렵게 된다. 또한, 방사 노즐과 집전체간의 간격이 5cm ~ 60cm 범위를 벗어나 멀어지는 경우 방사된 섬유의 선경이 얇아지며 그 전압값을 크게 해주어야 하므로 섬유상 형성이 어렵게 되고 근접된 경우는 용액이 전기방사가 되는 최소 전압을 인가 할 수 없는 문제가 발생된다. 따라서, 가능한 5cm ~ 60cm 범위를 유지된 상태에서 전기 방사가 이루어지는 것이 바람직하다.In this case, when the voltage is less than 3000V, the microfibers are not maintained and a thin film is formed. When the voltage is more than 50,000V, the length of the fiber becomes too short, so that the conductive network is hardly formed after the heat treatment. In addition, when the distance between the spinning nozzle and the current collector is far away from the range of 5cm ~ 60cm, the diameter of the spun fiber becomes thin and the voltage value must be increased so that it is difficult to form a fibrous shape, and in the case of proximity, the minimum voltage at which the solution is electrospun. There is a problem that can not be authorized. Therefore, it is preferable that the electrospinning is made in the state maintained in the range of 5 cm to 60 cm as possible.

또한, 상기 전기 방사기(10)에서 기판(9) 위에 위치되는 집전체 전체에 골고루 방사가 이루어질 수 있도록 방사 노즐(3,3a-3c)은 X, Y축으로 왕복 이동이 가능하며, 집전체가 위치되는 기판(9)은 Y축으로 왕복 이동이 가능한 구조를 갖고 있다. 물론 집전체 전체에 골고루 방사가 이루어지게 하는 방사 노즐(3,3a-3c)과 기판(9)의 구동방법은 다른 방식으로 이루어질 수 있다.In addition, the radiating nozzles 3, 3a-3c may reciprocate in the X and Y axes so that the entire radiator is uniformly radiated to the entire current collector positioned on the substrate 9 in the electrospinner 10. The substrate 9 to be positioned has a structure capable of reciprocating in the Y axis. Of course, the method of driving the spinning nozzles 3, 3a-3c and the substrate 9 to uniformly radiate the entire current collector may be performed in different ways.

방사액의 전기 방사방법은 도 8a와 같이 각각의 방사액 공급장치(1a-1d)로부터 방사액을 각각의 공급관(4a-4c)을 통하여 방사부(2)에 설치된 각각의 방사 노즐(3a-3c)로 공급하여 방사가 이루어지는 개별방사방법과, 도 8b와 같이 다수의 방사액 공급장치(1a-1d)로부터 방사액을 하나의 공급관(4)을 통하여 각각의 하나의 방사 노즐(3)로 공급하여 방사가 이루어지는 혼합방사방법 중 하나로 이루어질 수 있다.Electrospinning method of the spinning liquid is a spinning nozzle (3a-) installed in the spinning unit 2 through the respective supply pipe (4a-4c) spinning liquid from each of the spinning liquid supply device (1a-1d) as shown in Figure 8a The individual spinning method of spinning by feeding to 3c) and the spinning liquid from the plurality of spinning liquid supply devices 1a-1d to each spinning nozzle 3 through one supply pipe 4 as shown in FIG. It may be made of one of the mixed spinning method is supplied by spinning.

상기와 같이, 전기 방사법을 통해 제조되는 금속 산화물들은 기존의 화학적인 합성법을 통해 제조할 수 없는 미세 섬유를 제조할 수 있으며, 특히 폴리아크릴로나이트릴(PAN; polyacrylonitrile)과 같은 고분자는 800℃의 열처리를 하면 나이트릴과 같은 잔기는 소결되어 없어지고 탄소 사슬만이 섬유상으로 남아 전기 이중층을 형성할 수 있다.As described above, the metal oxides produced through electrospinning can produce fine fibers that cannot be prepared through conventional chemical synthesis, and particularly polymers such as polyacrylonitrile (PAN) After the heat treatment, residues such as nitrile are sintered away and only carbon chains remain in a fibrous form to form an electric double layer.

이로 인해 금속 산화물의 산화 환원 반응을 통한 의사 용량과 함께 탄소 섬유상에서 기인하는 물리적인 흡착 탈착 과정을 통해 전기 이중층을 형성할 수 있다.This enables the formation of an electric double layer through the physical adsorption and desorption process originating on the carbon fiber together with the pseudo capacity through the redox reaction of the metal oxide.

이처럼 탄소 섬유를 형성할 수 있는 고분자의 함량이 금속 산화물보다 많아지면 기본적인 전기 이중층 용량과 함께 금속산화물에서 기인하는 의사용량(pseudo capacitance)을 가지며, 마찬가지로 금속산화물의 함량이 많게 되면 의사용량이 지배적이며 부가적으로 전기이중층 용량을 갖는다.In this way, when the content of the polymer capable of forming carbon fibers is greater than that of the metal oxide, it has a pseudo capacitance resulting from the metal oxide together with the basic electric double layer capacity. Likewise, when the content of the metal oxide is high, the pseudo capacity is dominant. Additionally has electric double layer capacity.

여기서, 탄소 성분 없이 금속 산화물 단독으로 커패시터 전극을 형성하면 등가 직렬저항(ESR ; equivalent series resistance)이 증가되어 용량 감소와 함께 높은 주사속도(> 500mV/s)에서 용량이 급격하게 줄어든다. 반대로 탄소 성분 단독으로 전극을 형성하면 탄소 자체의 안정적인 물성으로 인해 수명 특성은 우수하지만 표면의 전기 이중층만을 이용하기 때문에 산화 환원 반응을 통한 금속 산화물보다 축전 용량이 작아진다.In this case, when the capacitor electrode is formed of the metal oxide alone without the carbon component, the equivalent series resistance (ESR) is increased to decrease the capacitance at high scanning speed (> 500 mV / s). On the contrary, when the electrode is formed by the carbon component alone, the life characteristics are excellent due to the stable physical properties of the carbon itself, but since the electric double layer on the surface is used, the storage capacity is smaller than that of the metal oxide through the redox reaction.

