KR20130085487A - 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 산화물 복합체 및 전기화학소자의 제조 방법 - Google Patents

극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 산화물 복합체 및 전기화학소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극단파 백색광을 사용하여 형성되는 탄소-금속 산화물 복합체 및 이를 이용한 전기화학소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 이를 적용한 수퍼캐패시터는 축전 용량이 높고 고출력 특성을 나타낸다.

Description

극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 산화물 복합체 및 전기화학소자의 제조 방법 {Fabrication method of carbon-metal oxide composite and electrochemical device using intense pulsed light}
본 발명은 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 극단파 백색광 조사법을 이용하여 상온 대기압 조건에서 탄소-금속 산화물 복합체를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 탄소-금속 산화물 복합체를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
수퍼캐패시터는 현재 태양전지판과 자동차용 수소연료전지 배터리에 공통적으로 사용되고 있으며 화학반응을 이용하는 기존의 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하기에 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있어 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다.
수퍼캐패시터에 사용되는 물질로는 전통적으로 사용되어 왔던 활성탄을 포함한 금속산화물, 전도성고분자 등의 신규 전극재료가 있으며 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드형 제품 설비 등으로 인해 발전 및 주목을 받고 있다. 그 중 금속산화물을 전극재료로 사용하는 경우 용량 면에서 다른 재료보다 월등히 유리하지만 금속산화물과 전류의 통전 및 축적에 도움을 주는 탄소담지체와의 합성이 힘들뿐만 아니라, 2 종 이상의 합금산화물의 경우 환경적 조건에 민감하며 합성이 매우 힘들다. 또한, 전기화학적인 방법, 열공정 등을 이용한 합성방법으로 인해 제조 시간이 길고 공정 온도가 높다는 점에서 비경제적이라는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저온에서 간단한 공정을 통하여 저렴하게 대면적 및 대량 생산 가능한 고효율의 탄소-금속 산화물 복합체를 제조할 수 있는 방법을 제공하고, 이러한 방법으로 제조된 탄소-금속 산화물 복합체를 포함하는 전기화학소자 및 이를 포함하는 수퍼캐패시터를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여,
1) 탄소 담지체 분산액을 기판상에 도포하여 건조시키는 단계;
2) 상기 탄소 담지체가 도포된 기판을 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속 이온을 포함하는 금속 전구체 수용액에 함침시켜 금속전구체층을 형성하는 단계; 및
3) 상기 금속전구체층이 형성된 기판에 극단파 백색광을 조사하는 단계를 포함하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 담지체는 카본 블랙, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF), 탄소나노코일(CNC), 정렬된 다공성 탄소(OPC), 메스코카본 마이크로비드(MCMB), 단일벽탄소나노혼(SWNH), 탄소에어로겔(CAG), 그라핀또는 그라핀 산화물로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 금속 전구체 수용액은 2종의금속 이온을 포함할 수 있으며, 이때 상기 2종 금속 이온의 비율은 1:10~10:1인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 극단파 백색광은 제논 플래쉬 램프를 통해 조사될 수 있다. 이때 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭(Pulse width)은 0.1 ~ 100ms이고, 펄스 갭(Pulse gap)은 0.1 ~ 100ms이며, 펄스 수(Pulse number)는 1 ~ 1000번이고, 강도(Intensity)는 0.01J/㎠ ~100J/㎠ 인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 집전체 상에 전도성 탄소막을 형성하는 단계; 상기 전도성 탄소막이 형성된 집전체를 제1금속염, 제2금속염 및 염기 물질을 포함하는 금속 전구체 수용액에 함침시킨 후 건조시키는 단계; 및 상기 금속 전구체가 코팅된 집전체에 극단파 백색광을 조사하여 탄소-금속 산화물 복합체 활물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 전기화학소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속 전구체 수용액은 M(X)2·mH2O인 제1금속염, N(Y)2·nH2O인 제2금속염 및 염기성 물질을 함유할 수 있으며, 상기 N과 M은 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 종류의 금속들이고, X와 Y는 각각 독립적으로 Cl-, NO3 - 및 CHOO-로 이루어진 군에서 선택되며, m과 n은 0 내지 10의 정수이다. 예를 들어, M은 니켈, N은 코발트일 수 있으며, 1:1의 혼합비로 포함될 수 있다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 탄소-금속 산화물 복합체 활물질층을 포함하는 전기화학소자는 상기 전기화학소자는 집전체 및 상기 집전체 상의 제1활물질층을 포함하는 제1전극; 집전체 및 상기 집전체 상의 제2활물질층을 포함하는 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및 이온 교환을 위한 전해액을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 탄소-금속 산화물 복합체 활물질층을 포함하는 전극은 캐패시턴스 성능이 높아 수퍼캐패시터로 사용가능하다.
