KR20130017989A - ＮａＯＨ의 화학적 활성화에 의한 커패시터 전극용 활성탄 및 이를 이용한 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저가의 야자각 차콜을 NaOH를 사용하여 활성화 시켜 커패시터 전극재료인 활성탄 제조에 관한 것으로서 활성화 조건에 따른 비표면적과 기공크기를 자유롭게 조절하여 커패시터 전극재료에 맞는 고 비표면적(1500㎡/g이상)과 기공크기(1.5~5㎚)를 갖는 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 야자각 차콜을 사용하여, 활성화 약품의 종류와 조성, 활성기체, 활성온도, 승온방법 등을 조절하여 제조된 활성탄의 다양한 비표면적과 기공구조를 제공할 수 있다. 이와 같이 제조된 활성탄은 전기이중층 커패시터의 애노드와 캐소드 전극재료와 고용량, 고출력 하이브리드 커패시터의 애노드 전극으로 사용할 수 있고, Li염 기반의 캐소드 전극과 제조된 활성탄 애노드 전극을 사용한 하이브리드 커패시터의 경우 매우 발달된 충방전 특성을 부여할 수 있다.
Description
본 발명은 야자각 차콜을 원료로 NaOH를 사용하여 메조기공이 발달된 활성탄을 제조하여 커패시터 전극소재로 활용하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이와 같이 제조된 활성탄을 애노드 전극으로 하고 Li염 금속산화물(코발트, 망간)을 캐소드 전극으로 사용하여 하이브리드 커패시터를 제조하거나, 상기 활성탄을 애노드 및 캐소드로 사용하는 전기이중층 커패시터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 NaOH 로 화학적 활성화 방법을 사용하여 활성화 온도, 승온 속도, 활성화 가스 종류 및 유량, 원료의 중량 등을 변화시키면서, 다양한 고 비표면적(1500~3000㎡/g), 메조기공(1.5~5㎚)이 발달된, 고 용량 커패시터 전극소재로 활용할 수 있는 활성탄의 제조방법과 이를 이용하는 커패시터에 관한 것이다.
최근 안정적인 전기에너지의 확보와 우수한 에너지 저장 장치로 하이브리드 커패시터(Hybrid capacitor)가 관심의 대상이 되고 있다. 하이브리드 커패시터는 기존의 전기이중층 커패시터(EDLC)가 갖고 있는 장점인 높은 충 방전 효율과 출력밀도, 반영구적인 사이클 특성에 단점인 에너지 밀도를 향상시키기 위하여 기술개발 되어 지고 있으며, 최근에는 2차전지의 높은 에너지 밀도와 EDLC의 높은 출력밀도의 장점을 이용하기 위한 하이브리드 커패시터 기술개발도 주목을 받고 있다. 이에 따라 고에너지 밀도와 출력밀도 특성을 겸비한 신뢰성과 안전성이 높은 차세대 하이브리드 커패시터의 개발이 진행되고 에너지의 지속성과 효율성에 있어서 에너지 밀도와 출력밀도의 두 측면을 만족시킬 수 있는 에너지 저장 시스템이 요구되어 지고 있다. 최근 하이브리드 커패시터 제작 과정 중 한쪽 전극을 리튬염이 포함 되어 있는 금속산화물을 전극 물질로 사용하는 사례들이 보고되고 있으며 이들은 기존의 커패시터 보다 높은 에너지밀도를 가지는 것으로 보고되고 있다. 하이브리드 커패시터는 전기자동차, 철도차량, 태양광 및 풍력발전설비 등 기기의 에너지 절감과 자연 에너지의 효과적인 활용을 목적으로 한 환경 에너지 분야에서 새로운 시장을 창출할 수 있는 기술로서 기대를 모으고 있다.