따라서, 본 발명은 금속 산화물과 고분자 물질의 함량 조절을 통해 전기 이중층 커패시터(EDLC ; electron double layer capacitor), 의사 커패시터(Pseudo capacitor) 및, EDLC와 의사 커패시터가 혼합된 혼성 커패시터(hybrid capacitor)의 제조가 가능하다.Accordingly, the present invention is to prepare an electric double layer capacitor (EDLC), a pseudo capacitor (EDLC), and a hybrid capacitor mixed with the EDLC and the pseudo capacitor by controlling the content of the metal oxide and the polymer material. Is possible.

다시 말하면, 본 발명은 상기와 같이 각기 다른 장점 및 단점을 갖는 탄소 재료와 금속 산화물을 복합하여 사용함으로 인해 탄소 재료의 안정적인 물성에 의한 수명 특성과, 금속 산화물의 높은 축전 용량을 이용하여 수명특성도 좋고, 빠른 주사속도나 높은 방전 전류에서도 용량의 감소 폭이 작고 출력 특성이 좋아서 높은 축전 용량을 갖는 초고용량 커패시터용 전극을 제조할 수 있다.In other words, the present invention uses the carbon material and the metal oxide having different advantages and disadvantages as described above, so that the life characteristics due to the stable physical properties of the carbon material and the high storage capacity of the metal oxide It is possible to manufacture an electrode for an ultracapacitor having a high capacitance since the capacity of the capacitor is reduced and the output characteristics are good even at a high scanning speed or a high discharge current.

이와 같은 탄소 재료와 금속 산화물 재료의 전극을 이용한 커패시터는 도 6a와 같이 분리막(13)으로 분리된 각각의 전극(11, 12)이 탄소/금속 산화물로 이루어진 대칭형 혼성 커패시터(symmetrical hybrid capacitor)와, 도 6b와 같이 분리막(23)으로 분리된 각 전극이 각각 탄소 전극(21)과 금속 산화물 전극(22)으로 이루어진 비대칭형 혼성 커패시터(asymmetrical hybrid capacitor)로 제작될 수 있다.The capacitor using an electrode of a carbon material and a metal oxide material includes a symmetrical hybrid capacitor in which each of the electrodes 11 and 12 separated by the separator 13 is made of carbon / metal oxide, as shown in FIG. 6A, As illustrated in FIG. 6B, each electrode separated by the separator 23 may be manufactured as an asymmetrical hybrid capacitor including the carbon electrode 21 and the metal oxide electrode 22.

한편, 본 발명의 각 실시예서는 금속 산화물로서 망간 산화물을 이용한 전극에 대해서 설명하지만, 망간 산화물 외에도 의사 용량(Pseudo capacitance)을 발현하는 것으로 알려진 물질들인 NiOx, RuOx, IrOx, CoOx, WOx 등을 이용하여 전극을 형성할 수 있다.Meanwhile, although each embodiment of the present invention describes an electrode using manganese oxide as a metal oxide, NiOx, RuOx, IrOx, CoOx, WOx, etc., which are known to express pseudo capacitance in addition to manganese oxide, are used. To form an electrode.

그리고, 상기 집전체는 금속의 판(plate), 포일(metal-foil), 메쉬(mesh), 폼(foam) 등을 이용할 수 있으며, 탄소 재료의 씨트(carbon sheet)나 폼(foam) 그리고, 유리 기판 등을 이용할 수 있다.The current collector may use a metal plate, a metal-foil, a mesh, a foam, or the like, and may include a carbon sheet, a foam, and a carbon material. A glass substrate etc. can be used.

여기서, 상기 폼(foam) 및 아래에 언급되는 폼은 3차원 다공성 폼을 의미한다.Here, the foam and the foam mentioned below mean a three-dimensional porous foam.

이하, 본 발명의 구체적인 시험 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific test examples of the present invention. The following examples are merely provided to explain the present invention in more detail, whereby the technical scope of the present invention is not limited.

1. 제 1실시예1. First embodiment

수화 망간 산화물의 전구체인 망간 나이트레이트(manganese nitrate) 10wt%, 섬유상을 유지하게 해 주며, 열처리 이후에 탄소 재료가 되는 폴리아크릴로나이트릴(PAN; polyacrylonitrile) 5wt%, 상기 고분자를 용해시키기 위한 용매로서 디메틸아세테이트(DMAc ; di-methylacetamide)를 85wt%로 혼합하여 전기 방사 용액을 제조한다.10 wt% of manganese nitrate, a precursor of hydrated manganese oxide, maintains fibrous form, 5 wt% of polyacrylonitrile (PAN), which becomes a carbon material after heat treatment, and a solvent for dissolving the polymer Dimethyl acetate (DMAc; di-methylacetamide) was mixed at 85 wt% to prepare an electrospinning solution.

상기 전기 방사 용액을 전기 방사기의 원료 주입 장치에 넣고 방사 전압을 14,600V로 조절한다.The electrospinning solution is placed in a raw material injection device of the electrospinner and the radiation voltage is adjusted to 14,600V.

집전체로는 니켈 폼(35㎛)을 사용하며, 상기 집전체와 상기 전기 방사기의 방사 노즐간 거리는 10cm로 이격한다.Nickel foam (35 μm) is used as the current collector, and the distance between the current collector and the spinning nozzle of the electrospinner is 10 cm apart.

상기 전기 방사기의 방사 노즐은 X, Y축으로 왕복 이동이 가능하며, 기판은 Y축으로 왕복 이동이 가능한 것을 사용하여 상기 기판 전체에 골고루 방사한다.The spinning nozzle of the electrospinner is capable of reciprocating in the X and Y axes, and the substrate is evenly radiated throughout the substrate using the reciprocating movement in the Y axis.