본 발명에 따라 집전체 위에 극단파 백색광을 조사하여 탄소-금속 산화물 활물질층을 포함하는 전극이 적용된 전기화학소자는 높은 축전 용량과 더불어 고출력의 특성을 나타내므로 수퍼캐패시터 전극으로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 집전체상의 탄소 소재 코팅 방법을 보여주는 모식도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자 전극의 제조 방법에 따라 제조된 전극을 촬영한 전자 현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자 전극의 제조 방법에 따라 제조된 전극이 적용된 수퍼캐패시터의 전기화학적 특성을 측정한 그래프이다.
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법은 1) 탄소 담지체 분산액을 기판상에 도포하여 건조시키는 단계; 2) 상기 탄소 담지체가 도포된 기판을 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속 전구체를 포함하는 수용액에 함침시켜 금속전구체층을 형성하는 단계; 및 3) 상기 금속전구체층이 형성된 기판에 극단파 백색광을 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 사용가능한 탄소 담지체는 카본 블랙, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF), 탄소나노코일(CNC), 정렬된 다공성 탄소(OPC), 메스코카본 마이크로비드(MCMB), 단일벽탄소나노혼(SWNH), 탄소에어로겔(CAG), 그라핀 또는 그라핀 산화물로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명에서 상기 금속 전구체 수용액이 2종의 금속 이온을 포함하는 경우, 상기 2종 금속 이온의 비율은 1:10~10:1인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는 제논 플래쉬 램프를 사용하여 극단파 백색광을 조사한다. 구체적으로 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭은 0.1 ~ 100ms인 것이 바람직하다. 또한 상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 갭은 0.1 ~ 100ms, 펄스 수는 1 ~ 1000번, 제논 플래쉬 램프의 강도는 0.01J/㎠ ~100J/㎠ 인 것이 바람직하다. 펄스 폭이 0.1ms 보다 작을 경우, 매우 큰 에너지의 조사로 인하여 금속이 승화되어 탄소-금속 산화물 복합체를 형성할 수 없으며 100ms보다 클 경우, 너무 낮은 에너지로 인해 탄소-금속 산화물 복합체를 형성할 수가 없다. 또한, 펄스 갭이 100ms보다 크거나 펄스 수가 1000번보다 큰 경우, 강도가 0.01J/㎠ 보다 작은 경우에도 너무 낮은 에너지로 인해 금속-탄소 산화물 복합체를 형성할 수 없으며, 펄스 갭이 0.1ms 보다 작거나 강도가 100J/㎠ 보다 클 경우에는 장비와 램프에 무리가 가해지기 때문에 장비와 램프의 수명이 급속하게 줄어들며 이 범위를 제외하고서도 충분히 탄소-금속 산화물 복합체를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 탄소-금속 산화물 복합체의 형성 매커니즘을 설명하자면, 극단파 광이 조사되면 포함되어 있는 금속염(예를 들어, 니켈 나이트레이트와 코발트 클로라이드)의 온도가 순간적으로 상승하게 되어 그 과정에서 주변 공기들과의 접촉으로 인해 산화반응이 진행되며 순간적으로 산화니켈코발트를 형성하게 되며 이때 CNT 표면 위에서 CNT의 형태를 따라서 금속산화물층으로 형성되어 표면적을 넓히는 효과를 주게 된다.
또한 본 발명에 따른 전기화학소자의 제조 방법은 집전체 상에 전도성 탄소막을 형성하는 단계; 상기 전도성 탄소막이 형성된 집전체를 제1금속염, 제2금속염 및 염기 물질을 포함하는 금속 전구체 수용액에 함침시킨 후 건조시키는 단계; 및 상기 금속 전구체가 코팅된 집전체에 극단파 백색광을 조사하여 탄소-금속 산화물 복합체 활물질층를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1금속염은 M(X)2·mH2O이고, 제2금속염은 N(Y)2·nH2O이며, 상기 N과 M은 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 종류의 금속들이고, X와 Y는 각각 독립적으로 Cl-, NO3 - 및 CHOO-로 이루어진 군에서 선택되며, m과 n은 0 내지 10의 정수이다. 예를 들어, M과 N은 각각 니켈과 코발트일 수 있으며, 혼합 비율이 1:1일 때 캐패시턴스 성능이 특히 우수하다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 탄소-금속 산화물 복합체 활물질층을 포함하는 전기화학소자는 상기 전기화학소자는 집전체 및 상기 집전체 상의 제1활물질층을 포함하는 제1전극; 집전체 및 상기 집전체 상의 제2활물질층을 포함하는 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및 이온 교환을 위한 전해액을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 탄소-금속 산화물 복합체 활물질층을 포함하는 전극은 캐패시턴스 성능이 높아 수퍼캐패시터로 사용가능하다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자는 수퍼캐패시터일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자는 제1전극(10) 및 제2전극(20)과, 상기 제1전극(10) 및 제2전극(20) 사이의 세퍼레이터(30)와, 상기 제1전극(10) 및 세퍼레이터(30)의 사이, 세퍼레이터(30) 및 제2전극(20) 사이의 전해액(도면상에는 미도시)을 포함한다.