하이브리드 커패시터는 분리 막과, 분리 막에 의해 분리된 양극과 음극 및 전자의 흐름통로인 집전체(current collector) 그리고 전하(ions)를 운반하는 전해질로 구성되어있다. 이와 같은 하이브리드 커패시터는 분리 막, 전해질, 전극 제조기술등의 분야가 있으며, 전극에 관한 연구는 애노드 전극으로 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 비표면적과 기공크기, 전기전도도, 표면의 화학적 특성에 관한 기술개발이 주로 진행되고 있다. 또한 하이브리드 커패시터는 에너지 밀도를 높이기 위하여 캐소드 전극으로 Li염 기반으로 한 코발트, 망간, 철, 니켈 등을 단일성분, 이성분 및 삼성분계를 사용하고 있다. 전해질에 관한 분야는 전하의 이동성 및 전기 전도도 등이 전기화학적 특성에 미치는 영향을 조사하는 기술개발이 진행되고 있으며 다양한 유기계 전해질이 사용되고 있다. 하이브리드 커패시터의 애노드 전극활물질은 넓은 비표면적과 적당한 크기의 기공 분포, 높은 전기전도도, 화학적 안정성 등이 필요하며, 현재까지는 활성탄이 가장 많이 사용되고 있다.
이와 같은 전극물질로서 활성탄의 물리적 특성이 전기화학적 특성에 미치는 영향을 조사한 많은 연구가 진행되고 있다. 최근에 연구결과에 따르면 일반적으로 비표면적의 증가는 충전용량을 증가시키지만 일정이상의 비표면적이 되면 유기 전해질의 경우 마이크로 기공 보다는 메조기공의 발달이 충전용량을 크게 영향을 미친다는 연구결과가 있다. 수용성 전해질 보다 이온크기가 큰 유기 전해질의 경우 기공크기에 의한 확산저항의 영향을 받는 다는 것이다. 이와 같은 활성탄 전극을 다양한 활성화 방법에 의해 비표면적과 기공을 제어하는 많은 연구 결과들이 보고되고 있으며, 또한 활성탄 표면의 화학적 개질에 의한 전기화학적 특성을 증가시키는 기술개발이 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 활성탄의 비표면적과 마이크로 기공 또는 메조기공의 크기 또는 분율을 조절하는 방법으로 서로 다른 종류의 고분자를 물리적 또는 화학적으로 혼합하여 고분자를 탄화 시키는 고분자 블렌드 탄화법, 전이금속 및 희토류 금속을 촉매로 사용하여 고온에서 활성화 시키는 촉매 활성화법, Resorcinol과 Formaldehyde를 혼합할 때 pH를 조절하여 활성탄의 기공과 비표면적을 조절하는 졸-겔 활성화법, 실리카 매트릭스를 사용하는 Template탄화법 등으로 분류될 수 있다. 최근에 화학적 약품 활성화 처리를 통한 고용량 소재의 합성이 새롭게 선보이면서 고 비표면적과 메조기공이 발달된 활성탄을 제조기술이 관심의 초점이 되고 있다. 따라서 본 발명은 야자각 차콜을 원료로 KOH 보다 상대적으로 메조기공이 발달되는 것으로 알려져 있는 NaOH 화학적 활성화 방법을 이용하여 비표면적과 메조기공을 조절하여, 고용량 슈퍼 커패시터 전극소재로 활용할 수 있는 고 비표면적과 메조기공이 발달된 활성탄을 제조공정의 내용을 포함하는 것이다.