상기와 같은 전기 방사기를 통해 전기 방사된 망간 산화물 전구체와 상기 집 전체간의 접촉 특성을 좋게 하기 위해 140℃로 가열 압착(hot roll press)한다.In order to improve the contact characteristics between the manganese oxide precursor electrospun through the electrospinner as described above and the entire house, hot roll press is performed at 140 ° C.

그 후, 고분자 물질인 상기 폴리아크릴로나이트릴에서 탄소를 제외한 나머지 잔기의 제거와 함께 금속 산화물 전구체를 산화시키기 위해 400℃의 산소분위기에서 30분간 열처리하고, 전기 전도도를 증가시키기 위하여 800℃의 질소 분위기에서 2시간동안 열처리한다.Thereafter, the polyacrylonitrile, which is a polymer material, was heat-treated for 30 minutes in an oxygen atmosphere of 400 ° C to oxidize the metal oxide precursor with removal of residues other than carbon, and nitrogen of 800 ° C to increase the electrical conductivity. Heat treatment for 2 hours in the atmosphere.

상기 공정을 통해 준비된 니켈폼 전극을 1cm x 2.5cm로 재단하여 전극 면적을 1cm x 1cm로 준비한다.The nickel foam electrode prepared through the above process was cut to 1 cm x 2.5 cm to prepare an electrode area of 1 cm x 1 cm.

상기와 같이 준비된 전극의 전기적 특성을 확인하기 위해, PAR 사의 전위 측정기를 이용하여 3전극계(기준전극; 포화 칼로멜 전극, 상대전극; 티타늄 판, 작업전극; 니켈 폼/수화 망간 산화물)로 하여 반쪽 전극 실험을 수행하였다. 이때 전해액으로는 1M의 황산 수용액(H2SO4)을 사용하였다.In order to confirm the electrical properties of the electrode prepared as described above, using a PAR potentiometer of the electrode prepared as a three-electrode system (reference electrode; saturated calomel electrode, counter electrode; titanium plate, working electrode; nickel foam / manganese oxide) half Electrode experiments were performed. At this time, 1M sulfuric acid aqueous solution (H 2 SO 4 ) was used as the electrolyte.

상기와 같은 조건에서 전기적 특성을 측정한 결과 100mV/s의 주사속도에서 20mF/cm2의 축전 용량 값을 얻었다.As a result of measuring the electrical properties under the above conditions, a capacitance value of 20 mF / cm 2 was obtained at a scanning speed of 100 mV / s.

참고로, 도 1의 (A)는 망간 산화물로 이루어진 전극에 대해 1M 황산 수용액의 전해질 환경에서 주사속도 20mV/s로 3전극계(Ag/AgCl(3M KCl, 0.196V vs. SCE)로 시험한 결과를 나타낸 것이다.For reference, FIG. 1 (A) is a three-electrode system (Ag / AgCl (3M KCl, 0.196V vs. SCE) at a scanning speed of 20 mV / s in an electrolyte environment of 1 M sulfuric acid solution for an electrode made of manganese oxide. The results are shown.

2. 제 2실시예2. Second Embodiment

상기 제 1실시예에서 준비한 니켈 폼/수화 망간 산화물 전극 위에 다음의 공정에 따라 루테늄 산화물 전구체를 전해 도금하였다.The ruthenium oxide precursor was electroplated on the nickel foam / hydrated manganese oxide electrode prepared in Example 1 according to the following process.

50mM의 3염화 루테늄과 0.1M의 염화 칼륨을 증류수에 용해시켜 도금 용액을 제조하고, 용액을 50℃의 온도로 유지하게 일정한 속도로 교반하면서 0.25 ~ 1.45V 사이에서 300mV/s의 주사속도로 20회 순환시켜 전해 도금한다.A plating solution was prepared by dissolving 50 mM ruthenium trichloride and 0.1 M potassium chloride in distilled water, and stirring at a constant speed to maintain the solution at a temperature of 50 ° C. at a scanning speed of 300 mV / s between 0.25 and 1.45 V. It is cycled once and electroplated.

상기와 같이 루테늄 산화물이 도금된 상기 전극을 증류수로 가볍게 세척하고, 175℃에서 한 시간 정도 열처리한다. 루테늄 산화물을 전해도금하고 열처리한 후 상기 제 1실시예와 같은 방법으로 실험을 수행하였다.The electrode plated with ruthenium oxide is lightly washed with distilled water as above, and heat treated at 175 ° C. for about an hour. After ruthenium oxide electroplating and heat treatment, the experiment was carried out in the same manner as in the first embodiment.

실시 결과 100mV/s의 주사속도에서 76mF/cm2의 축전 용량 값을 얻었으며, 이를 비용량으로 환산하면 100mV/s의 주사속도에서 1600F/g의 높은 축전용량을 나타내는 것을 확인하였다.As a result, a capacitance value of 76 mF / cm 2 was obtained at a scanning speed of 100 mV / s, and when converted into a specific amount, it was confirmed that a high storage capacity of 1600 F / g was obtained at a scanning speed of 100 mV / s.

3. 제 3실시예3. Third embodiment

먼저 수화 망간 산화물의 원료가 되는 망간 아세테이트(Manganese acetate); 5wt%를 폴리비닐아세테이트(PVAc; polyvinylacetate); 5wt%와 촉매작용을 해주는 아세트산(acetic acid) 5wt%, DMAc(di-methylacetamide); 85wt%를 용해시켜 전기 방사기의 방사 전압 14,600V로 두께 127㎛의 Ti 기판에 방사한다.First, manganese acetate, which is a raw material of hydrated manganese oxide; 5 wt% polyvinylacetate (PVAc; polyvinylacetate); 5wt% acetic acid catalyzing 5wt%, DMAc (di-methylacetamide); 85 wt% is dissolved and spun onto a Ti substrate having a thickness of 127 μm at an emission voltage of 14,600 V of the electrospinner.