상기 제1전극(10)은 양극으로, 집전체(11) 및 상기 집전체(11) 상에 제1활물질층(13)을 포함한다. 또한, 상기 집전체(11) 및 제1활물질층(13) 사이에 개재된 전도성 탄소막(12)을 더 포함할 수도 있다. 도 2는 본 발명의 집전체 상에 전도성 탄소를 코팅하는 방법들 중의 하나의 실시예에 따른 개략적인 단면도이다.
이때, 상기 집전체(11)는 Fe, Cu, Ti, Ni, Pt, Al, Au 및 이들의 합금일 수 있다. 또한, 상기 집전체(11)는 전도성 고분자 및 전도성 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 다공성 또는 비다공성 폼일 수 있다.
또한, 상기 전도성 탄소막(12)은 탄소 나노 튜브, 활성 탄소, 그래핀 및 그래핀 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제1활물질층(13)은 금속 산화물을 함유한다. 이러한 금속 산화물은 서로 다른 종류의 금속을 갖는 2가지 종류의 금속 산화물을 포함한다.
이를 보다 상세히 설명하면, 상기 금속 산화물은 NxO, MxO, N1 - xMxOm, N(OH)2·mH2O, M(OH)2·mH2O, 및 [N(OH)2]1-x[M(OH)2]x·mH2O로 이루어지는 군에서 1종 이상 선택될 수 있다. 이때, 상기 N과 M은 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 종류의 금속들이고, 0<x<1, m은 0 내지 10의 정수이다. 바람직하게는 상기 N과 M은 각각 Ni와 Co 일 수 있다.
또한, 상기 제1활물질층(13)의 금속 산화물은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 충전 용량 향상 및 전극의 전기전도도 향상을 위하여 전도성 탄소 물질을 더 포함할 수도 있다. 상기 전도성 탄소 물질은 탄소 나노 튜브, 활성 탄소, 그래핀 및 그래핀 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 제2전극(20)은 음극으로, 집전체(21) 및 상기 집전체(21) 상에 제2활물질층(22)을 포함한다.
이러한 제2전극(20)의 집전체(21)는 전도성 물질이면 모두 가능할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2전극(20)의 집전체(21)는 금속 포일, 금속 매쉬 및 전도성 고분자 화합물 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2전극(20)의 음극 활물질(22)은 도전성 물질이면 모두 가능할 것이다. 예를 들면, 상기 제2전극(20)의 음극 활물질(22)은 도전성의 탄소재질, 도전성 금속 및 도전성 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 세퍼레이터(30)로 사용될 수 있는 물질은 마이크로포러스 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 멤브레인, 다공성 유리 섬유 티슈 또는 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 조합일 수 있다. 사용되는 세퍼레이터(30)의 개수는 잘 알려진 바와 같이 전극의 개수에 적합할 것이다.
상기 전해액은 산성 전해질을 사용하면 발명 전극이 용해되기 때문에 염기의 성질을 가지는 수성 전해질로, 예를 들면, 수산화칼륨(KOH) 수용액과 같이 알칼리 전해질일 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 전극 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3를 참조하면, 우선, 금속 전구체 수용액을 준비한다. (S1) 이때, 상기 금속 전구체 수용액은 제1금속염, 상기 제1금속염과는 다른 금속을 갖는 제2금속염 및 염기 물질을 함유한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1금속염은 M(X)2·mH2O이고, 제2금속염은 N(Y)2·nH2O일 수 있으며, 이때, 상기 N과 M은 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 종류의 금속들이고, X와 Y는 각각 독립적으로, Cl-, NO3 - 및 CHOO-로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, m과 n은 0 내지 10의 정수이다. 또한, 상기 금속 전구체 수용액 내에서 상기 제1금속염에 대한 제2금속염의 몰비율, 즉, 상기 N에 대한 M의 몰비율은 10%~90%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 전구체 수용액은 전도성 탄소물질을 더 포함할 수도 있다. 상기 전도성 탄소 물질은 탄소 나노 튜브, 활성 탄소, 그래핀 및 그래핀 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 금속 전구체 수용액을 준비한 후, 집전체를 준비하고, 상기 집전체 상에 전도성 탄소막을 형성, 코팅할 수 있다. (S2) 상기 집전체는 Fe, Cu, Ti, Ni, Pt, Al, Au 및 이들의 합금일 수 있다. 또한, 상기 집전체는 전도성 고분자 및 전도성 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 다공성 또는 비다공성 폼일 수 있다.