본 발명은 현재 전기에너지 저장장치인 하이브리드 커패시터에 사용되는 애노드 전극재료 활성탄을 야자각 차콜과 NaOH의 화학약품을 사용하여 활성화시켜 제조하는 기술로서 다양한 활성조건을 활용하여 고 비표면적 활성탄과 메조기공이 발달된 활성탄을 제조하여 전기적 에너지 충ㆍ방전 시 전하들의 확산저항 감소와 고용량 화 커패시터를 제조하기 위한 전극소재용 활성탄 제조방법을 제공하고 본 발명은 또한 상기와 같이 제조된 활성탄 애노드 전극과 Li염이 포함된 금속산화물 캐소드 전극을 사용하여 커패시터의 단점인 에너지 밀도를 향상시키는 하이브리드 커패시터를 제공한다. 따라서 본 발명의 목적은 가격적 경쟁력이 있는 야자각 차콜을 활용하여 활성화 약품의 종류와 조성, 활성기체, 활성온도, 승온방법 등의 변화에 따른 활성탄 제조 기술을 확립하여 고가의 활성탄을 대체하고 고용량의 커패시터를 실현하기 위한 커패시터용 활성탄 제조방법을 제공함에 있다. 본 발명에 의해 제조된 활성탄은 기존의 활성탄이 고비표면적이면 마이크로 기공이 발달된 특성을, NaOH에 의해 활성화 함으로써 기존의 활성탄 보다 메조기공이 발달되면서 비표면적이 매우 큰, 고 비표면적(1500~3000㎡/g)이면서 동시에 상대적으로 전극표면까지 전하이동 저항이 감소되는 것으로 알려져 있는, 1.5~5㎚의 평균 메조기공을 갖는 전극재료를 제조하고 다양한 도전제와 바인더 전해질을 사용함으로서 고부가가치의 고성능 커패시터에 적용하여 제품의 가격경쟁력과 세계적인 기술경쟁력을 확보하는데 활용할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은;
0.3~1.0F/㎠의 충전능력을 갖는 커패시터 전극소재를 사용하기 위한 것으로 1500~3000㎡/g의 비표면적과 1.5~5㎚의 메조기공을 갖는 커패시터용 활성탄 제조방법으로서,
수산화나트륨(NaOH)과 야자각 차콜을 중량비로 0.2~10:1로 하여 분쇄 및 혼합하는 단계(S1);
상기 혼합물을 튜브 로에서 700~900℃의 온도에서 활성화하여 활성탄을 제조하는 단계(S2);
상기단계(S2)에서 제조된 활성탄의 불순물을 제거하는 단계(S3); 그리고,
상기단계(S3) 후 수세하고 건조하는 단계(S4)를 포함함을 특징으로 하는 커패시터용 활성탄 제조방법을 제공한다.
상기단계(S1)에서의 중량비는, NaOH/야자각 차콜의 중량비에 따라 제조되는 활성탄의 비표면적과 기공크기에 매우 영향이 크므로, 중량비가 작은 경우 1부터 큰 경우에 미치는 영향을 연구하였으며, 너무 중량비가 크면 밀도가 작아지고 수율이 낮아져 사용할 수 없어서 상기범위로 한다.
상기에서의 NaOH는 액상을 사용할 수도 있다.
또한, 상기단계(S1)에서의 야자각 차콜은 크기가 0.6~5㎜인 것을 사용함이 바람직한데, 분말인 경우 0.6㎜ 이하, 입상인 경우 1~5㎜로 실시하였으나 입도에 의한 큰 차이는 없다.
또한, 상기단계(S2)에서의 활성화는 아르곤 및/또는 질소가스를 100~1000㏄/분의 유량으로 주입하여 반응분위기를 조절하면서 행하는 것이 바람직한데, 환원분위기하에서 산화되는 것을 방지하기 위해서이고, 상기 유량의 범위가 활성화의 최적범위로 판단되었다.
또한, 상기단계(S2)에서의 활성화는 0.1~10℃/분으로 승온하여 활성화온도에서 30~180분간 유지시킨 후 서냉하는 것이 바람직한데, 가장 바람직한 활성화는 5℃/분이다.
상기에서 활성화처리시간이 30분 이하이면 충분한 반응이 일어나지 않고, 3시간 이상에서는 활성화 반응이 모두 진행되어 효과가 없으므로 상기시간으로 활성화한다.
또한, 상기단계(S3)에서의 중화 및 불순물 제거는 3~5M 염산으로 70~100℃에서 20~60분 처리하는 것이 바람직한데, 이는 활성화물질로 NaOH 등의 알칼리 성분을 사용하므로 중화시키면서 불순물인 회분(ash)을 제거하기 위함이며, 상기 농도, 온도 및 시간에서 가장 효과가 있으므로 상기와 같이 한다. 여기서 염산의 농도가 높으면 처리시간을 짧게 하는 방법으로 상기 범위에서 염산농도와 처리시간을 조절할 수 있다.