상기와 같이 Ti 기판에 방사된 망간 아세테이트/PVAc의 구조는 도 4의 SEM 사진에 나타난 바와 같이 섬유상의 구조를 가지는 것을 알 수 있다.As described above, it can be seen that the structure of manganese acetate / PVAc spun onto the Ti substrate has a fibrous structure as shown in the SEM photograph of FIG. 4.

이때, 상기 전기 방사기의 방사 노즐과 상기 기판의 간격은 10㎝로 이격한다. 본 발명에 사용되는 전기 방사기는 상기 제1실시예와 동일한 방사기를 사용하였다. 그 후, 방사된 망간 산화물 전구체와 집전체간의 접촉 특성을 좋게 하기 위 해 140℃로 가압한다.At this time, the interval between the spinning nozzle of the electrospinner and the substrate is spaced apart by 10 cm. The electrospinning machine used in the present invention used the same spinner as the first embodiment. Thereafter, it is pressurized to 140 ° C. to improve the contact characteristics between the emitted manganese oxide precursor and the current collector.

그 후 고분자의 제거와 함께 금속 산화물 전구체를 산화시키기 위해 400℃의 산소분위기에서 30분간 열처리한 후, 800℃ 질소 분위기에서 2시간동안 열처리하였다.Thereafter, heat treatment was performed for 30 minutes in an oxygen atmosphere of 400 ° C. to oxidize the metal oxide precursor together with the removal of the polymer, followed by heat treatment for 2 hours in an 800 ° C. nitrogen atmosphere.

상기 공정을 통해 제조된 망간 산화물 전극을 전위 측정기를 이용, 3전극계로 하여 반쪽 전극 실험(half cell test)을 하여 전기 화학적인 특성을 확인하였다. 이때 전해액으로는 1M의 황산 수용액(H2SO4)을 사용하였다.The manganese oxide electrode prepared through the above process was used as a three-electrode system using a potentiometer to perform a half cell test (half cell test) to confirm the electrochemical characteristics. At this time, 1M sulfuric acid aqueous solution (H 2 SO 4 ) was used as the electrolyte.

실시 결과 100mV/s의 주사속도에서 18mF/cm2의 축전 용량 값을 얻었다.As a result, a capacitance value of 18 mF / cm 2 was obtained at a scanning speed of 100 mV / s.

4. 제 4실시예4. Fourth embodiment

상기 제 3실시예를 통해 제조된 망간 산화물 전극 위에 루테늄 산화물을 전해 도금하고, 175℃에서 한 시간 동안 열처리한 후, 같은 방법으로 전기 화학적인 특성을 확인하였다. 순환 전류법(Cyclic voltammetry)으로 0.1V에서 0.9V의 전위 구간에서 확인한 결과, 100mV/s의 주사속도에서 65mF/cm2(1622F/g)의 높은 축전용량 값을 얻었다.The ruthenium oxide was electroplated on the manganese oxide electrode prepared according to the third embodiment, heat treated at 175 ° C. for one hour, and electrochemical properties were confirmed in the same manner. Cyclic voltammetry confirmed the potential at 0.1V to 0.9V, resulting in a high capacitance value of 65mF / cm 2 (1622F / g) at a scanning speed of 100mV / s.

참고로 도 2는 전해 도금된 루테늄 산화물 전극의 소결 온도에 따른 축전 용량 변화를 나타낸 그래프로, 도 2의 (A)는 저속 주사 속도(50mV/s)에서 시험한 것이고, 도 2의 (B)는 고속 주사 속도(500mV/s)에서 시험한 것이다.For reference, FIG. 2 is a graph showing a change in storage capacity according to the sintering temperature of an electroplated ruthenium oxide electrode, and FIG. 2A is a test at a low scan rate (50 mV / s), and FIG. Was tested at a high scan rate (500 mV / s).

도 3은 본 발명에 따라 전기 방사된 망간 산화물/루테늄 산화물 전극의 레독스 및 충방전 특성을 조사하기 위한 순환 전류전압 곡선(cyclic voltammogram)으로 서, 망간 산화물/루테늄 산화물 전극을 1M 황산 수용액의 전해질 환경에서 주사속도 20mV/s로 3전극계(Ag/AgCl(3M KCl, 0.196V vs. SCE)로 시험한 결과를 나타낸 것이다.3 is a cyclic voltammogram for examining redox and charge / discharge characteristics of an electrospun manganese oxide / ruthenium oxide electrode according to the present invention. In the environment, the result of a test with a three-electrode system (Ag / AgCl (3M KCl, 0.196V vs. SCE) at a scanning speed of 20mV / s is shown.

아울러, 망간 산화물/루테늄 산화물 전극의 구조는 도 5의 SEM 사진에서 보는 바와 같이 섬유상의 구조로 이루어진다.In addition, the structure of the manganese oxide / ruthenium oxide electrode has a fibrous structure as shown in the SEM photograph of FIG.

5. 제 5실시예5. Fifth Embodiment

수화 망간 산화물의 전구체인 망간 아세틸 아세토네이트(manganese acetyl acetonate) 10.26wt%, 폴리비닐아세테이트(PVAc; polyvinylacetate) 12.8wt%, 용매 디메틸포름아미드(DMF ; di-methylformamide) 76.94wt%를 혼합하여 전기 방사 용액을 제조한다.Electrospinning by mixing 10.26 wt% manganese acetyl acetonate, a precursor of hydrated manganese oxide, 12.8 wt% polyvinylacetate (PVAc), and 76.94 wt% solvent dimethylformamide (DMF) Prepare a solution.