또한, 상기 전도성 탄소막은 탄소 나노 튜브, 활성 탄소, 그래핀 및 그래핀 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 그리고 상기 집전체 상의 전도성 탄소막은 다양한 방법을 통하여 형성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 전도성 탄소막은 고분자 전구체의 탄화 반응을 통하여 상기 집전체 상에 형성될 수 있으며, 또는 분산제를 포함한 탄소 소재 페이스트를 집전체에 펴 바르는 방법을 통하여 형성하는 방법도 가능하다.
상기 전도성 탄소막이 형성된 집전체를 금속 전구체 수용액에 10~30분간 함침시켜 금속염을 포함한 전도성 탄소막 집전체를 형성시킨 뒤 상기 금속염을 포함한 전도성 탄소막 집전체를 상온에서 건조시킨다. (S3) 건조 방법은 다양한 방법을 이용하여 실시할 수 있다. 예를 들면, 상온 대기 중에 방치하여 건조하는 것도 가능하며, 열을 가하여 상기 전구체 용액의 용매를 증발시켜 건조하는 것도 가능하다.
그 후 상기 혼합물이 함유된 기판에 극단파 백색광을 조사하여 탄소-금속 산화물 복합체를 제조한다. (S4) 극단파 광조사는 펄스폭, 펄스갭, 펄스수, 강도의 변화에 따라 조건이 달라지며 그에 따라 총 광에너지를 최대 100J까지 방출하게 된다. 기판의 종류, 탄소 기반 담지체의 종류, 금속의 종류에 따라 탄소-금속 산화물 복합체 형성을 위한 광조사조건은 달라질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Triton X와 같은 분산제로 잘 분산되어 있는 탄소나노튜브 페이스트를 스테인리스 스틸 기판 위에 유리막대를 사용하여 고르게 펴 바르고 400℃의 온도로 가열하여 불순물을 제거한다.
CoCl2와 Ni(NO3)2·6H2O를 코발트와 니켈의 각 전구물질로 사용하여, 니켈 및 코발트 이온의 몰비 1:1가 되도록 1M CoCl2와 1M Ni(NO3)2·6H2O를 수용액에 용해하여 코발트 및 니켈 이온의 수용액을 제조한다.
이 수용액에 탄소나노튜브가 코팅된 전도성 집전체인 스테인리스 스틸 기판을 2시간 동안 함침시킨 뒤 상온에서 5시간 동안 건조하여 코발트-니켈염 수용액이 포함된 탄소나노튜브를 제조하였다.
금속염이 포함된 탄소나노튜브/ 스테인리스 스틸 기판에 하기 표 1에 기재된도시된 조건의 극단파 백색광을 조사하여 탄소나노튜브 위에 니켈코발트 산화물을 형성하였다. 또한 이 탄소-금속 산화물 복합체는 500℃의 노에서 한번 더 산화시킬 수 있다.
펄스 폭 펄스 갭 펄스 수 강도
6 ms 5 ms 3 ms 40 J
실시예 2
노출시킨 백색광의 강도(intensity)를 10J로 한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 3
노출시킨 백색광의 강도를 25J로 한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 4
노출시킨 백색광의 강도를 55J로 한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 5
니켈 및 코발트 이온의 몰비가 2:1가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 6
니켈 및 코발트 이온의 몰비가 2:1가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 2과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 7
니켈 및 코발트 이온의 몰비 2:1가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 8
니켈 및 코발트 이온의 몰비 2:1가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 4과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 9
니켈 및 코발트 이온의 몰비 1:2가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 10
니켈 및 코발트 이온의 몰비 1:2가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 2과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 11
니켈 및 코발트 이온의 몰비 1:2가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
실시예 12
니켈 및 코발트 이온의 몰비 1:2가 되도록 한 점을 제외하고, 상기 실시예 4과 동일한 방법으로 전기화학소자의 전극을 제조하였다.