또한, 상기단계(S4)에서의 수세는 pH 7까지 행하는 것이며, 상기건조는 건조기에서 80~110℃의 온도로 10~15시간 행함이 바람직한데, 상기 온도 및 시간범위에서 pH7이 잘 되었으므로 상기와 같이 행한다. 여기서 온도가 낮으면 건조가 충분하지 않고 온도가 높으면 연소될 우려가 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 방법으로 제조되는 커패시터용 활성탄을 제공한다.
본 발명은 또한 상기한 커패시터용 활성탄을 애노드전극 및 캐소드전극으로 사용하는 전기이중층 커패시터와, 상기 활성탄을 애노드 전극으로 하고 캐소드 전극으로는 일성분계인 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFePO4, 이성분계인 Li2Mn3NiO8와 삼성분계인 LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2중에서 선택되는 1종이상을 사용하고, 전해질로서 용질 TEABF4 (Tetraethyl ammonium tetrafluoroborate)를 PC (Propylene carbonate)에 1M 농도로 용해시킨 것과 LiPF6 염이 용해된 ethylene carbonate(EC), ethyl-methyl carbonate(EMC), dimethyl carbonate(DMC)에서 선택되는 1종이상으로 구성된 혼합액을 사용하고, 바인더는 PTFE (Polytetrafluoroethylene), BS (Butadien styrene)와 PVDF (Poly vinylidene fluoride) 중에서 선택되는 1종이상을, 전극의 도전재로는 Super-P와 Acetylene Black 중 1종 이상을 사용하는 하이브리드 커패시터를 제공한다.
본 발명의 NaOH를 사용한 화학적 활성화 제조방법에 의해 만들어지는 활성탄은 저가의 야자각 차콜을 사용하여 고 비표면적(1500~3000㎡/g)과 1.5~5㎚ 크기의 메조기공이 발달된 활성탄을 갖는 제조하는 효과를 갖는다. 본 발명에서는 전하의 확산 저항을 줄일 수 있는 메조기공이 발달된 이와 같이 제조된 활성탄을 에노드 전극으로, Li염이 포함된 금속산화물 전극을 캐소드 전극으로 하여 도전제, 바인더와 전해질을 변화시키면서 하이브리드 커패시터를 제조하여, 에너지 저장장치의 고출력과 고 용량을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 NaOH 화학약품 처리공정도.
도 2는 본 발명의 하이브리드 커패시터 제조하는 공정도.
도 3은 본 발명의 하이브리드 커패시터 개념도.
도 4는 본 발명의 NaOH/야자각 차콜의 중량비율과 Ar 유량에 따른 활성탄 메조기공의 크기를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 NaOH/야자각 차콜의 중량비율과 Ar 유량에 따른 활성탄 비표면적의 크기를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명으로 제조된 활성탄전극과 금속산화물 전극의 SEM 사진을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 하이브리드 커패시터 제조하는 공정도.
도 3은 본 발명의 하이브리드 커패시터 개념도.
도 4는 본 발명의 NaOH/야자각 차콜의 중량비율과 Ar 유량에 따른 활성탄 메조기공의 크기를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 NaOH/야자각 차콜의 중량비율과 Ar 유량에 따른 활성탄 비표면적의 크기를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명으로 제조된 활성탄전극과 금속산화물 전극의 SEM 사진을 나타낸 그래프.