상기 전기 방사 용액을 전기 방사기의 원료 주입 장치에 넣고 방사 전압을 15,000V로 조절한다. 집전체로는 니켈 시트(42㎛)를 사용하며, 상기 집전체와 상기 전기 방사기의 방사 노즐간 거리는 16cm로 이격하여 상기 기판 전체에 골고루 방사한다.The electrospinning solution is placed in the raw material injection device of the electrospinner and the radiation voltage is adjusted to 15,000V. Nickel sheet (42 μm) is used as the current collector, and the distance between the current collector and the spinning nozzle of the electrospinner is evenly distributed to the entire substrate at a distance of 16 cm.

상기와 같은 전기 방사기를 통해 전기 방사된 망간 산화물 전구체와 상기 집전체간의 접촉 특성을 좋게 하기 위해 수평 압축기의 상??하부판에 30℃의 온도를 가한 상태에서 0.5ton/cm2 압력으로 30초간 압착한다.In order to improve the contact characteristics between the manganese oxide precursor electrospun through the electrospinner as described above and the current collector, the pressing plate was pressed for 30 seconds at a pressure of 0.5 ton / cm 2 while applying a temperature of 30 ° C. to the upper and lower plates of the horizontal compressor. do.

그 후, 고분자 물질 제거와 함께 금속 산화물 전구체를 산화시키기 위해 300℃의 산소분위기에서 30분간 열처리한다.Thereafter, heat treatment is performed for 30 minutes in an oxygen atmosphere at 300 ° C. to oxidize the metal oxide precursor with the removal of the polymer material.

상기 공정을 통해 준비된 니켈시트 전극을 1cm x 2.5cm로 재단하여 전극 면적을 1cm x 1cm로 준비한다.The nickel sheet electrode prepared through the above process was cut to 1 cm x 2.5 cm to prepare an electrode area of 1 cm x 1 cm.

상기와 같이 준비된 전극의 전기적 특성을 확인하기 위해, PAR 사의 전위 측정기를 이용하여 3전극계(기준전극; 포화 칼로멜 전극, 상대전극; 티타늄 판, 작업전극; 니켈 폼/수화 망간 산화물)로 하여 반쪽 전극 실험을 수행하였다. 이때 전해액으로는 1M의 황산나트륨 수용액(Na2SO4)을 사용하였다.In order to confirm the electrical properties of the electrode prepared as described above, using a PAR potentiometer of the electrode prepared as a three-electrode system (reference electrode; saturated calomel electrode, counter electrode; titanium plate, working electrode; nickel foam / manganese oxide) half Electrode experiments were performed. At this time, 1M aqueous sodium sulfate solution (Na 2 SO 4 ) was used.

상기와 같은 조건에서 전기적 특성을 측정한 결과 100 mV/s의 주사속도에서는 11.25mF/cm2 을, 2,000mV/s에서는 7.7mF/cm2의 축전 용량 값을 얻었다.As a result of measuring the electrical properties under the above conditions, a capacitance value of 11.25 mF / cm 2 was obtained at a scanning speed of 100 mV / s and 7.7 mF / cm 2 at 2,000 mV / s.

이를 비용량으로 환산하면 100mV/s의 주사속도에서 245 F/g의 높은 축전용량을 나타내는 것을 확인하였다.When converted into specific amounts, it was confirmed that the high storage capacity of 245 F / g at a scanning speed of 100mV / s.

6. 제 1비교예6. Comparative Example 1

티타늄 금속판 집전체에 전구체 용액[티타늄 프로폭사이드(Ti-propoxide) 6g, 초산 2g, 폴리비닐아세테이트(PVAc ; polyvinylacetate) 2g, 디메틸포름아미드(DMF ; di-methylformamide) 30g]을 전기 방사기의 방사 전압을 13,000V로 하고, 방사 노즐과 집전판 간의 거리를 10cm로 이격시키고, 전기 방사한 후 소결시켜 제조한 초극세 산화티타늄 섬유를 기판으로 사용하였으며, 기판의 면적은 1cm x 1cm로 하였다.A precursor solution (6 g of titanium propoxide, 2 g of acetic acid, 2 g of polyvinylacetate (PVAc), and 30 g of dimethylformamide (DMF; di-methylformamide) was added to a titanium metal plate current collector. Was set to 13,000V, and the distance between the spinning nozzle and the current collector plate was spaced at 10 cm, and the ultrafine titanium oxide fiber prepared by sintering after electrospinning was used as the substrate, and the area of the substrate was 1 cm x 1 cm.

실시 결과 100mV/s의 주사속도에서 3mF/cm2의 축전 용량 값을 얻었다.As a result, a capacitance value of 3 mF / cm 2 was obtained at a scanning speed of 100 mV / s.

참고로, 도 1의 (B)는 타이타늄 산화물 전극을 1M 황산 수용액의 전해질 환 경에서 주사속도 20mV/s로 3전극계(Ag/AgCl(3M KCl, 0.196V vs. SCE)로 시험한 결과를 나타낸 것이다.For reference, (B) of FIG. 1 shows a result of testing a titanium oxide electrode using a three-electrode system (Ag / AgCl (3M KCl, 0.196V vs. SCE) at a scanning speed of 20 mV / s in an electrolyte environment of a 1 M sulfuric acid solution. It is shown.

7. 제 2비교예7. Comparative Example 2

3염화루테늄(RuCl3· nH2O) 1.037g과 염화칼륨(KCl) 0.745g을 탈이온수에 용해시켜 100ml의 용액을 만든다.1.037 g of ruthenium trichloride (RuCl 3 nH 2 O) and 0.745 g of potassium chloride (KCl) are dissolved in deionized water to form a 100 ml solution.