.
상기의 실시예 1 내지 12의 전극을 전기화학소자로 수퍼캐패시터에 적용하여 측정한 측정값을 하기 [표 2]에 정리하였다.
축전 용량
(F/g)		 에너지 밀도
(Wh/kg)		 전력 밀도
(Kw/kg)
NiCo(1:1)10J 423.3028 21.16514 5.879206
NiCo(1:1)25J 1206.935 60.34675 16.76299
NiCo(1:1)40J 1226.697 61.33485 17.03746
NiCo(1:1)55J 437.5939 21.8797 6.077693
NiCo(1:2)10J 950.9823 47.54912 13.20809
NiCo(1:2)25J 849.7042 42.48521 11.80145
NiCo(1:2)40J 505.3241 25.26621 7.01839
NiCo(1:2)55J 608.9336 30.44668 8.457411
NiCo(2:1)10J 1076.709 53.83545 14.95429
NiCo(2:1)25J 880.0719 44.0036 12.22322
NiCo(2:1)40J 601.825 30.09125 8.358681
NiCo(2:1)55J 351.9322 17.59661 4.887947
상기 [표 2]를 참조하면, 니켈과 코발트의 비율이 1:1이며 40J의 백색광에 노출시킨 전극이 축전용량(Specific Capacitance), 에너지 밀도, 전력 밀도 등의 모든 면에서 가장 우수한 성능을 나타내었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극을 촬영한 전자 현미경 이미지로서, 다양한 배율에 의하여 촬영한 이미지이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전극은 니켈 코발트 산화물층이 탄소나노튜브의 표면을 따라 형성되어있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극이 적용된 수퍼캐패시터의 전기화학적 특성을 측정한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 전기화학소자 전극을 적용한 수퍼캐패시터는 순환 전압-전류계 측정 결과 높은 산화환원 피크를 가짐을 알 수 있다.

Claims (14)

1) 탄소 담지체 분산액을 기판상에 도포하여 건조시키는 단계;
2) 상기 탄소 담지체가 도포된 기판을 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속 이온을 포함하는 금속 전구체 수용액에 함침시켜 금속전구체층을 형성하는 단계; 및
3) 상기 금속전구체층이 형성된 기판에 극단파 백색광을 조사하는 단계를 포함하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소 담지체는 카본 블랙, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF), 탄소나노코일(CNC), 정렬된 다공성 탄소(OPC), 메스코카본 마이크로비드(MCMB), 단일벽탄소나노혼(SWNH), 탄소에어로겔(CAG), 그라핀 또는 그라핀 산화물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 전구체 수용액은 2종의 금속 이온을 포함하며, 상기 2종 금속 이온의 비율은 1:10~10:1인 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 극단파 백색광은 제논 플래쉬 램프를 통해 조사되는 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭(Pulse width)은 0.1 ~ 100ms인 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 갭(Pulse gap)은 0.1 ~ 100ms인 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 수(Pulse number)는 1 ~ 1000번인 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 제논 플래쉬 램프의 강도(Intensity)는 0.01J/㎠ ~100J/㎠ 인 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
집전체 상에 전도성 탄소막을 형성하는 단계;
상기 전도성 탄소막이 형성된 집전체를 제1금속염, 제2금속염 및 염기 물질을 포함하는 금속 전구체 수용액에 함침시킨 후 건조시키는 단계;
및 상기 금속 전구체가 코팅된 집전체에 극단파 백색광을 조사하여 탄소-금속 산화물 복합체 활물질층를 형성하는 단계;를 포함하는 전기화학소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 제1금속염은 M(X)2·mH2O이고, 제2금속염은 N(Y)2·nH2O이며, 이때 N과 M은 Ca, Mg, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 종류의 금속들이고, X와 Y는 각각 독립적으로 Cl-, NO3 - 및 CHOO-로 이루어진 군에서 선택되며, m과 n은 0 내지 10의 정수인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 M은 니켈이고, N은 코발트인 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 니켈과 코발트의 혼합비는 1:1인 것을 특징으로 하는 탄소-금속 산화물 복합체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 전기화학소자는 집전체 및 상기 집전체 상의 제1활물질층을 포함하는 제1전극; 집전체 및 상기 집전체 상의 제2활물질층을 포함하는 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및 이온 교환을 위한 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 제조 방법.
제9항에 의해 제조된 전기화학소자를 포함하는 수퍼캐패시터.
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