본 발명은 상기한 바와 같이 야자각 차콜을 가지고 NaOH의 화학적 활성화 방법을 사용한 고 비표면적이면서 메조기공이 발달된 활성탄을 애노드 전극을 제조하여 고 용량 하이브리드 커패시터 전극으로 활용하는 것을 특징으로 한다. 이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업 계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
[실시예 1] 야자각 차콜로부터 활성화 약품 NaOH를 사용한 활성탄 제조
본 실시 예에서는 크기와 회분조성이 다른 두 가지 저가의 야자각 차콜을 사용하였고, 각각의 포함된 회분은 2~4% 이고, 화학적 활성화 방법을 적용할 때, 사용된 차콜의 입도 분석결과는 구성입자가 1㎜ 이하인 분말인 경우와 1~5㎜인 입도분포를 갖는 경우로 제조된 활성탄기공 구조특성은 크게 차이가 없었다. 화학적 활성화 약품으로 비 표면적이 크고 메조 기공이 발달된 활성탄을 제조하기 위하여 NaOH를 사용하였다. 또한 활성화 약품과 야자 각 차콜의 혼합방법으로 활성화 약품을 수용액 상태로 야자각 차콜과 충분히 교반한 후 첨착하는 방식과, 단순히 분쇄ㆍ혼합하는 물리적 방법으로 활성탄을 제조하였다.
야자각 차콜을 2~8g 준비하고 이를 기준으로 NaOH의 비율을 정하였다. 야자각 차콜을 활성화 약품인 NaOH와의 중량비(NaOH/야자각 차콜)를 각각 0.2~10으로 변화시키면서, 기계적으로 충분히 분쇄 및 잘 혼합하여 부식성에 저항이 큰 재질로 된 용기에 담아 튜우브 로에 넣었다. 야자각 차콜을 열처리를 하는데 불활성 기체인 Ar 가스를 사용하였고 반응 시에 Ar 유량을 100~600㏄/분으로 변화시키면서 주입시켜 반응 분위기를 조절하였다. 활성화 온도는 750℃로 하였고, 열처리 조건은 5℃/min 으로 승온하여 활성화 온도에 도달한 뒤에 약 100분 동안 유지시킨 후 서서히 냉각시켰다.
열처리가 끝난 제조된 활성탄은 3~5M의 HCl로 80℃에서 50분간 처리하여 불순물을 제거한 후 pH 7이 될 때까지 충분히 수세한 후 80~110℃로 세팅된 오븐에서 약 12시간 동안 건조시켰다. 이 때 염산농도와 처리시간을 적당히 조절하면서 불순물을 제거 하였다. 상기와 같이 본 발명에 의해, 활성화 약품인 NaOH로 활성탄을 제조하고, 염산으로 불순물을 제거한 후 제조된 활성탄을 BET, SEM 및 EDS를 사용하여 표면 특성, 활성탄의 비표면적, 기공부피(pore volume), 평균 기공 크기(mean pore size), 메조기공 분율(mesopore fraction), 표면조성 변화 등을 조사하였다. 도 1은 이와 같은 NaOH를 사용한 화학적 활성화기법에 의해 제조되는 공정도를 나타내고 있다.
도 2와 3는 본 발명의 활성탄 제조방법으로 실시하여 생성된 활성탄의 물성을 나타낸 것으로, 야자각 차콜에 대한 활성화 약품 NaOH 중량비와 Ar 기체의 유량에 따른 비표면적과 평균기공크기를 보여주고 있다.
상기 첨착 방법에 따른 또 다른 실시 예에서는 몰수를 정한다음 물 10㎖ 당 활성화 NaOH 약품의 양을 넣고 혼합한 용액에 야자각 차콜을 중량비로 넣고, 1~2시간 동안 충분히 교반한 후, 100℃에서 불활성 기체 분위기 또는 공기 분위기에서, 10~30시간동안 충분히 건조하여 화학약품이 첨착된 야자각을 제조한다. 제조된 야자각을 튜브 로에 넣고 활성화시켜 활성탄을 제조한다. 각각의 방식에 의하여 제조된 활성탄의 물성 결과는 NaOH/야자각 차콜=4/1이고, 불활성 기체인 Ar유량이 200㏄/min인 경우 액상상태로 제조된 첨착 활성탄의 비표면적이 1537 g/㎡로 물리적으로 고체상태의 활성탄과 NaOH를 혼합한 방법으로 제조된 도 2에 결과 2189 g/㎡와 비교할 때 활성화가 감소된 것을 알 수 있었다. 수용액 상태에서 첨착방법에 의해 제조된 활성탄 보다, 물리적인 방법에 의해 제조된 활성탄이 비표면적이 크고, 기공이 잘 발달된 것으로 나타나고 있다.