이 용액을 일정한 자기적 교반(magnetic stirring)하에서 50℃로 유지하면서 산화티타늄 기판을 20분간 침지시킨 후, 5mA의 전류를 인가하여 루테늄산화물을 증착한 뒤, 탈이온수로 세척하였다. 이때, 루테늄산화물의 무게는 증착 전후의 전극의 무게차를 사용했다.The solution was immersed in a titanium oxide substrate for 20 minutes while maintaining the solution at 50 ° C. under constant magnetic stirring. Then, a ruthenium oxide was deposited by applying a current of 5 mA, and then washed with deionized water. At this time, the weight of the ruthenium oxide used the weight difference of the electrode before and after deposition.

0.5M 황산 수용액에서 순환 전위 전류 그래프를 얻고, 여기서 평균 전류를 구해 주사속도로 나누어 축전용량을 구했다. 이 축전용량을 다시 루테늄산화물의 무게로 나누어 비축전용량을 구했다. 특성을 평가한 결과, 10mV/s의 주사속도에서 592F/g의 용량을 나타냈다.A graph of circulating potential current was obtained in 0.5 M aqueous sulfuric acid solution, where the average current was obtained, and the capacitance was divided by the scanning speed. This storage capacity was divided again by the weight of ruthenium oxide to obtain a specific storage capacity. As a result of evaluating the characteristics, a capacity of 592 F / g was shown at a scanning speed of 10 mV / s.

상기한 제1 및 제2 비교예는 특허 제649092호에 개시된 방법에 기초하여 이루어진 것으로 특허 제649092호에 개시되지 않은 전기 방사의 조건은 본 발명의 조건을 적용하여 이루어진 것이다.The first and second comparative examples described above are made based on the method disclosed in Patent No. 649092, and the conditions of electrospinning not disclosed in Patent No. 649092 are made by applying the conditions of the present invention.

본 발명의 제2 실시예는 100mV/s의 주사속도에서 1600F/g의 높은 축전용량을 나타내고 있고, 제2 비교예는 10mV/s의 주사속도에서 592F/g의 용량을 나타내고 있어 본 발명이 제2 비교예와 비교할 때 현저히 높은 축전용량을 나타내는 것을 알 수 있다.The second embodiment of the present invention shows a high capacitance of 1600 F / g at a scanning speed of 100 mV / s, and the second comparative example shows a capacity of 592 F / g at a scanning speed of 10 mV / s. When compared with the comparative example 2, it turns out that it shows remarkably high capacitance.

또한, 상기 제2 비교예에서는 티타늄 집전체의 두께가 얇을 경우(100㎛ 이하)에는 450℃ 소결 공정 후에 약간의 충격에도 부서지는 현상이 발생하여 완제품의 안정성이 취약해지는 문제점이 있었고, 이와 같이 전극이 부서지는 것을 방지하기 위해서 두께 127㎛의 티타늄 집전체로 확인해 본 결과 쉽게 부서지지는 않지만 여전히 안정성에 문제가 있었다.In addition, in the second comparative example, when the thickness of the titanium current collector is thin (100 μm or less), a phenomenon occurs that the chip is broken even after a slight impact after the sintering process at 450 ° C., so that the stability of the finished product is weak. In order to prevent the breakage, the result of checking the current collector with a thickness of 127 μm was not easily broken, but there was still a problem in stability.

본 발명은 높은 축적 용량과 고출력 및 장수명 특성을 갖는 전기 방사를 이용한 커패시터용 전극 제조방법 및 그 전극에 관한 것으로, 초고용량 커패시터의 전극, 예를 들어 전기 이중층 커패시터(EDLC), 의사 커패시터(Pseudo capacitor) 및, EDLC와 의사 커패시터가 혼합된 혼성 커패시터의 전극에 적용될 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an electrode for a capacitor using electrospinning having a high accumulation capacity, high output, and long life, and to an electrode thereof. ) And the electrode of the hybrid capacitor in which the EDLC and the pseudo capacitor are mixed.

도 1은 본 발명에 따라 전기 방사된 망간산화물 전극(A)과 비교예인 티타늄 산화물 전극(B)의 순환 전류 곡선.1 is a circulating current curve of a manganese oxide electrode (A) electrospun according to the present invention and a titanium oxide electrode (B) as a comparative example.

도 2는 본 발명에 따라 전해 도금된 루테늄 산화물 전극의 소결 온도에 따른 저속 주사(A) 및 고속주사(B)에 따른 축전 용량 변화를 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the change in storage capacity according to the low-speed scan (A) and high-speed scan (B) according to the sintering temperature of the electroplated ruthenium oxide electrode in accordance with the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 전기 방사된 망간 산화물/루테늄 산화물 전극의 순환 전류 곡선.3 is a cyclic current curve of an electrospun manganese oxide / ruthenium oxide electrode according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 전기 방사된 망간 아세테이트/PVAc의 SEM 사진.4 is a SEM photograph of manganese acetate / PVAc electrospun according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 망간 산화물/루테늄 산화물 전극의 SEM 사진.5 is a SEM photograph of a manganese oxide / ruthenium oxide electrode according to the present invention.

도 6a 및 도 6b는 각각 대칭형 및 비대칭형 혼성 커패시터 구조를 설명하기 위한 예시도.6A and 6B are exemplary diagrams for describing symmetric and asymmetric hybrid capacitor structures, respectively.

도 7은 본 발명에 사용되는 전기 방사기를 나타내는 개략 구성도.7 is a schematic configuration diagram showing an electrospinning apparatus used in the present invention.