[실시예 2] 제조된 활성탄을 이용한 하이브리드 커패시터 제조
도 4와 5는 본 발명에 의해 제조된 활성탄을 사용하여 하이브리드 커패시터 전극의 제조하는 공정도와 전기이중층 커패시터와 하이브리드 커패시터의 전기화학적 차이점을 나타내는 개념도이다. 실시 예에서는 제조된 활성탄을 가지고 애노드와 캐소드 전극을 사용하는 전기이중층 커패시터와 또 다른 실시 예에서는 애노드는 화학적 활성화에 의해 제조된 활성탄전극과 캐소드로서 Li염 금속산화물 전극을 사용하는 비대칭 하이브리드 커패시터를 제조하여 고용량, 고출력 에너지 저장장치를 제조였다.
애노드 전극물질은 활성탄 : 도전재 : 바인더 = X : Y : Z의 비율로 혼합하여 슬러리를 만들었다. 여기서 X=70~80중량%, Y=15~20중량%, Z=5-10중량%, X+Y+Z=100중량%이다. 또한 캐소드 전극물질은 Li염 금속산화물 : 도전재 : 바인더 = X : Y : Z의 비율로 혼합하여 슬러리를 만들었고, 여기서 X=80~90중량%, Y=5~15중량%, Z=3-7중량%, X+Y+Z=100중량%이다. 이와 같이 제조된 슬러리를 300rpm의 속도로 균일하게 혼합한 후 집전체로 사용된 알루미늄 호일에 코팅하였다. 코팅된 전극은 100℃의 오븐 건조시킨 후 150℃, 200kgf/㎠ 핫프레스(Hot press)를 사용하여 일정한 두께(100㎛)를 갖도록 압착 한다. 압착된 전극을 2ㅧ2㎠의 크기로 재단한 후 3ㅧ3㎠의 크기로 준비된 분리막과 함께 130℃의 진공 건조기에서 24시간 건조시킨 후 단위 셀을 제작 하였다. 단위 셀 제조의 모든 공정을 아르곤 분위기하의 글러브 박스 내에서 진행하여 유기 전해질이 공기 중의 수분과 접촉하는 것을 방지하였다.
실시 예에서 애노드와 캐소드 전극 모두를 제조된 활성탄으로 만드는 전기이중층 커패시터의 경우 활성화 약품 NaOH 중량비와 Ar 기체의 유량에 따른 충전 용량을 표 1에 나타내었다. 합성된 활성탄은 NaOH/야자각 차콜의 중량비가 6/1이상인 경우 활성탄의 수율이 50%이하로 급격히 감소하고 따라서 전극밀도도 매우 낮아 전극제조에 어려움이 있었다.
상기 표 1에서 보는 바와 같이 Ar 유량에 따라 알루미늄 전극 20㎛에 활성탄 전극은 80㎛을 기준으로 할 경우, 0.3~0.5F/㎠의 충전용량을 나타내고 있으며, 이는 비표면적이 2200m2/g을 갖는 상용화 활성탄소섬유 제품인 일본의 MSP-20(Kansai Coke&Chem)을 전기이중층 전극으로 사용한 경우 0.37F/㎠ 의 충전용량과 유사하거나 우수한 특성을 나타낸다. 따라서 본 발명에서는 비표면적이 이 제품보다 더 큰 활성탄을 제조할 수 있으며, 가격도 매우 낮아 가격 경쟁력도 갖는 기술이다. 또한 활성탄 전극의 무게를 기준으로 측정한 경우 최근 전기이중층 및 하이브리드 커패시터에서 세계최고 수준의 충전용량이 100~200F/g 정도인 것을 감안할 때, 야자각 차콜로부터 NaOH로 활성화 시켜 제조한 활성탄을 사용한 커패시터 전극이 매우 우수한 충전능력을 갖고 있음을 알 수 있다.