도 8a 및 도 8b는 각각 단독 개별방사와 혼합 방사 방법을 설명하기 위한 개략 구성도.8A and 8B are schematic configuration diagrams for explaining the single individual spinning and the mixed spinning method, respectively.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *

1a-1d: 방사액 공급장치 2: 방사부1a-1d: spinning solution supply unit 2: spinning section

3,3a-3c: 방사 노즐 4,4a-4c: 공급관3,3a-3c: spinning nozzle 4,4a-4c: supply pipe

5: 고전압 발생장치 9: 기판5: high voltage generator 9: substrate

10: 전기 방사기10: electric radiator

Claims (35)

패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 금속 산화물의 전구체와, 탄소 성분을 가지는 고분자 물질과, 상기 고분자 물질을 용해시키기 위한 용매를 혼합하여 방사 용액을 준비하는 단계;Preparing a spinning solution by mixing a precursor of a metal oxide that expresses pseudo capacitance through a faradaic reaction, a polymer material having a carbon component, and a solvent for dissolving the polymer material; 상기 방사 용액을 집전체에 전기 방사하는 단계; 및Electrospinning the spinning solution on a current collector; And 상기 집전체에 방사된 방사체를 열처리하여 금속 산화물 및 탄소 성분을 제외한 다른 성분을 제거하는 단계;Heat-treating the radiator radiated to the current collector to remove other components except metal oxide and carbon component; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.Electrode manufacturing method for an ultra-capacitor using an electrospinning comprising a. 제 1항에 있어서, 상기 열처리는 산소분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. 제 2항에 있어서, 상기 산소 분위기 열처리 후에 질소 분위기에서 후열처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of manufacturing an electrode for an ultracapacitor using electrospinning according to claim 2, further comprising a post heat treatment in a nitrogen atmosphere after the oxygen atmosphere heat treatment. 제 1항에 있어서, 상기 금속 산화물은 망간 산화물, 니켈 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 코발트 산화물, 텅스텐 산화물 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the metal oxide is at least one selected from manganese oxide, nickel oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, cobalt oxide, and tungsten oxide. 제 1항에 있어서, 상기 집전체는 금속과 탄소 및 유리 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the current collector is any one selected from metal, carbon, and glass. 제 5항에 있어서, 상기 집전체는 상기 금속의 판(plate), 포일(metal-foil), 메쉬(mesh), 폼(foam) 중의 구조 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.6. The candle according to claim 5, wherein the current collector is at least one selected from among a structure of a plate, a metal-foil, a mesh, and a foam of the metal. Electrode manufacturing method for high capacity capacitor. 제 5항에 있어서, 상기 집전체는 상기 탄소의 씨트(carbon sheet)나 폼(foam) 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.6. The method of claim 5, wherein the current collector is at least one selected from a carbon sheet or a foam of carbon. 7. 제 1항에 있어서, 상기 고분자 물질은 PVAc, PAN, PI, PVdF, PVA(polyvinyl alcohol) 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the polymer material is at least one selected from PVAc, PAN, PI, PVdF, and polyvinyl alcohol (PVA). 제 1항에 있어서, 상기 용매는 DMAc, DMF, 아세톤(Acetone), 에탄 올(Ethanol), THF(tetra hydro furan) 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the solvent is at least one selected from DMAc, DMF, acetone (Acetone), ethanol (Ethanol), THF (tetra hydro furan) manufacturing an electrode for an ultracapacitor using electrospinning Way. 제 1항에 있어서, 상기 열처리 전에 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.2. The method of claim 1, further comprising the step of pressurizing before the heat treatment. 제 1항에 있어서, 상기 금속 산화물 전구체는 금속 아세테이트(Metal acetate), 금속 나이트레이트(Metal nitrate), 염화 금속(Metal chloride), 금속 아세틸 아세토네이트(Metal acetyl acetonate) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.According to claim 1, wherein the metal oxide precursor is any one selected from metal acetate (Metal acetate), metal nitrate (Metal nitrate), metal chloride (Metal chloride), metal acetyl acetonate (Metal acetyl acetonate) Electrode manufacturing method for an ultracapacitor using an electrospinning. 제 1항에 있어서, 상기 금속 산화물의 전구체와 상기 고분자 물질의 비율은 중량%로 5 ~ 95 : 95 ~ 5%인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the ratio of the precursor of the metal oxide and the high molecular material is 5 to 95: 95 to 5% by weight. 제 12항에 있어서, 상기 금속 산화물의 전구체와 상기 고분자 물질의 비율은 중량%로 60~80 : 40~20%인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 12, wherein the ratio of the precursor of the metal oxide and the polymer material is 60 to 80: 40 to 20% by weight. 제 1항에 있어서, 상기 전기 방사는 3,000 ~ 50,000V의 전압 범위에서 이루 어지는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the electrospinning is performed in a voltage range of 3,000 to 50,000V. 제 1항에 있어서, 상기 전기 방사는 전기 방사기의 방사 노즐과 상기 집전체간의 거리가 5 ~ 60cm로 유지된 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the electrospinning is performed in a state in which a distance between the spinning nozzle of the electrospinner and the current collector is maintained at 5 to 60 cm. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 후에 전해 도금방법으로 루테늄 산화물을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The method according to any one of claims 1 to 15, further comprising coating ruthenium oxide by an electroplating method after the heat treatment. 제 16항에 있어서, 상기 루테늄 산화물을 코팅하는 단계 이후에 산소분위기에서 열처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.17. The method of claim 16, further comprising heat-treating in an oxygen atmosphere after coating the ruthenium oxide. 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 적어도 하나의 금속 산화물의 전구체와, 고분자 물질과, 상기 고분자 물질을 용해시키기 위한 용매를 혼합하여 방사 용액을 준비하는 단계;Preparing a spinning solution by mixing a precursor of at least one metal oxide expressing pseudo capacitance through a faradaic reaction, a polymer material, and a solvent for dissolving the polymer material; 상기 방사 용액을 다공성 폼으로 이루어진 집전체에 전기 방사하는 단계; 및Electrospinning the spinning solution to a current collector made of a porous foam; And 상기 집전체에 방사된 방사체를 열처리하여 금속 산화물 및 탄소 성분을 제 외한 다른 성분을 제거하는 단계;Heat-treating the radiator radiated to the current collector to remove other components except metal oxide and carbon component; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.Electrode manufacturing method for an ultra-capacitor using an electrospinning comprising a. 제 18항에 있어서, 상기 열처리 후에 전해 도금방법으로 루테늄 산화물 전구체를 코팅한 후 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.19. The method of claim 18, further comprising, after the heat treatment, coating the ruthenium oxide precursor by an electroplating method and then performing heat treatment. 제19항에 있어서, 상기 집전체는 다공성 니켈 폼으로 이루어지고, The method of claim 19, wherein the current collector is made of a porous nickel foam, 상기 전극은 탄소-금속 산화물/루테늄 산화물/다공성 니켈 폼의 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.The electrode is an electrode manufacturing method for an ultra-capacitor using electrospinning, characterized in that the structure of the carbon-metal oxide / ruthenium oxide / porous nickel foam. 제18항에 있어서, 상기 방사 용액은 다수개로 이루어지고 각각 다수의 노즐을 통하여 방사되는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.19. The method of claim 18, wherein the spinning solution comprises a plurality of spinning solutions, and each of the spinning solutions is spun through a plurality of nozzles. 제18항에 있어서, 상기 방사 용액은 다수개로 이루어지고 하나의 노즐을 통하여 방사되는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극 제조방법.19. The method of claim 18, wherein the spinning solution comprises a plurality of spinning solutions and is radiated through one nozzle. 집전체와,With the whole house, 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통한 의사 용량(pseudo capacitance)을 발현하는 금속 산화물의 전구체와 탄소 성분을 가지는 고분자 물질을 상기 고분자 물질을 용해시키기 위한 용매로 혼합한 방사 용액을 상기 집전체에 전기 방사된 방사체를 열처리하여 얻어진 금속 산화물 및 탄소 성분으로 이루어진 전극 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.Electrospinning a spinning solution comprising a precursor of a metal oxide expressing pseudo capacitance through a Faradaic reaction and a polymer material having a carbon component as a solvent for dissolving the polymer material is electrospun into the current collector An electrode for ultracapacitors using electrospinning comprising an electrode material comprising a metal oxide and a carbon component obtained by heat treatment of a radiator. 제 23항에 있어서, 상기 금속 산화물은 망간 산화물, 니켈 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 코발트 산화물, 텅스텐 산화물 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.The electrode of claim 23, wherein the metal oxide is at least one selected from manganese oxide, nickel oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, cobalt oxide, and tungsten oxide. 제 23항에 있어서, 상기 집전체는 금속과 탄소 및 유리 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.24. The electrode of claim 23, wherein the current collector is any one selected from metal, carbon, and glass. 제 25항에 있어서, 상기 집전체는 상기 금속의 판(plate), 포일(metal-foil), 메쉬(mesh), 폼(foam) 중의 구조 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.26. The candle according to claim 25, wherein the current collector is at least one selected from a structure of a plate, a metal-foil, a mesh, and a foam of the metal. Electrodes for high capacity capacitors. 제 25항에 있어서, 상기 집전체는 상기 탄소의 씨트(carbon sheet)나 폼(foam) 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초 고용량 커패시터용 전극.27. The electrode of claim 25, wherein the current collector is at least one selected from a carbon sheet or a foam of carbon. 제 23항에 있어서, 상기 고분자 물질은 PVAc, PAN, PI, PVdF, PVA(polyvinyl alcohol) 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.The electrode of claim 23, wherein the polymer material is at least one selected from PVAc, PAN, PI, PVdF, and polyvinyl alcohol (PVA). 제 23항에 있어서, 상기 용매는 DMAc, DMF, 아세톤(Acetone), 에탄올(Ethanol), THF(tetra hydro furan) 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.24. The electrode of claim 23, wherein the solvent is at least one selected from DMAc, DMF, Acetone, Ethanol, and THF (tetra hydro furan). 제 23항에 있어서, 상기 금속 산화물의 전구체와 상기 고분자 물질의 비율은 중량%로 5 ~ 95 : 95 ~ 5%인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.The electrode of claim 23, wherein the ratio of the precursor of the metal oxide and the polymer material is 5 to 95: 95 to 5% by weight. 제 30항에 있어서, 상기 금속 산화물의 전구체와 상기 고분자 물질의 비율은 중량%로 60~80 : 40~20%인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.31. The electrode of claim 30, wherein the ratio of the precursor of the metal oxide and the polymer material is 60 to 80: 40 to 20% by weight. 제 23항에 있어서, 상기 금속 산화물 전구체는 금속 아세테이트(Metal acetate), 금속 나이트레이트(Metal nitrate), 염화 금속(Metal chloride), 금속 아세틸 아세토네이트(Metal acetyl acetonate) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.The method of claim 23, wherein the metal oxide precursor is any one selected from metal acetate, metal nitrate, metal chloride, and metal acetyl acetonate. An electrode for ultracapacitors using electrospinning. 제 23항 내지 제 32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극물질은 표면에 코팅된 루테늄 산화물층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.33. The electrode as claimed in any one of claims 23 to 32, wherein the electrode material further comprises a ruthenium oxide layer coated on the surface thereof. 제33항에 있어서, 상기 집전체는 다공성 니켈 폼으로 이루어지고, The method of claim 33, wherein the current collector is made of a porous nickel foam, 상기 전극은 탄소-금속 산화물/루테늄 산화물/다공성 니켈 폼의 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.The electrode is an electrode for ultracapacitor using electrospinning, characterized in that the structure of the carbon-metal oxide / ruthenium oxide / porous nickel foam. 제 23항 내지 제 32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사체의 고분자 물질은 나노 섬유상을 이루는 것을 특징으로 하는 전기 방사를 이용한 초고용량 커패시터용 전극.33. The electrode for ultracapacitor according to any one of claims 23 to 32, wherein the polymer material of the radiator is in the form of nanofibers.
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