또 다른 실시 예에서는 고용량 및 고출력의 에너지 저장장치를 제조하기 위해 표 2에서와 같이 애노드 전극으로 본 발명에서 제조된 활성탄과 캐소드 전극으로 Li염 기반의 일성분계인 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFePO4, 이성분계인 Li2Mn3NiO8와 삼성분계인 LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2 금속산화물 전극소재를 사용하여 도전제, 전해질과 바인더 종류와 조성을 변화시키면서 하이브리드 커패시터의 전기화학적 특성을 조사하였다. 활성탄소섬유와 금속산화물 소재의 결정 형상을 알아보기 위해 측정한 FE-SEM 이미지를 도 6에 나타내었다. 활물질의 결정 형상은 커패시터 성능에 밀접한 관련이 있다. LiMn2O4는 평균입자크기는 20 ㎛, LiCoO2 입자크기는 50 ㎛로 입자크기가 비교적 균일 하였으며 LiFePO4의 입자크기는 10~50 ㎛ LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2의 입자크기는 20~100 ㎛ 정도로 입자 크기가 분균일 하였다. 활성탄소섬유의 입자크기를 살펴보면 입자가 큰것은 100 ㎛가 넘어 다른 재료보다 큰 입자분포를 보였다. 이와 같이 제조된 하이브리드 커패시터의 충전량에 대한 캐소드 전극의 금속 산화물, 전해질, 바인더 종류에 따른 실시 예와 그 결과를 표 3에 나타내었다.
Claims (9)
- 0.3~1.0F/㎠의 충전능력을 갖는 커패시터 전극 소재로 사용하기 위한 것으로, 1500~3000㎡/g의 고 비표면적과 1.5~5㎜의 메조기공을 갖고 있는, 커패시터용 활성탄 제조방법으로서,
수산화나트륨(NaOH)과 야자각 차콜을 중량비로 0.2~10:1로 하여 분쇄 및 혼합하는 단계(S1);
상기 혼합물을 튜브 로에서 700~900℃의 온도에서 활성화하여 활성탄을 제조하는 단계(S2);
상기단계(S2)에서 제조된 활성탄의 불순물을 제거하는 단계(S3); 그리고,
상기단계(S3) 후 수세하고 건조하는 단계(S4)를 포함함을 특징으로 하는 커패시터용 활성탄 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기단계(S1)에서의 야자각 차콜은 크기가 0.6㎜ 이하의 분말 또는 1~5㎜의 입상임을 특징으로 하는 커패시터용 활성탄 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기단계(S2)에서의 활성화는 아르곤 및/또는 질소가스를 100~1000㏄/분의 유량으로 주입하여 반응분위기를 조절하면서 행하는 것임을 특징으로 하는 커패시터용 활성탄 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 활성화는 0.1~10℃/분으로 승온하여 활성화온도에서 30~180분간 유지시킨 후 서냉하는 것임을 특징으로 하는 커패시터용 활성탄 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기단계(S3)에서의 중화 및 불순물 제거는 3~5M 염산으로 70~100℃에서 20~60분 처리하는 것임을 특징으로 하는 커패시터용 활성탄 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기단계(S4)에서의 수세는 pH 7까지 행하는 것이며, 상기건조는 건조기에서 80~110℃의 온도로 10~15시간 행하는 것임을 특징으로 하는 커패시터용 활성탄 제조방법.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항으로 제조되는 커패시터용 활성탄.
- 제 8항의 활성탄을 전극으로 사용하는 전기이중층 커패시터로서, 애노드와 캐소드 전극물질은 상기 활성탄으로 하여 중량으로 활성탄 70~80%, 도전재 15~20% 그리고 바인더 5~10%를 포함함을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제 8항의 활성탄을 전극으로 사용하는 하이브리드 커패시터로서, 애노드 전극물질을 상기 활성탄으로 하고, 캐소드 전극물질은 Li염 기반의 금속산화물질로 하되, 상기 캐소드 전극물질은 중량으로 금속산화물 80~90%, 도전재 5~15% 그리고 바인더 5~7%가 포함됨을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터.
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